基于SD 模型仿真的課程思政環境下學生核心素養系統的演化與調控

劉淑貞，周明星

（1.湖南安全技術職業學院 基礎教育學院數理教研室，湖南 長沙；2.湖南農業大學 公共管理與法學學院，湖南 長沙 ）

一 引言

“課程思政”是當今教育的一個熱點問題，“課程思政”已形成一種育人環境，對學生的核心素養系統演化產生重要的影響。學生核心素養存量是隨著外因和內因的不斷作用而動態發展的，對學生核心素養的“管理”也應遵循動態的發展規律，需要定性與定量相結合的方法進行研究。系統動力學(system dynamics,SD) 就能夠采用定性分析和定量模擬的方法研究系統各組成部分之間的關系，優化系統的整體功能。由此，我們不僅要了解學生核心素養的內涵和要素，還需要結合外界“課程思政”環境影響的角度去探究學生核心素養內部與外部的相互作用下的演化規律和動態發展趨勢。比如，如何預計學生核心素質體系的內部諸要素與“課程思政”相互作用的變化走勢；如何對學生核心素養的存量進行動態評估；以及如何把握目標、措施、環境對學生素質系統進行及時調控，這些問題亟待我們教育工作者做科學、深入的研究。

二 學生核心素養的系統動力學SD 模型構建

系統動力學理論 (system dynamics，SD)最早源于 MIT 的J.Forrester 的《工業動力學》一書[2]，認為物理系統中的動力學特性及反饋控制過程在復雜系統 (如生命、生態、社會、經濟、教育)中同樣存在。通過專家對復雜系統機理的研究，可以建立復雜系統的動力學模型,并通過計算機仿真去觀察系統在外力作用下的變化。學生核心素養系統，涉及到學生的知識、能力、行動、環境、觀念、生理、心理等各方面及其相互作用關系，以及隨時間變化的動態發展過程，是一個具有抽象性、多變性、綜合性的復雜系統。構建學生核心素養系統的SD 模型，可以將學生核心素養的現實系統投射到實驗層面，利用它不僅可以對系統的未來作出規劃性和警告性預測,同時回測系統的歷史行為，如圖1 所示。

圖1 學生核心素養系統的現實關系與仿真模型的關系框架圖

（一）學生核心素養系統的因果關系與流圖分析

明確建模的目的和具體問題之后，下一步需要探究系統與其組成部分之間的關系以及這些重要變量與有關量之間的關系，進而追索因果與相互關系鏈和回路，然后把它們重新聯結一起形成回路反饋環。厘清學生核心素養系統中各要素之間的因果關系是建立SD 模型時進行系統分析的關鍵點和著重點。學生核心素養系統因果關系由二部分構成，決策控制過程和行動過程，在該素質系統中，目標學生核心素養期望值由外界評定，比如高職學生的核心素養期望值由工作崗位和市場對人才的需求給定等。學生核心素養系統的基本運行，首先由外界輸入的期望值起導向作用，當現有的學生核心素養存量與期望值出現差距時，則決策部分通過目標、制度機制、利益關聯等來調節素質存量的變化率的大小和方向。反之，當影響學生核心素養系統存量的基本內在要素發生變化時，整體上的素質存量也會發生變化，而這些變化通過調控使之趨向目標的期望值。

從系統動力學流圖分析，學生核心素養系統整體上是一個負反饋環系統，當素質系統速率增大時，學生核心素養存量值增加，這時素質存量與素質期望值的差距減少，變化率在調控系數的作用下也隨之趨緩慢。從整個系統的運行機理來說，是一個由不平衡不斷趨向平衡的過程。決策控制過程與行動過程相互作用的信息不斷被檢測、比較,素質存量與素質的期望值的差距，使得決策控制部分發揮調控作用,調整素質存量的變化率，從而使學生核心素養系統產生新的特性。一方面，素養存量或期望值的任一增或減,都會使素質存量與期望值之間產生差距,使系統出現不平衡狀態。另一方面，為了減小差距,保證系統的平衡,學生核心素養系統的內部作用機制會反過來促使素質存量相應地增或減,以減小差距,確保系統維持平衡。如圖2 所示。

