STEM非良構(gòu)課程助力學(xué)生高階思維培養(yǎng)*

周迎春

STEM 非良構(gòu)課程是學(xué)生通過團(tuán)隊協(xié)作、分解任務(wù)、自主探究來解決問題的思維體操。這種游戲式的學(xué)習(xí)方式要求學(xué)生善用批判性思維，善于分析判斷問題解決過程中出現(xiàn)的各種問題，在目標(biāo)任務(wù)達(dá)成的過程中提升其STEM 核心能力?！盎鹦腔⌒芜\(yùn)動小車”是由江蘇省中小學(xué)教學(xué)研究室主辦的江蘇省STEM 教育大會展示課例。筆者以為，該展示案例具有非良構(gòu)課程的代表性，指向了對學(xué)生高階思維的培養(yǎng)。

一、喚醒好奇心，培育探索精神

“火星弧形運(yùn)動小車”項目中，學(xué)生作為問題解決者，在從地球人到火星人的角色轉(zhuǎn)換中，面臨火星大氣環(huán)境、重力變化、資源匱乏等諸多變量因素，需要轉(zhuǎn)換思維方式，在新的維度空間解決問題。當(dāng)學(xué)生戴上VR 眼鏡，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)登陸火星后，他們的好奇心引發(fā)的探索精神及認(rèn)知需求會被瞬間激活。

比如在關(guān)于火星基地如何建設(shè)的課前討論交流中，有學(xué)生認(rèn)為要保證氧氣與水的供應(yīng)，并查閱到可以用薩巴捷反應(yīng)制取甲烷與氧氣。有學(xué)生關(guān)心火星能源供應(yīng)的來源，在太陽能、風(fēng)能與核能的選擇里，率先排除核能的可能性，其比較一致的理由是火星人類可能就是由于遭受過核戰(zhàn)爭毀滅性的打擊。至于新火星人是否應(yīng)該接受素食的問題，大部分學(xué)生認(rèn)為應(yīng)堅持素食，其理由是，作為人類肉食來源的動物消耗太多糧食，因此有學(xué)生認(rèn)為可以通過基因工程提高可食性動物的生長效率或者制作仿真肉……

二、打破學(xué)科壁壘，培育工程思維

工程思維是人們在進(jìn)行工程活動和工程研究過程中所形成的獨(dú)特的思維方式，是一種籌劃型的實(shí)體思維。工程思維是運(yùn)用各種知識解決工程技術(shù)問題的核心，是人們物化創(chuàng)意改造世界的一種重要素養(yǎng)，而這種素養(yǎng)的提升是需要在實(shí)踐中通過個體的親身體驗來完成的。工程是目前STEM 教育的大整合模塊中的重要組成部分。然而，工程思維能力卻是我國學(xué)生的一個短板，亟須引起重視。STEM 項目的問題域、問題解決路徑等恰好為學(xué)生工程思維培養(yǎng)提供了新思路。

“火星弧形運(yùn)動小車”是一個非常好的思維訓(xùn)練項目?；⌒伍L度的計算、對應(yīng)輪子圈數(shù)的計算所涉及的數(shù)學(xué)邏輯思維，以及輪子的安裝及調(diào)試中的諸多問題情境，為學(xué)生工程思維、實(shí)驗思維等高階思維的培養(yǎng)提供了良好的載體。完成一項工程的過程漫長而復(fù)雜，在工程設(shè)計實(shí)施的過程中，不可避免會跨越多個學(xué)科。比如，當(dāng)個體數(shù)學(xué)知識儲備不夠用時，需要有針對性地補(bǔ)充數(shù)學(xué)知識；當(dāng)數(shù)學(xué)知識與實(shí)際問題的解決存在知識技能短板時，需要更多學(xué)科知識的介入。學(xué)生通過跨學(xué)科學(xué)習(xí)，創(chuàng)建更多的鏈接，規(guī)劃擬定實(shí)驗方案，最后通過反復(fù)實(shí)驗驗證方案的可行性并進(jìn)行必要的修正完善。

三、多元滲透，培養(yǎng)發(fā)散思維

“火星弧形運(yùn)動小車”項目的非良構(gòu)性會導(dǎo)致問題解決路徑的去標(biāo)準(zhǔn)化。問題本身需要條件限定，比如啟動電源僅能推動弧形小車進(jìn)入斜坡及進(jìn)行輪子更換，但是否可以讓火星基地派出救援車載回？火星車的設(shè)計是否應(yīng)該準(zhǔn)備備用電源？如果太陽能電池由于沙塵暴的影響減少輻射能的吸收，是否應(yīng)該增加除沙裝置？如果同位素電池足夠穩(wěn)定，火星車是否應(yīng)該迭代升級以增加載重、穩(wěn)定性及其他功能？“火星弧形運(yùn)動小車”讓學(xué)生沉浸于有價值的諸多困境，鏈接多學(xué)科知識技能擬定并實(shí)施創(chuàng)新性解決方案，自然也滲透了創(chuàng)新思維的養(yǎng)成。

四、鼓勵質(zhì)疑，培養(yǎng)批判性思維

在方案的制訂過程中，學(xué)生對弧形方案本身提出疑問：難道火星車預(yù)感到自己會有此一難，而特意準(zhǔn)備好了如此準(zhǔn)確的小輪？火星上的斜坡即使也存在非平滑規(guī)則，那么小車在下滑過程中是否會導(dǎo)致路線偏離？弧形小車到達(dá)斜坡及更換一側(cè)輪子是需要能源供給，還是可以計算一下讓其走兩段直線，最后折返火星基地？由于可以提前植入程序或者進(jìn)行地面實(shí)時控制，是否可以提高任務(wù)完成的可能性？面對上述問題，以及對于教師預(yù)定方案都持否定態(tài)度的學(xué)生，都需要教師組織引領(lǐng)一場課堂答辯來打消疑慮，大家可以各抒己見。當(dāng)質(zhì)疑發(fā)生時，意味著學(xué)生開始獨(dú)立思考；當(dāng)爭論到面紅耳赤時，則意味著正反雙方批判性思維培養(yǎng)的絕佳窗口的到來。

學(xué)習(xí)是培養(yǎng)自我能力的有意義的經(jīng)歷，而智慧是穿過事物之表象獲取內(nèi)在本質(zhì)的能力。智慧無法傳授，須在個體解決問題的過程中體驗，感悟生成進(jìn)一步的思考?；凇盎鹦腔⌒芜\(yùn)動小車”項目可進(jìn)一步做出項目化、單元化的設(shè)計，比如可以衍生“火星能源基地建設(shè)”“火星蔬菜培育”“火星交通樞紐”“火星地球航站建設(shè)”“火星沙塵暴防治”“火星新移民進(jìn)化研究”“火星飛船發(fā)射時機(jī)探究”等。讓學(xué)生置身于一個跨越學(xué)科和時空界限的虛擬現(xiàn)實(shí)情境中進(jìn)行實(shí)踐研究，不僅能激發(fā)其探索宇宙奧秘的好奇心，還能使他們觸發(fā)更多的奇思妙想。