基于SD 模型仿真的课程思政环境下学生核心素养系统的演化与调控

刘淑贞，周明星

（1.湖南安全技术职业学院 基础教育学院数理教研室，湖南 长沙；2.湖南农业大学 公共管理与法学学院，湖南 长沙 ）

一 引言

“课程思政”是当今教育的一个热点问题，“课程思政”已形成一种育人环境，对学生的核心素养系统演化产生重要的影响。学生核心素养存量是随着外因和内因的不断作用而动态发展的，对学生核心素养的“管理”也应遵循动态的发展规律，需要定性与定量相结合的方法进行研究。系统动力学(system dynamics,SD) 就能够采用定性分析和定量模拟的方法研究系统各组成部分之间的关系，优化系统的整体功能。由此，我们不仅要了解学生核心素养的内涵和要素，还需要结合外界“课程思政”环境影响的角度去探究学生核心素养内部与外部的相互作用下的演化规律和动态发展趋势。比如，如何预计学生核心素质体系的内部诸要素与“课程思政”相互作用的变化走势；如何对学生核心素养的存量进行动态评估；以及如何把握目标、措施、环境对学生素质系统进行及时调控，这些问题亟待我们教育工作者做科学、深入的研究。

二 学生核心素养的系统动力学SD 模型构建

系统动力学理论 (system dynamics，SD)最早源于 MIT 的J.Forrester 的《工业动力学》一书[2]，认为物理系统中的动力学特性及反馈控制过程在复杂系统 (如生命、生态、社会、经济、教育)中同样存在。通过专家对复杂系统机理的研究，可以建立复杂系统的动力学模型,并通过计算机仿真去观察系统在外力作用下的变化。学生核心素养系统，涉及到学生的知识、能力、行动、环境、观念、生理、心理等各方面及其相互作用关系，以及随时间变化的动态发展过程，是一个具有抽象性、多变性、综合性的复杂系统。构建学生核心素养系统的SD 模型，可以将学生核心素养的现实系统投射到实验层面，利用它不仅可以对系统的未来作出规划性和警告性预测,同时回测系统的历史行为，如图1 所示。

图1 学生核心素养系统的现实关系与仿真模型的关系框架图

（一）学生核心素养系统的因果关系与流图分析

明确建模的目的和具体问题之后，下一步需要探究系统与其组成部分之间的关系以及这些重要变量与有关量之间的关系，进而追索因果与相互关系链和回路，然后把它们重新联结一起形成回路反馈环。厘清学生核心素养系统中各要素之间的因果关系是建立SD 模型时进行系统分析的关键点和着重点。学生核心素养系统因果关系由二部分构成，决策控制过程和行动过程，在该素质系统中，目标学生核心素养期望值由外界评定，比如高职学生的核心素养期望值由工作岗位和市场对人才的需求给定等。学生核心素养系统的基本运行，首先由外界输入的期望值起导向作用，当现有的学生核心素养存量与期望值出现差距时，则决策部分通过目标、制度机制、利益关联等来调节素质存量的变化率的大小和方向。反之，当影响学生核心素养系统存量的基本内在要素发生变化时，整体上的素质存量也会发生变化，而这些变化通过调控使之趋向目标的期望值。

从系统动力学流图分析，学生核心素养系统整体上是一个负反馈环系统，当素质系统速率增大时，学生核心素养存量值增加，这时素质存量与素质期望值的差距减少，变化率在调控系数的作用下也随之趋缓慢。从整个系统的运行机理来说，是一个由不平衡不断趋向平衡的过程。决策控制过程与行动过程相互作用的信息不断被检测、比较,素质存量与素质的期望值的差距，使得决策控制部分发挥调控作用,调整素质存量的变化率，从而使学生核心素养系统产生新的特性。一方面，素养存量或期望值的任一增或减,都会使素质存量与期望值之间产生差距,使系统出现不平衡状态。另一方面，为了减小差距,保证系统的平衡,学生核心素养系统的内部作用机制会反过来促使素质存量相应地增或减,以减小差距,确保系统维持平衡。如图2 所示。