圖2 學生核心素養系統動力學流圖

（二）學生核心素養系統SD 模型參數解釋及量化方法

基于以上的系統動力學運行機理和流圖分析，擬定學生核心素養系統SD 模型五個主要參數，包括學生核心素養存量、學生核心素養期望、學生核心素養差距、調控系數、變化率，其具體的含義和關系解釋如下：

（1）學生核心素養存量的基本要素的設定

從內部結構來看，學生核心素養系統是由多個要素構成的。本文借鑒2016 年北京師范大學發布的“中國學生發展核心素養研究成果”所界定的內容，將學生核心素養分為文化基礎、自主發展、社會參與三個方面，綜合表現為人文底蘊、科學精神、學會學習、健康生活、責任擔當、實踐創新六大素養，具體細化為國家認同等18 個基本要點。隨著教育部政策、課程思政機制制度、利益關聯等因素的影響而動態發展，各素養之間相互聯系、互相補充、相互促進，在不同情境中整體發揮作用，并與之形成一個系統整體。如圖3 所示。

（2）學生核心素養存量的基本要素及計量方法

圖3 學生核心素養存量維度、基本元素的構成

（3）學生核心素養系統系統期望值解釋及計量方法

學生核心素養系統期望為外界社會各主體對學生核心素養的期望，從系統來說是一個外界輸入的常數。其量化方法采用評價指標體系的量化方法與滿意尺度的方法，用“期望度”作為期望值的評價結果，從而表示期望達到的程度。外界輸入的常數數值越大，表示期望值越高。

（4）學生核心素養系統差距與變化率解釋及計量方法

學生核心素養系統差距即為學生核心素養存量的現值與期望值之間的差距，公式為：學生核心素養系統差距=期望值-水平變量數值存量的現值。系統流圖中的變化率為由調控引起的學生核心素養存量與期望值之間的差距的變化快慢，因此定義其量化計算公式為變化率=素質差距×調控系數。

（5）學生核心素養系統調控系數解釋及計量方法

表1 調控系數指標與調控程度對應表

該系統考慮從課程思政目標、課程思政政策、課程思政關聯效益三個外界影響變量對學生核心素養系統進行調控。調控作用系數用特征函數來描述，區間定為[-1,1],用公式表示即：

具體的取值采用專家評判和社會調查相結合的方法給定，調控系數數值與調控力度的對應關系，常在[0，1]取值，值越大，調控力度越大。為了統一標準，使得調控系數指標有相近的調控力度說明，從而對[-1,1]的范圍表示作如下規定見表1。

（三）課程思政環境下學生核心素養SD 模型構建

在描述學生核心素養系統結構的因果關系圖基礎上，畫出學生核心素養系統結構的系統流圖，收集和整理有關系統中各個變量間的相互關系的數據資料、有關的參數值和常數值等，將不同性質的變量用不同的符號來表示，進行符號假設和模型假設，分析各參數之間的內在邏輯和函數關系，從而構建學生核心素養系統SD 模型如下：

②素質期望=a,單位：dmnl;

③素質差距d=a-s;單位：dmnl;

④素質變化率r=素質差距d×調控系數u；單位：dmml/Year;

三 學生核心素養系統SD 模型Vensim 模擬仿真

使用系統動力學分析軟件Vensim.PLE 對學生核心素養系統SD 模型進行仿真。其基本過程為：確定目標分析因果關系 建立系統動力學流圖構建方程建立模型模型驗證原始數據模擬運行調整數據進一步仿真 依據數據和圖表對結果進行分析比較，發現規律，得出結論，提出優化建議。

（一）仿真實驗1—調控系數不變時，期望值對素質系統的影響

圖4 學生核心素養系統SD 模型仿真實驗1

本次仿真模型時間以年為單位，以0.5 為步長，設定學生核心素養存量初始值為50dmnl,調控系數為u=0.6，期望值a=[100（Current1）、120（Current2）、140（Current3）、160（Current4）、180（Current5）、200（Current6）],分為6 種情況模擬的數據圖和數據圖4 如下。

