基于STEM的運動生物力學課程實踐：教學模式構建與仿真模擬分析

[摘" "要] 研究旨在探索基于STEM教育理念的運動生物力學課程的新型教學模式，評估其對學生學習效果提升的獨特優勢與內在機制。文章在分析課程特征的基礎上，構建關鍵學習節點進階式的運動生物力學課程教學模式，并通過系統動力學仿真分析，探索影響學習效果的關鍵因素。研究發現，該教學模式能夠提升學生課程學習的關鍵能力，有效促進學生對課程知識內容的系統掌握。個體情緒狀態、課程學習成績、個體學習能力、課程滿意程度共同構成了學習效果提升的系統過程，呈現出穩步上升—停滯不前—顯著提升的演進特征。建議教師應深刻理解有效性學習發生的關鍵節點，有針對性地設計課程教學活動，避免學生出現課程知識學習的疲憊期。同時，注重新舊知識的有機融合與合理銜接，促進課堂知識的有效遷移，以提升教學效果。

[關鍵詞] 運動生物力學課程； STEM教育理念； 進階式； 教學模式； 仿真模擬

[中圖分類號] G434" " " " " " [文獻標志碼] A

一、引" "言

課程是人才培養的核心要素，新時代高等教育高質量發展要求全面提升課程建設質量[1]。深化高校體育教育專業課程改革，加強課程體系整體設計，是實現高等教育提質創新，培養復合型體育教育人才的重要措施[2]。“運動生物力學”作為一門集體育學、生物學、物理學于一體的交叉學科課程[3]，其特點與STEM教育“跨學科、實證性、技術增強性”的核心理念高度吻合[4]。應用STEM教育理念進行運動生物力學課程實踐，有助于促進教學目標的達成[5]。課程教學目標達成的關鍵點在于學生學習效果提升。如何有效提升學習效果，這一動態性過程的機制規律是什么，尚需進一步探索。而系統動力學作為描述動態性系統結構的有力工具[6]，可通過模型構建與仿真模擬來系統挖掘不同要素變化的因果性關系[7]，為探討學生學習效果提升的過程提供關鍵方法[8]。

基于此，本研究通過構建基于STEM的運動生物力學課程教學模式并建立系統動力學模型，觀察分析學生學習效果提升的因素架構與影響機制，從而為體育學科體系其他課程教學模式的優化與提升提供重要的理論參考。

二、基于STEM的運動生物力學課程教學模式

為構建一個以異質學生為主要參與群體、以跨學科課程內容為教學核心、側重不同學科的知識整合應用與教育資源開發、通過創新性組合達成群體性應用效果的STEM運動生物力學課程教學模式， 本研究依據課程教學模式構建的基本思想、相關原理與具體要素進行教學模式構建。

（一）教學模式的構建依據

基于STEM的運動生物力學課程教學模式的構建主要由STEM教育理念和運動生物力學的課程特點兩個方面相互融合而成。一方面，STEM教育理念強調科學、技術、工程和數學的交互與融合，注重學科知識交叉和整體應用[9]。基于這一教育理念，將學生教育教學與課程實踐融為一體，提高學生綜合素質和科學技術的應用能力，在客觀事實中深化學生的科學思維。另一方面，運動生物力學課程所具有的獨有特性，將體育學和生物學相關知識體系有機結合于一體[10]。因此，在構建基于STEM的運動生物力學課程教學模式的過程中，需要注重課程內容的科學性、技術性、工程性和數學性，強調多學科的交叉融合與實踐應用。

（二）教學模式的構建過程

在基于STEM的運動生物力學課程教學中，教學模式的構建需要以學生為中心，在課程設計、教學管理、教學方式、教學資源和評價反饋等方面進行整體布局和落實。結合STEM倡導的教育理念和運動生物力學的課程特點，本研究遵循“模式整體布局→要素局部架構”的基本思路與策略，通過“要素模型確定→進階維度抽取→成就水平劃分→學業表現期望→評估策略支持”等程序步驟構建基于STEM的運動生物力學課程教學模式[11]。