图2 学生核心素养系统动力学流图

（二）学生核心素养系统SD 模型参数解释及量化方法

基于以上的系统动力学运行机理和流图分析，拟定学生核心素养系统SD 模型五个主要参数，包括学生核心素养存量、学生核心素养期望、学生核心素养差距、调控系数、变化率，其具体的含义和关系解释如下：

（1）学生核心素养存量的基本要素的设定

从内部结构来看，学生核心素养系统是由多个要素构成的。本文借鉴2016 年北京师范大学发布的“中国学生发展核心素养研究成果”所界定的内容，将学生核心素养分为文化基础、自主发展、社会参与三个方面，综合表现为人文底蕴、科学精神、学会学习、健康生活、责任担当、实践创新六大素养，具体细化为国家认同等18 个基本要点。随着教育部政策、课程思政机制制度、利益关联等因素的影响而动态发展，各素养之间相互联系、互相补充、相互促进，在不同情境中整体发挥作用，并与之形成一个系统整体。如图3 所示。

（2）学生核心素养存量的基本要素及计量方法

图3 学生核心素养存量维度、基本元素的构成

（3）学生核心素养系统系统期望值解释及计量方法

学生核心素养系统期望为外界社会各主体对学生核心素养的期望，从系统来说是一个外界输入的常数。其量化方法采用评价指标体系的量化方法与满意尺度的方法，用“期望度”作为期望值的评价结果，从而表示期望达到的程度。外界输入的常数数值越大，表示期望值越高。

（4）学生核心素养系统差距与变化率解释及计量方法

学生核心素养系统差距即为学生核心素养存量的现值与期望值之间的差距，公式为：学生核心素养系统差距=期望值-水平变量数值存量的现值。系统流图中的变化率为由调控引起的学生核心素养存量与期望值之间的差距的变化快慢，因此定义其量化计算公式为变化率=素质差距×调控系数。

（5）学生核心素养系统调控系数解释及计量方法

表1 调控系数指标与调控程度对应表

该系统考虑从课程思政目标、课程思政政策、课程思政关联效益三个外界影响变量对学生核心素养系统进行调控。调控作用系数用特征函数来描述，区间定为[-1,1],用公式表示即：

具体的取值采用专家评判和社会调查相结合的方法给定，调控系数数值与调控力度的对应关系，常在[0，1]取值，值越大，调控力度越大。为了统一标准，使得调控系数指标有相近的调控力度说明，从而对[-1,1]的范围表示作如下规定见表1。

（三）课程思政环境下学生核心素养SD 模型构建

在描述学生核心素养系统结构的因果关系图基础上，画出学生核心素养系统结构的系统流图，收集和整理有关系统中各个变量间的相互关系的数据资料、有关的参数值和常数值等，将不同性质的变量用不同的符号来表示，进行符号假设和模型假设，分析各参数之间的内在逻辑和函数关系，从而构建学生核心素养系统SD 模型如下：

②素质期望=a,单位：dmnl;

③素质差距d=a-s;单位：dmnl;

④素质变化率r=素质差距d×调控系数u；单位：dmml/Year;

三 学生核心素养系统SD 模型Vensim 模拟仿真

使用系统动力学分析软件Vensim.PLE 对学生核心素养系统SD 模型进行仿真。其基本过程为：确定目标分析因果关系 建立系统动力学流图构建方程建立模型模型验证原始数据模拟运行调整数据进一步仿真 依据数据和图表对结果进行分析比较，发现规律，得出结论，提出优化建议。

（一）仿真实验1—调控系数不变时，期望值对素质系统的影响

图4 学生核心素养系统SD 模型仿真实验1

本次仿真模型时间以年为单位，以0.5 为步长，设定学生核心素养存量初始值为50dmnl,调控系数为u=0.6，期望值a=[100（Current1）、120（Current2）、140（Current3）、160（Current4）、180（Current5）、200（Current6）],分为6 种情况模拟的数据图和数据图4 如下。