從運行的數據圖表分析結果發現，當有稍大的正向調控作用時，學生核心素養存量處于整體上升趨勢，尤其是前5 年的增長速度很快，其變化率較大，斜率值大，快接近期望值時，進入較為平穩發展的穩定期，直至達到最終的目標值。同時，從數據我們發現，當調控系數一致的情況下，期望值越高，越接近學生核心素養目標存量的時間越長。進一步可知，6種情況整體上學生核心素養存量數值接近目標值的時間較短，但精確等于準確的目標值卻需要較長時間，比如當期望值為120 時，在第7 年就達到了119，但直到20 年時間才準確達到120 的期望值，由此可見在達到完全期望值狀態需要花費較多的時間。

（二）仿真實驗2—期望值不變時，調控力度對素質系統的影響

本次仿真模型時間長為10 年，以月為單位，以1 為步長，設定學生核心素養存量初始值s=50,期望值a=100,調控系數為u=[0.1（Current1）、0.3（Current2）、0.5（Current3）、0.7（Current4）、0.8（Current5）、0.9（Current6）],分為6 種情況模擬的數據圖和數據表進行模擬仿真，其結果如下：

圖5 學生核心素養系統SD 模型仿真實驗2

從此仿真結果分析可以發現，當期望值一致時，調控系數增大時，學生核心素養存量在前面五年時間會迅速增加，在接近目標期望值后變化趨緩慢，進入平穩期；同時，調控力度越大，學生核心素養存量達到期望的目標存量時間越短；另外，可知當調控系數為負數時，學生核心素養存量會以不同的變化率降低；從整體上可見，當系統的素質存量值往期望值接近的過程速度很快，比如當期望值目標值為100 時，調控系數為0.9 時，達到期望接近值99 只要四年，但準確值卻需要十年以上。以上的分析說明調控力度對學生核心素養的影響程度和變化趨勢有較大的作用。

（三）學生核心素養系統SD 模型仿真結論與優化

以上的模型是一個將系統當中的學生核心素養存量和調控系數做一個整體考慮，從而擬定學生核心素養存量這一個水平狀態變量，采用一階的系統動力學模型進行模型構建和仿真，在一定程度上反應了學生核心素養系統在外界調控和期望值的作用下的變化趨勢。但由于影響學生核心素養系統的因素眾多,關系錯綜復雜,課程思政環境下學生核心素養內部因素：人文底蘊、科學精神、學會學習、健康生活、責任擔當、實踐創新之間也存在著相互作用的因果反饋環，同時外界的目標、政策及利益之間也存在著相互作用的因果反饋環，因此，需要更進一步深度分析內在和外在的各要素之間的現值、權重和因果關系，建立較為全面、完整的復雜SD 模型進行二階或多階的系統動力學模型進行仿真，以此指導現實系統的學生核心素養系統的建立和完善。但無論怎樣，學生核心素養系統動態模型不可能是它的實際代替物,只能是它真實系統的簡化和代表,是它高度抽象的質的反映物。具體的優化處理可以從以下三個方面進行：

1.細化學生核心素養系統的因果反饋回路

前面分析了學生核心素養內部單元的三個維度、6 大要素、18 個要點，可以說這18 個要點(人文積淀、人文情懷、審美情趣、理性思維、批判質疑、勇于探究、樂學善學、勤于反思、信息意識、珍愛生命、健全人格、自我管理、社會責任、國家認同、國際理解、勞動意識、問題解決、技術運用)之間存在一些正反饋因果環，和負反饋因果環，比如正反饋環：學生越具有理性思維，其技術應用越好，問題解決能力越強。即理性思維↑→技術應用↑→ 問題解決↑。負反饋回路如：過度強調批判質疑，其人文情懷相對受影響等。由此需要分析各個細化的因果關系基礎上設定權重和現值，納入系統運行，從而可以分析學生核心素養的各內在元素的變動對整個素質系統的影響。

2.完善學生核心素養存量的乘數-加速機制

學生核心素養系統產生動態變化的根源既來自其內部運動,又來自它的外部推動。從現實來說其素質系統存量的改變引起的系統功能增加并不是線性的，往往是加倍的增強；而功能運行的效應增強，又必然引起學生核心素養存量的加速增大，因此其實際上是一個增強型正反饋作用過程。

