STEAM理念下科学建模的理据、路径与策略

STEAM教育倡导以跨学科的方式指导教学，使学生以更广阔的视野了解各种知识和技能是如何与真实世界相互联系的，旨在培养他们的综合能力。科学建模也关注学生的思维，强调以经验事实为基础，对客观事物进行抽象和概括，进而建构模型，可以运用模型分析数据、解释现象，描述系统的结构、关系及变化过程，是认识真实世界的过程。可见，科学建模与STEAM教育的理念是十分契合的。STEAM教育所建构的学习目标和主题，实现了理论知识与实践操作的融合。学生可以通过操作实践、设计与开发新产品，对抽象的理论进行验证。这些都适合用于帮助学生实现科学建模，提升思维品质。STEAM理念下的科学建模是针对STEAM教育实践的新探索，有助于挖掘科学教学实践中STEAM的内涵，充分展现科学教育的跨学科性。

一、STEAM理念下科学建模的理据

STEAM教育为实现科学建模提供了外在空间。科学建模是各学科中普遍存在的基本元素，具有跨学科的共性，削弱了学科之间的壁垒。学生能基于跨学科理念多角度、系统化地认知事物及其关系，满足科学建模的要求。

立足真实问题情境的STEAM教育为实现科学建模提供了内在动力。STEAM教育的目的是使学生在未来可以成功地解决真实情境中的复杂问题。真实问题情境与现实世界相关联，可以充分唤起学生的生活体验。因此，立足真实问题情境的STEAM教育容易激发学生的兴趣，触发科学建模的契机，提升完成任务的内驱力。学生通过对真实、复杂的问题进行深入探究，可以发展建模思维，提高科学建模能力。

项目化学习的STEAM教育为实现科学建模提供了组织架构。STEAM教育以项目化学习的方式组织课程，可以使学生的技能朝向目标设定的方向发展，通过引导他们对核心问题的探究，突破对科学核心概念的理解与运用，是培养其科学建模能力的有效路径。

二、STEAM理念下科学建模的路径

胡卫平教授等人认为，STEAM课程主要是基于已有的学科主题发展而来的。在厘清现有学科课程内容与STEAM教育之间的关联和逻辑后，实现基于现有课程体系发展STEAM课程，这是目前较适切的整合方式。在小学科学课程中，六年级“宇宙"单元一直被认为是教学难度比较大的内容，注重培养学生的科学建模能力。对宇宙的认知涉及物理、技术、工程、数学等学科，符合跨学科融合特征。另外，学生对宇宙非常好奇，学习动机较强，只是由于学习内容较为抽象，与他们的实际生活联系不密切等原因，使得学习难度较大。教师以此为载体设计了STEAM理念下科学建模的路径（如图1），培养学生的综合实践能力。

1.学科整合，促进 主题统整

STEAM教育的核心特征是不同学科的整合，目的是促进学习者的高阶思维发展。STEAM教育的主题不应限于某个特定学科，而应该针对某一复杂问题。学科教学可以为STEAM教育奠定知识基础和方法储备，学习者综合应用多学科知识解决问题，从而跨越学科界限。通过单元概念引领，找出学科间的建模联系。

结合课程标准、教材和《科学素养导航图》对宇宙概念的描述，以及人类对宇宙的认知顺序和宇宙的层级关系，教师绘制了人类认知宇宙进展图（如图2），将学生科学建模能力的培养与科学概念的建构相联结，即在强调大概念学习的基础上注重学生科学建模能力的进阶发展。进展图描述的是学生建模思维和对“宇宙中的地球”概念的发展历程。值得注意的是，虽然教材并未提到万有引力，但是在跨学科领域，对于认识宇宙、构建模型来说，万有引力是非常重要的联结点。

可见，对宇宙的认知靠单学科是无法做到的，需要进行跨学科整合。教师可以终为始，设计跨学科教学目标统整学生的直接或间接学习经验，并且以大概念描绘他们科学建模的思维发展路径，促进主题统整。“宇宙”单元的跨学科教学目标如下。

科学：认识地球所处的宇宙环境，通过建模来研究猜想和事实之间的关系，利用模型来解释自然现象。

技术：利用不同材料和工具的特性制作模型，了解人类的好奇心和社会的需求是科学技术发展的动力，技术的发展和应用拓展着人类对宇宙的认知。

工程：掌握工程设计草图的绘制，采用建模、工程实践的方法来设计、制作、优化宇宙相关模型。

艺术：掌握模型设计中颜色搭配、布局的方法，对设计图和模型进行美化，提高审美情趣。

数学：学习分析数据，运用数学运算，在建模过程中选择合适的比例，意识到数学对认识宇宙的重要性。

2.情境创设，触发建模需求

STEAM教育强调将抽象知识回归生活情境，学生通过解决一个个趣味性强、具有挑战性的实际问题去学习知识。好的问题情境应该与现实世界相关联，充分唤起学生的生活体验，激发其探究兴趣，使他们产生学习需求。宇宙主题与模型建构联系密切，为了解决相关问题，完成学习任务，学生自然而然就会产生建模需求，投入精力到模型建构中。以情境调动兴趣、融入问题解决的课程设计有利于培养学生综合思维能力。

创设真实情境。真实情境的设置可以从社会热点问题、历史事件、生活事件、科学研究数据等角度切入，宇宙主题离不开的真实情境便是航空航天。近些年来，我国在航天领域的成就举世瞩目，航天科技基础能力显著提高，空间技术整体水平明显提升，同时也亟须培养各类航天人才，参与中国航天事业的发展。由此，教师设计了“未来宇航员”情境（如图3），激发学生的学习兴趣，让他们参与到中国航天事业的发展。