从运行的数据图表分析结果发现，当有稍大的正向调控作用时，学生核心素养存量处于整体上升趋势，尤其是前5 年的增长速度很快，其变化率较大，斜率值大，快接近期望值时，进入较为平稳发展的稳定期，直至达到最终的目标值。同时，从数据我们发现，当调控系数一致的情况下，期望值越高，越接近学生核心素养目标存量的时间越长。进一步可知，6种情况整体上学生核心素养存量数值接近目标值的时间较短，但精确等于准确的目标值却需要较长时间，比如当期望值为120 时，在第7 年就达到了119，但直到20 年时间才准确达到120 的期望值，由此可见在达到完全期望值状态需要花费较多的时间。

（二）仿真实验2—期望值不变时，调控力度对素质系统的影响

本次仿真模型时间长为10 年，以月为单位，以1 为步长，设定学生核心素养存量初始值s=50,期望值a=100,调控系数为u=[0.1（Current1）、0.3（Current2）、0.5（Current3）、0.7（Current4）、0.8（Current5）、0.9（Current6）],分为6 种情况模拟的数据图和数据表进行模拟仿真，其结果如下：

图5 学生核心素养系统SD 模型仿真实验2

从此仿真结果分析可以发现，当期望值一致时，调控系数增大时，学生核心素养存量在前面五年时间会迅速增加，在接近目标期望值后变化趋缓慢，进入平稳期；同时，调控力度越大，学生核心素养存量达到期望的目标存量时间越短；另外，可知当调控系数为负数时，学生核心素养存量会以不同的变化率降低；从整体上可见，当系统的素质存量值往期望值接近的过程速度很快，比如当期望值目标值为100 时，调控系数为0.9 时，达到期望接近值99 只要四年，但准确值却需要十年以上。以上的分析说明调控力度对学生核心素养的影响程度和变化趋势有较大的作用。

（三）学生核心素养系统SD 模型仿真结论与优化

以上的模型是一个将系统当中的学生核心素养存量和调控系数做一个整体考虑，从而拟定学生核心素养存量这一个水平状态变量，采用一阶的系统动力学模型进行模型构建和仿真，在一定程度上反应了学生核心素养系统在外界调控和期望值的作用下的变化趋势。但由于影响学生核心素养系统的因素众多,关系错综复杂,课程思政环境下学生核心素养内部因素：人文底蕴、科学精神、学会学习、健康生活、责任担当、实践创新之间也存在着相互作用的因果反馈环，同时外界的目标、政策及利益之间也存在着相互作用的因果反馈环，因此，需要更进一步深度分析内在和外在的各要素之间的现值、权重和因果关系，建立较为全面、完整的复杂SD 模型进行二阶或多阶的系统动力学模型进行仿真，以此指导现实系统的学生核心素养系统的建立和完善。但无论怎样，学生核心素养系统动态模型不可能是它的实际代替物,只能是它真实系统的简化和代表,是它高度抽象的质的反映物。具体的优化处理可以从以下三个方面进行：

1.细化学生核心素养系统的因果反馈回路

前面分析了学生核心素养内部单元的三个维度、6 大要素、18 个要点，可以说这18 个要点(人文积淀、人文情怀、审美情趣、理性思维、批判质疑、勇于探究、乐学善学、勤于反思、信息意识、珍爱生命、健全人格、自我管理、社会责任、国家认同、国际理解、劳动意识、问题解决、技术运用)之间存在一些正反馈因果环，和负反馈因果环，比如正反馈环：学生越具有理性思维，其技术应用越好，问题解决能力越强。即理性思维↑→技术应用↑→ 问题解决↑。负反馈回路如：过度强调批判质疑，其人文情怀相对受影响等。由此需要分析各个细化的因果关系基础上设定权重和现值，纳入系统运行，从而可以分析学生核心素养的各内在元素的变动对整个素质系统的影响。

2.完善学生核心素养存量的乘数-加速机制

学生核心素养系统产生动态变化的根源既来自其内部运动,又来自它的外部推动。从现实来说其素质系统存量的改变引起的系统功能增加并不是线性的，往往是加倍的增强；而功能运行的效应增强，又必然引起学生核心素养存量的加速增大，因此其实际上是一个增强型正反馈作用过程。