1. STEM要素模型確定

確定STEM的要素模型需要遵循兩個原則，一方面，需要明確STEM教育的核心理念和涉及的理論基礎；另一方面，需要歸納并梳理STEM教學模式的構成要素，并將構成要素有效布局至構建課程教學模式的全過程。由于學生的能力水平不同，本研究參照以往相關研究提出：基于STEM的運動生物力學課程教學模式主要包括學習的進階起點、進階維度、學業表現、成就水平、評價策略、進階終點六個要素[12]。

2. STEM進階維度抽取

課堂問題分析與解決能力的培養是有效提升學生認知結構和高階思維的主要手段。處于不同學習水平的學生，對于課堂問題的分析深度與解決方式具有差異。根據課堂問題分析與解決能力的要素構成，結合學生的具體慣習，本研究提出問題解決這一關鍵能力的三個維度，具體包括面對運動生物力學課程教學問題的表現態度、處理運動生物力學課程教學問題的分析過程、解決運動生物力學課程教學問題的呈現結果。

3. STEM成就水平劃分

學生STEM的成就水平劃分包括課堂表現關鍵節點確定和水平預先設置兩個部分。其中，關鍵節點確定首先要保證節點能夠代表學生的水平層級；其次是節點的界定要保證具體性和科學性；最后是節點能夠描述學生的能力形成過程。基于此，本研究參照SOLO分類理論，將前、單點、多點、關聯和抽象擴展結構確立為學生運動生物力學課堂問題解決能力的具體進階節點，以此來劃分學生的成就水平（如圖1所示）。

4. STEM學業表現期望

學業期望表現主要用于有效區分學生學習能力的層級水平。本研究采取整體+局部（整體評估學生課堂學習表現+反思學生問題解決能力表現）的設計思路，將學業期望表現全面布局至SOLO分類理論所包含的五個學習進階水平中，以此表征學生在運動生物力學課程學習過程中處于不同進階水平時的課堂表現。

5. STEM評估策略支持

精準評估學生的進階水平以及確定有效的支持策略是構建運動生物力學課程教學模式的技術難點，包括評估進階水平和進階策略支持兩個方面。其中，評估進階水平方面，教學模式構建要精確追蹤學生思維軌跡和認知發展隨教學時間變化的整體情況；進階策略支持方面，明確不同進階變量節點所對應的成就水平特征，找尋各個成就水平的外顯特征，依據有意義學習和最近發展區兩大理論，確定不同水平進階工具與策略。

基于STEM的運動生物力學課程教學模式（如圖2所示）是以精準識別學生關鍵能力學習節點為導向的進階式課程教學模式，具有跨學科理論知識整合與復雜高階認知能力培養的特征，著重從學生進行運動生物力學課程學習的三個進階維度出發，全面支持學生學習能力發展。教學模式圍繞各成就水平的規律與特征，助力多維教學目標的達成。通過學業期望所形成的表現框架識別學生外顯行為，確定進階起點，并采用科學合理的支持工具和策略，刺激學生學習能力的有效提升。評價結果直接指向進階目標，依據同化、順應、平衡的原則，采用課程教學活動干預方案，實現關鍵能力培養。

三、運動生物力學課程實踐效果提升的系統動力學模型構建

在進行基于STEM的運動生物力學課程教學實施和評價過程中，通過系統動力學仿真模擬明確影響教學效果的關鍵因素，識別在現有教學模式下被忽略或重視不足的方面，如教學內容與學生現有知識基礎不匹配、理論知識與運動實踐之間的脫節等。通過及時調整教學內容、優化教學方法、加強反饋機制，以提升教學效果。在STEM課程教學模式中，個體情緒狀態、課程學習成績、個體學習能力和課程滿意度作為評價教學效果的核心指標，四者相輔相成共同優化學習效果，且彼此之間存在復雜交互關系。因此，研究整合上述各要素來建立運動生物力學課程學習效果的系統動力學模型，以深入探索基于STEM的運動生物力學課程提升學生學習效果的核心動力。

（一）數據來源與方法過程

1. 研究數據來源

為明確基于STEM的運動生物力學課程教學模式對學生學習效果提升的具體影響，找出關鍵影響因素并進行針對性的提升，以回應當前我國面向高等教育學生核心素養提升的課程教學改革需求[13]，本研究以某師范大學運動生物力學課程教學效果的提升為研究對象，對參與基于STEM的運動生物力學課程學習的學生進行課程學習效果的多維度評價，具體評價指標見表1。

