科學精神視域下培養學生建模能力的策略
——以自制創意小樂器魔琴為例

福建省三明市梅列區實驗小學 楊瑞花

小學科學中常用的STEM 項目教學，從本質上而言是呈現一個真實的問題情境，提供相關背景知識與材料，讓學生不受思維的局限，自由探索，最終很好地解決問題。STEM 項目教學兼顧了國家課程與拓展性課程兩者的互補性和側重點，以不同領域、不同材料為探究對象，使得小學科學知識教學更加具備系統、完整性。在實際教學過程中，教師要以學生發展核心素養為要求，在依據課程標準的前提下，努力營造和諧的教學氛圍，加強建模實驗過程中的科學指導，以實驗建模、主題式小項目形式為起點，鼓勵學生的個性化科學創新思維，鍛煉學生的實踐能力，并通過構建情境導入學習，發散思維形成設計方案，再到動手制作模型以及成果經驗交流展示等學習環節，引導學生在建模的過程中，能夠發揮積極性去主動參與探究，切實提高學生合作交流、動手實踐、解決問題、創新等方面的能力，從而有效地提升學生的科學素養。

一、感知情境，激發學習興趣

小學階段的學生受認知發展的局限性影響，相對于抽象思維而言，他們的直觀思維更加凸顯。然而在小學科學STEM 項目學習過程中，雖然項目目標很明確，但任務執行時并沒有一個明晰的直觀細節，需要學生去探索實踐。因此，在小學科學基于STEM 項目的建模教學中，教師可以將模糊的學習任務與現實生活進行關聯，即教師應努力在學生的生活中來收集信息，使用學生在日常生活中可觀、可感、可觸的材料來抽象出問題進行教學。這樣的教學方式比學生通過模仿和死記硬背的機械學習要更加生動有趣，所以小學科學教學要從學生已有的生活經驗出發，讓學生自己體會把生活中的原型轉變成模型，然后以多媒體視頻進行展示，讓學生更直觀地感知項目任務與生活的關系，達到分解任務的目的，并從感官上讓學生直接感受到其中的趣味性，從而在他們的生活意識領域中，提前植入對科學建模的學習興趣，為后期的學習帶來積極的動能。

如在小學科學教科版教材四年級“聲音”單元的科學知識學習中，以“自制創意小樂器——魔琴”為例，教師通過構建一段多媒體視頻，讓學生與現實生活中的樂器發聲場景相聯系，然后導入樂器發聲原理的學習。準備一把學習中常用的直尺，接著在教師演示的基礎上，學生也來動手感受一下用不同力度撥動直尺產生的不同震動發出的不同聲音。這樣的情境引導能很好地激發學生對于樂器制作原理的進一步了解，也讓學生想進一步知道它的內部構造是如何運作的。這時，教師就可以引導學生了解，聲音是通過物體振動產生的，物體震動能使周圍的空氣產生疏密變化從而產生聲波，讓直尺振動起來就可以發出聲音，能幫助學生更好地進入下一步建模設計過程中去。

二、自主交流，啟動頭腦風暴

STEM 教育的魅力在于能讓學生發散思維，形成頭腦風暴，將自己的奇思妙想通過作品展示出來。在這其中，如何將想法變成設計方案，是制作模型很重要和關鍵的一步。教師在這個過程中，要發揮好指導作用，引導學生形成自主合作交流。從某種層面上來看，小學生的集體合作能力至關重要，小學生本身就有愛玩、愛交朋友的特性，良好的課堂協作往往能讓小學生更好地運用知識，養成較好的學習能力。首先，在科學課堂上有意識地培養學生的建模能力，可以讓小學生優勢互補，通過合作交流，小學生能夠在好的學習氛圍中培養自身的建模能力。其次，一個班集體的良好學習氛圍是要靠大家努力的，大家都踴躍地參與課堂的討論交流，就能夠在更深層的意義上優化班級的學習氛圍，也能助力學生在討論中發揮想象力，并在頭腦中構成“我要做什么”和“我該怎么做”的思維方式，最終讓學生將想法與現實相關聯，形成可實施的建模設計方案。

如在指導學生進行“自制創意小樂器——魔琴”的設計過程中，需要引導學生形成制作樂器模型的方案。首先，需要完成魔琴的模型設計圖。教師可以先讓學生通過小組合作的方式進行交流，產生思想碰撞，明白電磁感應現象：當閉合電路的一部分在磁場中做切割磁感線運動時，電路中就會產生感應電流。當我們用手指撥動這根琴弦的時候，實際上就是讓琴弦在磁場中做切割磁感線的運動，這樣就可以發出美妙的聲音了。形成自己小組的設計思維后，就讓學生將想法畫出來。由于小學階段的學生無法使用專業計算機軟件工具來作圖，教師就可以引導學生畫出最初的設計草圖，配上簡單的說明文字，對自己的設計想法進行表達。接著，進入創意小樂器魔琴的制作步驟及小組的工作分工。教師要指導每一組學生將魔琴模型設計制作步驟進行分解標注，同時讓小組成員進行自主任務分工。最后，明確創意小樂器魔琴的各個部分分別用什么材料制作、需要多少以及需要用什么工具制作，并一起來準備建模所需的材料、數量及所需工具。通過這樣的合作交流與分工，學生能更好地明確學習任務，在可實施的設計方案輔助下，更好地進入實踐探索階段。