3.考虑延迟-制约机制对SD 演化模型的影响

从现实系统来讲，学生核心素养系统运行在一些环节会受到“延迟”和“制约”的影响。这种“延迟”和“制约”与中国教育大体环境有关，受现行的文化、环境制约。影响学生核心素养系统的外部推动机制，如目标、政策、利益都具有时代背景，因此在优化模型构建时，要设定上限和下限参数，以防止整个系统的功能出现无限制的增长和下降。

四 学生核心素养系统调控对策

建立学生核心素养动态SD 模型分析问题不仅有效方便,便于理解,而且快捷、经济，可以挖掘现实系统无法及时发现的规律和本质。利用系统动力学软件Vensim.PLE对模型结构与功能进行仿真模拟,可以研究在不同的政策因素和不同的参数下,学生核心素养系统所呈现的不同运行结果,揭示学生核心素养系统已表现及尚未表现的状态变量之间的复杂关系和它的未来的走势，从中进行调控课程思政的实施措施和制度机制[3]。依据模型的属性和变化特征，提出以下三个方面的调控对策。

（一）优化学生核心素养系统的结构成分

以“培养全面发展的人”为中心，根据不同学习阶段，和不同学生群体建立较为全面的、针对性的学生核心素养内涵体系，对其内在的结构成分进行科学、合理的优化，基于现实厘清学生核心素养发展的影响因素，并挖掘其相互作用和连带效应，避免出现“木桶效应”，即因为系统某一核心素养存量出现低水平而拉低这个学生核心素养的下降。通过建立合理的、适当的学生核心素养存量结构，有助于较快的缩小整个系统素质存量与期望值之间的差距。

（二）针对素质期望目标建立保障与激励制度

外界的调控可以从目标、政策、利益关联三个方面进行调控的影响。2016 年***总书记在全国高校思想政治工作会议上强调，要用好课堂教学这个主渠道，各类课程都要与思想政治理论课同向同行，形成协同效应。由此全国各个学校开始了由“思政课程”走向“课程思政”的教育教学改革之旅。这些政策方给对学生核心素养的系统存量的产生积极的正影响。目标也会做相应的调整，在课程思政的大环境中，将“德”放在首要位置；同时在利益层面，出台一些课程思政环境下的评价系统和鼓励保障机制，对一些具有高尚道德优秀学生给予表彰和正向宣传，以此来持续增长学生核心素养存量的动态发展。

（三）课程思政活动提升学生核心素养内生力

通过一系列的课程思政的教育教改活动，以课程为载体，在专业知识、专业文化中学习工匠精神、和爱国情怀；在实际日常教学活动中感受集体的团结的力量，感悟命运共同体的哲学原理和胸襟；通过一些榜样实际案例的学习和熏陶，提升自我的党性觉悟，净化心灵，激发求知欲，从而让学生从思想上认识“德”的重要性，爱国的重要性，并通过学习教育内化于内心的品质和行为习惯，通过内生动力的加强，主动提升学生核心素养的存量。

五 结语

我们从系统动力学角度，定性与定量相结合，静态与动态相结合，分析课程思政教育教改的时代大浪潮中，学生核心素养的内在和外在的影响因素及相互作用，设定参数和系统流图，构建学生核心素养体系的SD 模型，并借助系统动力学分析软件Vensim.PLE 实现计算机模拟仿真，利用SD 模型的参数变化来了解、分析和研究现实问题的本质和规律,并进一步基于模型的仿真结果提出模型优化方案及学生核心素养系统更好发展的调控对策，

其对完善学校的教育治理和提升学校的人才培养质量有积极的理论借鉴意义。本文仅做一个抛转引玉，构建的SD 模型还不够全面和深入，但相信若细化学生核心素养影响元素，考虑多种优化因素，多阶的反馈流程图，设定更贴合实际的参数，建立较完善的系统动力学模型，必然会为如何持续提升学生整体的核心素养带来科学的理论依据和诊断预测的方法。