3.考慮延遲-制約機制對SD 演化模型的影響

從現實系統來講，學生核心素養系統運行在一些環節會受到“延遲”和“制約”的影響。這種“延遲”和“制約”與中國教育大體環境有關，受現行的文化、環境制約。影響學生核心素養系統的外部推動機制，如目標、政策、利益都具有時代背景，因此在優化模型構建時，要設定上限和下限參數，以防止整個系統的功能出現無限制的增長和下降。

四 學生核心素養系統調控對策

建立學生核心素養動態SD 模型分析問題不僅有效方便,便于理解,而且快捷、經濟，可以挖掘現實系統無法及時發現的規律和本質。利用系統動力學軟件Vensim.PLE對模型結構與功能進行仿真模擬,可以研究在不同的政策因素和不同的參數下,學生核心素養系統所呈現的不同運行結果,揭示學生核心素養系統已表現及尚未表現的狀態變量之間的復雜關系和它的未來的走勢，從中進行調控課程思政的實施措施和制度機制[3]。依據模型的屬性和變化特征，提出以下三個方面的調控對策。

（一）優化學生核心素養系統的結構成分

以“培養全面發展的人”為中心，根據不同學習階段，和不同學生群體建立較為全面的、針對性的學生核心素養內涵體系，對其內在的結構成分進行科學、合理的優化，基于現實厘清學生核心素養發展的影響因素，并挖掘其相互作用和連帶效應，避免出現“木桶效應”，即因為系統某一核心素養存量出現低水平而拉低這個學生核心素養的下降。通過建立合理的、適當的學生核心素養存量結構，有助于較快的縮小整個系統素質存量與期望值之間的差距。

（二）針對素質期望目標建立保障與激勵制度

外界的調控可以從目標、政策、利益關聯三個方面進行調控的影響。2016 年習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調，要用好課堂教學這個主渠道，各類課程都要與思想政治理論課同向同行，形成協同效應。由此全國各個學校開始了由“思政課程”走向“課程思政”的教育教學改革之旅。這些政策方給對學生核心素養的系統存量的產生積極的正影響。目標也會做相應的調整，在課程思政的大環境中，將“德”放在首要位置；同時在利益層面，出臺一些課程思政環境下的評價系統和鼓勵保障機制，對一些具有高尚道德優秀學生給予表彰和正向宣傳，以此來持續增長學生核心素養存量的動態發展。

（三）課程思政活動提升學生核心素養內生力

通過一系列的課程思政的教育教改活動，以課程為載體，在專業知識、專業文化中學習工匠精神、和愛國情懷；在實際日常教學活動中感受集體的團結的力量，感悟命運共同體的哲學原理和胸襟；通過一些榜樣實際案例的學習和熏陶，提升自我的黨性覺悟，凈化心靈，激發求知欲，從而讓學生從思想上認識“德”的重要性，愛國的重要性，并通過學習教育內化于內心的品質和行為習慣，通過內生動力的加強，主動提升學生核心素養的存量。

五 結語

我們從系統動力學角度，定性與定量相結合，靜態與動態相結合，分析課程思政教育教改的時代大浪潮中，學生核心素養的內在和外在的影響因素及相互作用，設定參數和系統流圖，構建學生核心素養體系的SD 模型，并借助系統動力學分析軟件Vensim.PLE 實現計算機模擬仿真，利用SD 模型的參數變化來了解、分析和研究現實問題的本質和規律,并進一步基于模型的仿真結果提出模型優化方案及學生核心素養系統更好發展的調控對策，

其對完善學校的教育治理和提升學校的人才培養質量有積極的理論借鑒意義。本文僅做一個拋轉引玉，構建的SD 模型還不夠全面和深入，但相信若細化學生核心素養影響元素，考慮多種優化因素，多階的反饋流程圖，設定更貼合實際的參數，建立較完善的系統動力學模型，必然會為如何持續提升學生整體的核心素養帶來科學的理論依據和診斷預測的方法。