为了培养更多的中国航天储备人才，中国国家航天局开启了“未来宇航员”的培训项目，邀请我校六年级同学成为该项目的成员。同学们将乘坐“未来号”宇宙飞船前往浩瀚而神秘宇宙的进行科学探索与实践。在这段旅程中可能会发生穿越时空的事件，如果遇到，需要完成相应任务才能返回飞船。依据项目考核标准，将会被认定为各星级宇航员。

提出驱动性任务。知识内容是抽象和枯燥的，但任务是具体和灵活的。在教学中，教师把知识内容转化成富有挑战性的学习任务，促进学生与任务的深度互动。基于宇宙的层级结构，教师以学习站的方式呈现不同的学习任务（见表1）。学生按顺序在太阳系、银河系、河外星系三个站点接收到来自遥远时空的电波，通过破译发现是一封求助信。求助信的内容是希望能穿越时空，帮助当时的地球人解决实际问题。用户求助的形式可以增强学生对驱动性任务的真实体验，让他们感受到问题和情境的真实性、迫切性以及服务他人的社会意义，进而增强其社会责任感。用户求助一般包括以下要素：用户身份、用户遇到的问题、用户求助的对象和用户希望得到的帮助。最后一个任务是在“回航"后进行项目反馈，对学习内容进行总结和反思。

3.素养导向，推动建模进阶

模型是通过把握主要特征对系统进行抽象和简化，对科学现象进行解释和预测的一种表征形式，是人们建构的用来描述、解释、预测研究对象，并与他人交流的事物。为了让学生在STEAM学习过程中提高建模能力，可以他们的建模经验为基础，以建模流程为思路，以素养评价为导向，组织进阶式建模。

初次建模，暴露思维起点。为了解六年级学生的科学建模能力和宇宙认知基础，教师对他们进行了问卷调查和访谈。调查发现，学生对科学建模的理解存在较大偏差，大部分学生认为科学建模是一种解题方法，还有部分学生只有实物模型才能被称为模型。令人惊喜的是，超过一半的学生认为自己擅长建构和使用模型，对建模任务表示出极大的兴趣。在宇宙认知方面，阅读面广泛的学生对太阳系及八颗行星比较熟悉，能够分清楚宇宙的层级关系，同时他们的科学建模能力也表现得非常突出。然而，超过一半的学生不知道八颗行星及其位置，无法构建宇宙的层级关系。

重塑建模，显化建模能力。学生的建模思维具有强隐蔽性、激活难度大的特点。在项目实施过程中，为了实现学生的建模思维可视化，可将建模过程分为四个阶段：建构模型、使用模型、评估模型、修改模型（如图4）。以“揭开日食的神秘面纱"任务为例，可以设计相应的项目实践单，学生观察视频中的日食现象后开始思考此时太阳、月球、地球三者的位置，绘制三者的位置关系模型；接着利用模型解释日食的成因，并且与其他同学的模型进行对比，发现亮点与不足；最后经过研讨对模型进行修改和制作。

建立素养评价，关注真实能力。STEAM教育目标指向的是素养，注重在真实问题情境中考查学生的素养，提升他们的建模能力，这比传统的纸笔测试更加灵活多样并关注学习者的真实能力。因此，针对每个任务都构建了多元评价体系，素养评价指标主要包括科学概念、模型设计、模型制作（修改）、合作交流四个维度。学生可以根据自己当前的能力，选择将模型建构到哪种程度，充分发挥主观能动性，提高自我效能感。项目结束后，统计学生在每个任务中得到的星数，最后评定“宇航员星级”。比起单纯的分数，学术化的名称更能对学生产生正向激励的作用。以“揭开日食的神秘面纱”任务为例，可以从四个不同的维度反映学生对日食成因、类型的理解程度和建构模型的能力（见表2）。

四、STEAM理念下科学建模的实施策略

1.搭建支架，助力能力进阶

在学习前，学生头脑中已有的大量信息来自直接或间接、显性或隐性的生活经验，这些经验都有聚合形成大概念的可能。在学习过程中，为学生搭建合适的学习支架，如情境、策略、资源、交流、评价等，就可以有梯度地推进学习进程，完善认知结构。在面对复杂问题的时候，不同的学科支架可以帮助学生对问题进行深度探究，梳理和展示思维路径和方法，进一步应用所学的知识方法解释和解决问题。在这个过程中，学生可以运用模型建构与推理论证等科学思维方式，解决真实问题。

2.成果展示，实现个性发展

每一位学习者能力发展维度不同，所擅长的科目也不同，所涵盖的能力维度十分丰富。多学科融合的STEAM教育可以让学生充分发挥所长，尤其是融人人文艺术后，可以增强他们的创新精神，形成充满个性的成果。在尊重学生个体差异的基础上，及时地公开展示作品，做到开放、互动、个性化，可以帮助他们获得成就感，形成积极的内在学习动机，实现建模的可持续化。

3.问题中心，促进理解表达

理解概念需要经历具体事件，学生在真实情境中通过与问题或他人的互动，进行内部加工和思考，可将其原本不可见的思维结构、思维路径和思维方法通过建模的方式展示出来，全过程地体验“具象一表象一抽象”的过程，可以促进学习的真实发生。在STEAM学习的过程中，学生需要处理各种问题，在不断利用建模的方式来表征和组织思维过程中，形成了比较稳定高阶的科学思维模式。在现实生活中，学生就能随时选择、调用合适的思维，从而更好地解决问题，促进核心素养的发展。

（作者单位：浙江省教育科学研究院附属小学）

参考文献

[1]钟启泉.课程的逻辑[M].上海：华东师范大学出版社，2019.

[2]胡卫平，首新，陈勇刚.中小学STEAM教育体系的建构与实践[J].华东师范大学学报，2017（04）.