2. 研究方法過程

本研究通過構建和檢驗運動生物力學課程的系統動力學模型，采用控制單一變量方法來模擬分析基于STEM的教學模式提升學生學習效果的內在驅動與獨特優勢。

（二）系統邊界的關系確定

本研究將運動生物力學課程學習效果視為由個體情緒狀態、課程學習成績、個體學習能力、課程滿意程度四大要素構成的復雜系統，四大要素相互作用并共同影響運動生物力學課程學習效果。除上述各方面要素的影響之外，外部環境也會對運動生物力學課程學習效果產生影響，包括學生的家庭環境、社會關系等，但是這些要素均屬于系統邊界以外的影響因素[17]，在本研究中均予以排除。

（三）動力學流量模型構建

根據系統邊界關系，圍繞課程學習效果中心變量建立個體情緒狀態作用量、課程學習成績作用量、個體學習能力作用量和課程滿意程度作用量四個速率變量，以體現個體情緒狀態、課程學習成績、個體學習能力、課程滿意程度四個一級影響因素對運動生物力學課程學習效果的共同作用。同時，將系統動力學模型中所包含的二級影響因素設置為若干輔助變量和常量，并使用因果鏈體現各二級因素對四個子系統的具體作用（如圖3所示）。

（四）系統動力學變量權重

根據本課程的教學評價方案和課程學習效果系統流圖確定評價指標，由于本研究所涉及的部分評價指標（個體情緒狀態、個體學習能力、課程滿意程度）為負向得分，即得分越低效果越好，本研究將負向得分評價指標數據進行正向化處理[18]，以確保系統動力學模擬仿真的整體可視效果。采用CRITIC（Criteria Importance Though Intercrieria Correlation）方法來計算各級指標的權重（Weights）[19]（見表2）。

四、運動生物力學課程實踐效果提升的系統動力學模擬仿真

基于STEM的運動生物力學課程教學實踐呈現出目標多維、過程協調、評價多元的特點，學習效果的影響因素及其相互作用具有動態性、復雜性，通過系統動力學構建和模擬教學過程中的各種動態關系，精準識別學習過程的階段節點，有助于優化教學設計，及時調整教學策略，為學生提供個性化學習路徑，提升解決問題的能力，進而優化學習效果。

（一）靈敏度與積分誤差檢驗

1. 靈敏度檢驗

為明確所構建的系統動力學模型的靈敏性，參照以往研究對該模型進行靈敏度檢驗。隨機選取“個體情緒狀態作用量”作為模型檢驗變量，將慌亂情緒增加30%[20]，結果表明“個體情緒狀態作用量”在仿真模擬前后的數據對比具有顯著差異，表明該模型具有較高的靈敏度。

2. 積分誤差檢驗

為保證所構建系統動力學模型的精確度，參照以往研究對該模型進行積分誤差檢驗，通過隨機選取一項評價指標，以判斷模型的時間間隔設置是否科學、合理[21]。檢驗結果顯示，當時間間隔發生改變時，慌亂情緒增加30%的模擬曲線與原始曲線基本一致，由此表明該模型具有較高的精度。

（二）學習效果模擬仿真分析

1. 課程學習效果各子系統的仿真模擬分析

個體情緒狀態方面的仿真模擬結果表明，相較于慌亂情緒、緊張情緒、憤怒情緒、疲勞情緒、抑郁情緒，精力情緒、自尊情緒、情緒紛亂指數隨著模擬仿真時間的持續推移對運動生物力學課程學習效果的提升更為明顯，其中，精力情緒對運動生物力學課程學習效果的提升效應最為顯著，如圖4（a）所示。其原因為精力情緒、自尊情緒、情緒紛亂指數三者均為積極情緒，增加上述三個積極情緒的作用量，可使學生更有效率地應對運動生物力學課程學習任務。

課程學習成績方面的仿真模擬結果表明，相較于課程論文得分、課件作業得分、實驗報告得分，考試成績得分隨著模擬仿真時間的持續推移對運動生物力學課程學習效果的提升效應最為顯著，如圖4（b）所示。其原因為課程考試成績作為階段性或終結性評價，能夠直觀反映學生的知識掌握情況，考試成績影響作用量的增加對處于不同學習水平的學生均能夠產生積極的影響。