三、探究合作，學會解決問題

探究合作有助于培養小學生的問題解決能力。建模能力是小學科學最重要的一種能力，學生要具有充分的學習動能，才能真正獲得建模能力。學生通過積極的探究合作，尤其是學生的深度互動、合作，能夠更加激發其學習建模的內因，這其實也正是對小學生在小學科學學習過程中的一個基本要求。建模活動以發展學生的科學素養為核心，在科學精神視域下，它不同于有條理的規劃，更具開放性和創新性。所以建模過程中可以讓學生自由、自主運用多思維、多方法制作模型，從而讓學生產生學習更多知識的強烈動機，并在遇到困難時，會從優秀的解決方案中尋找啟發，進而解決問題，完成模型。

如在“自制創意小樂器——魔琴”的模型制作階段，學生根據提供的相關背景知識，完成小組的設計方案，然后選擇所需材料（如一塊木板、一根琴弦、一塊磁鐵、兩個螺絲釘、兩根導線、一個擴音器等），嘗試制作魔琴模型。制作要求：準備一個長方形的鐵條，在鐵條的兩端打上螺絲釘，然后把一根廢棄的琴弦纏在螺絲釘上；用螺絲刀調節琴弦的松緊度；將磁鐵固定在琴弦的一側，用螺絲刀按琴弦；找到正確的音節，用筆標出音節的位置，通過螺絲刀在琴弦上滑動來彈奏樂曲。在制作的過程中，學生可能會遇到如木板會彎、磁鐵的磁力太小、琴弦拉不緊、聲音過于單調、聲音太小等問題，教師要讓學生自主去思考、探索，并記錄整個解決過程，以便在模型展示中進行經驗智慧的分享匯報。

四、智慧分享，領悟核心奧秘

基于STEM 教育的“自制創意小樂器——魔琴”的模型制作這一課中，當然少不了最核心的智慧成果分享階段，分享每個學生在智慧得到充分發揮的建模過程中形成的寶貴經驗，是整個建模過程的重要環節。

如在成果完成后，進入項目結果展示階段，教師安排各小組進行模型展示、交流、分享，即每組展示自己的魔琴模型，同時闡述制作的思路、遇到的問題、解決的方式，以及分享心得、體會，并進行總結。遇到問題，我們該怎樣去思考、解決？有的小組說，自己遇到了木板會彎的問題，于是會換一塊厚一點的木板；有的說，遇到了磁鐵的磁力太小的問題，后來發現強力磁鐵磁力更大，能產生更大的感應電流，就換一塊強力磁鐵來解決了問題；有小組說發現魔琴聲音太小，通過分析發現是內部具有很大的空間，但如果把木板換成木箱，可以更好地擴大聲音，就能夠將弦的聲音聚攏，再與木板形成共振，將聲音放大……在整個展示交流中，每個小組都能把自己的想法清楚地表達出來，根據自己的制作過程，來解釋魔琴內部是如何運作的，很好地展現了思維創造過程。科學智慧結晶得到充分的分享，使得每個學生能更深刻地去理解科學的核心奧秘，在日后的生活學習中，更好地去崇尚和貫徹落實科學精神。

五、結語

教師在小學科學課堂教學中要采取任務型教學方式，根據學生的實際學習情況，為他們安排一些能力范圍內的、具有可操作性的學習任務。任務型教學關注學生在課堂中完成教師布置的課堂任務，學生只有在課堂上完成了教師布置的任務，才是真正地掌握了課堂的知識點。首先，教師在任務型教學方法中要根據學生實際的學習情況，為學生的建模能力培養布置相應的學習環節。如在科學課堂中，教師可以讓學生通過繪畫來表示自己的模型，而學生在繪畫的過程中就無形地培養了其建模能力。其次，小學生的建模能力不可能僅僅通過課堂的教學就能得到提高，而是需要不斷地訓練，因此教師就有必要為小學生布置課堂任務，讓小學生在不斷的任務完成中提高自身的建模能力，進而小學生才能夠將課堂知識應用于實際生活，增強自身理論聯系實際的能力。本文中“自制創意小樂器——魔琴”的建模課程，是任務型教學的一個實例，也是一場科學奧秘的解讀，更是一次思維智慧的潛力激發。在教學過程中，教師要善于構建合理化的情境，引導學生學會合作交流、分工任務，并運用已有的科學經驗知識，積極參與到魔琴模型實踐探究過程中，使學生將科學學科簡單基礎層面的認識，以工程設計的方式表達出來，為學生架起一座從科學知識到實際問題的橋梁，很好地鍛煉了學生的解決問題能力、創新實踐能力。