個體學習能力方面的仿真模擬結果表明，掌握知識、團隊合作、問題解決、溝通交流、學會學習、學習信念的影響作用量增加30%后，所對應的曲線均處于初始仿真模擬水平曲線上方位置，由此說明上述變量隨著模擬仿真時間的持續推移對運動生物力學課程學習效果的提升程度更高，如圖4（c）所示。同時掌握知識和學會學習存在相互作用的增長趨勢。學生學會學習能力的提升，能夠正向地促進學生對新知識的掌握，而掌握更多知識反過來又能更有效地提高學生的學習能力。這種正反饋機制有效地增強了學習效果，原因是學生能夠更高效地利用現有資源和方法，以及在學習過程中形成了更強的自驅力和適應性。

課程滿意程度方面的仿真模擬結果表明，相較于促進師生友好關系、促進學生團隊合作、激發學生學習興趣、提高課堂參與程度，有效組織課堂教學隨著模擬仿真時間的持續推移對運動生物力學課程學習效果的提升效應最為顯著，如圖4（d）所示。其原因為高效的課堂組織對于學生掌握課堂知識、達成課堂教學目標、如期完成課時教學計劃具有重要作用。

2. 課程學習效果綜合系統的模擬仿真分析

綜合系統模型仿真結果表明（如圖5所示），相較于課程滿意程度、個體情緒狀態、個體學習能力，課程學習成績隨著模擬仿真時間的持續推移對運動生物力學課程學習效果的提升效應最為顯著。其原因為課程學習成績作為運動生物力學課程學習的主要評價方式，具有客觀性和可量化的特征，能夠較為直觀地反映學生的知識掌握程度和課程學習效果。課程考試成績作用量的增加對處于不同學習水平的學生均能夠產生積極影響。

綜上所述，課程學習成績作用量對運動生物力學課程學習效果的影響程度強于課程滿意程度作用量、個體情緒狀態作用量、個體學習能力作用量。同時，各子系統的二級影響因素：精力情緒、考試成績得分、學會學習、有效組織課堂教學對于提升與之相對應的個體情緒狀態子系統、課程學習成績子系統、個體學習能力子系統、課程滿意程度子系統的影響程度最大。進一步整合分析結果發現，二級影響因素“考試成績得分”對課程學習成績子系統的影響最大，且課程學習成績作用量對運動生物力學課程學習效果的響應程度最高。同時，運動生物力學課程學習效果的提升趨勢呈現出階段性的特征。

五、討" "論

整體模擬仿真分析結果表明，課程學習成績作為一項重要的一級影響因素指標，在提升學生整體學習效果方面起到了關鍵性作用；此外，學生課程學習效果整體仿真趨勢呈現出“穩步上升（1～9周）”“停滯不前（9～14周）”“顯著提升（14～18周）”三個階段。因此，本研究針對運動生物力學課程實踐整體仿真效果提升的呈現趨勢進行深入討論并提出相應紓解策略。

（一）深刻理解有效性學習發生的關鍵節點，精準識別學生的能力水平

運動生物力學課程實踐整體仿真模擬前期（1～9周），學生的學習效果呈現出穩步上升的演進趨勢（如圖5所示）。其主要原因為基于STEM的運動生物力學課程教學模式因其教學目標的多維化、教學過程的協調化、教學方式的綜合化以及教學組織的新穎化特點，能夠激發學生進行有效性學習，并促使其關鍵學習能力的形成。因此，在運動生物力學課程教學實踐過程中，教師需要明確學生觸發有效性學習的關鍵節點，通過精準識別學生的能力水平以引導其進行有效性學習。具體來講，教師需要明確STEM課堂學習關鍵能力的形成機制，通過不同學習評價維度對學生的課堂表現進行精準把握，以最終明確處于不同能力水平學生的行為表現、學習風格以及認知結構特征。

（二）合理應用策略方法設計課程教學活動，避免學生課程學習疲憊期

運動生物力學課程實踐整體仿真模擬中期（9～14周），學生的學習效果呈現出停滯不前的演進趨勢（如圖5所示）。其主要原因為運動生物力學課程知識體系具有由易至難的特點，學生在課程學習過程中會因知識難度的提升而產生較大的認知負荷，逐漸出現課程學習的“疲憊期”[22]，由此導致學生運動生物力學課程學習效果呈現出停滯不前的態勢。因此，在基于STEM的生物力學課程教學實踐過程中，特別是中后期教學實踐，教師需要合理應用策略方法來設計課程教學活動，以避免學生出現課程學習疲憊期。應用不同方法策略設計STEM課程教學活動方案時，需要重點關注兩個方面：一方面，明確有效性學習的起終點，根據學生的行為表現，設置科學合理的學習起終點；另一方面，通過學生成就水平的層級評定和期望表現的具體行為，實時評估學生學習能力各維度的具體變化過程。

（三）注重新舊知識的有機融合與合理銜接，促進學生課堂知識的有效遷移

運動生物力學課程實踐整體仿真模擬后期（14～18周），學生的學習效果呈現出顯著提升的演進趨勢（如圖5所示）。其主要原因為經過14周的STEM運動生物力學課程學習，學生系統掌握了課程的理論知識，在此過程中學生的學會學習和團隊合作的能力都得到顯著提升，這種提升促使學生能夠更有效地將前期所學運動生物力學課程理論知識合理遷移至運動實踐，進而表現出更好的學習狀態。上述過程通過將新知與舊識進行有機融合與有效銜接，促使學生在課堂教學過程中形成知識的有效遷移，并獲得理論應用于實踐的關鍵能力。因此，基于STEM的運動生物力學課程教學實踐，應充分把握學生的原有認知，將新的課堂問題布局至學生原有的認知結構上進行思考，尋找支持學生發生有效遷移的關鍵節點。同時，教師需要采取貫通式的課堂教學策略，關注知識的整體性和連續性框架，從課程本源上來構建新舊知識關聯的“連通器”，以最終激發學生課堂知識的整合遷移。

六、結 束 語

基于STEM的運動生物力學課程教學模式能夠有效促進學生對課程知識內容的系統掌握與靈活遷移。個體情緒狀態、課程學習成績、個體學習能力、課程滿意程度共同構成了學習效果提升的系統過程，其中，個體情緒狀態受到精力情緒的影響；課程學習成績受到考試成績得分的影響；個體學習能力受到掌握知識和學會學習的影響；課程滿意程度受到有效組織課堂教學的影響。此外個體情緒狀態、課程學習成績、個體學習能力、課程滿意程度整體呈現出階段性的演進特征。建議教師應深刻理解有效性學習發生的關鍵節點，有針對性的設計課程教學活動，避免學生課程學習疲憊期。同時，注重新舊知識的有機融合與合理銜接，促進課堂知識的有效遷移，以提升教學效果。

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STEM-based Sports Biomechanics Course Practice： Teaching Model"Construction and Simulation Analysis

HAO Ying1，" "CHEN Zhuo1，" "CHEN Xingjuan2

（1.College of Physical Education， Northwest Normal University， Lanzhou Gansu 730070；

2.Institute of Medical Research， Northwestern Polytechnical University， Xi'an Shaanxi 710072）

[Abstract] The study aims to explore a new teaching model for Sports Biomechanics course based on the concept of STEM education， and to evaluate its unique advantages and intrinsic mechanism in enhancing students' learning outcomes. On the basis of the analysis of the characteristics of the course， the study constructs a teaching model of Sports Biomechanics with key learning nodes and" explores the key factors affecting the learning effect through system dynamics simulation. It is found that this teaching model can improve students' key abilities in course learning and effectively promote students' systematic mastery of the course knowledge. Individual emotional states， course academic performance， individual learning capabilities， and course satisfaction collectively constitute the systematic process of" the improvement of learning outcomes， exhibiting the evolutionary feature of steady increase-plateau-significant improvement. It is recommended that teachers should have a deep understanding of the key nodes where effective learning occurs， and design targeted teaching activities" to avoid learning fatigue among students. Additionally， attention should be paid to the organic integration and reasonable sequencing of old and new knowledge to facilitate effective knowledge transfer in" class， thereby improving teaching outcomes.

[Keywords] Sports Biomechanics Course; STEM Education Concept; Progression; Teaching Model; Simulation

[作者簡介] 郝瑩（1984—），女，河南鞏義人。教授，博士，主要從事運動生物力學、體育教育教學研究。E-mail：haoying@nwnu.edu.cn。