培植思維：STEM教育的應有價值和品質(zhì)訴求

【摘 要】STEM是一種項目式學習，但卻不是簡單的做項目或完成一項工程任務。STEM教育指向思維訓練和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，對于STEM而言，項目只是培植和發(fā)展創(chuàng)新思維的載體與平臺，學生所要學習的知識和能力都在STEM項目的實施和操作中完成。

【關鍵詞】STEM教育;項目學習;創(chuàng)新能力

【中圖分類號】G521? 【文獻標志碼】B? 【文章編號】1005-6009（2018）90-0070-03

【作者簡介】陸啟威，江蘇省無錫市教育科學研究院（江蘇無錫，214001）教研員，高級教師。

STEM是科學（Science），技術（Technology），工程（Engineering），數(shù)學（Mathematics）四門學科英文首字母的縮寫，它注重對學生科學素養(yǎng)、技術素養(yǎng)、工程素養(yǎng)和數(shù)學素養(yǎng)四個方面的教育。STEM項目學習在基礎教育界廣受推崇，并形成了如火如荼的理論研究和改革熱潮。但從STEM的具體實施和操作上看還很不成熟，甚至在理解和認知上還存在很多偏差和錯誤。有的將STEM等同于以往的勞技課，著眼點僅聚焦在“做”上，有的將STEM看成是科學、技術、工程和數(shù)學的簡單拼盤，只注重項目的制作和完成，還有的直接移植國外的STEM項目和內(nèi)容，不能夠很好地照顧國內(nèi)本土學生的生活資源和發(fā)展需求。這些認識和實踐上的偏差與錯誤，致使STEM教育背離了原有的初衷和要求，不能很好地發(fā)揮STEM的創(chuàng)新價值和功效。其實，STEM的核心理念是培養(yǎng)創(chuàng)新人才，STEM教育就是一種創(chuàng)新學習和實踐活動，這種創(chuàng)新學習不是簡單地將科學、技術、工程和數(shù)學等學科進行雜糅和疊加，而是盡可能地從不同學科的視角，去發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。要培養(yǎng)這種不同的創(chuàng)新視角和思考能力，就必須首先立足于學生的認知結構和思維發(fā)展，并從學生的潛能開發(fā)和思維培植入手來進行STEM教育的整體設計。從這個意義上講，STEM教育就是聚焦學生的“思維發(fā)展”，并通過綜合性項目的學習和研究，較好地培養(yǎng)學生的思維品質(zhì)，使學生具有思維的創(chuàng)新性和實踐的創(chuàng)造性。本文試以“水果電池”這一STEM項目的教學為例，從小學階段亟須培養(yǎng)和訓練的五大思維體系入手，談談STEM項目在培植和發(fā)展學生思維能力方面的創(chuàng)新實踐和應用。

一、復制——創(chuàng)新思維

復制和創(chuàng)新是學生學習的必經(jīng)路徑，也是STEM教育在思維訓練上的基本要素和構成。學生的學習總是從復制和仿效開始的，然后才有可能慢慢過渡到創(chuàng)新和應用。在進行“水果電池”項目研究時教師可以完全放手讓學生自己來組裝一個“水果電路”（啟發(fā)學生回想已學過對干電池電路的組裝），這樣一來，學生對“水果電路”的組裝就是對原來所學組裝干電池電路的模仿，即將銅片和鋅片插進水果兩端當作電池的正負兩極，并用導線將這正負兩極連接到用電器上（小燈泡）。在學生反復實驗并能夠熟練操作和組裝水果電路時，教師可以通過“你能增大小燈泡的亮度嗎？”這一問題，引發(fā)學生創(chuàng)新實驗和研究。比如可以將兩個或兩個以上的水果電池串聯(lián)起來，可以換水分更多的水果，可以嘗試不同品種的水果等等。這些都是培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和實踐能力的有利時機，需要教師精心設計這樣的學習情境和問題來激發(fā)學生的創(chuàng)新意識和潛能。

二、形象——抽象思維

STEM項目學習都是以形象可感的實物為操作和體驗對象，形象性是STEM教育的第一屬性，也是引發(fā)學生認知興趣的動力所在。但STEM的思維內(nèi)涵和價值追求是物質(zhì)的抽象性，形象是認知的載體，抽象則是學習的本質(zhì)。比如“水果電池”項目研究中，學生能夠組裝一個“水果電路”點亮小燈泡，這是很形象的感知和學習，這種形象思維的形成能夠讓學生很容易理解“水果電路”的結構和組成，也能夠很容易設計出一個簡單的“水果電路”。這時，如果教師提問學生：“讓電路中小燈泡的亮度增大一倍，你該怎么辦呢？”或者問：“將這個電路再聯(lián)結一只小燈泡，亮度會有變化嗎？有什么樣變化？”這樣一來，學生就會順著教師的問題進行思考，這種思考不一定用實驗和操作來驗證，完全可以進行邏輯推理和思維演繹，通過這種邏輯推理和思維演繹，學生就會很容易推導出“若讓小燈泡亮度增大一倍，就要串聯(lián)兩個這樣的水果電池”，理由是“使小燈泡亮度增大一倍，就要增大一倍電壓”“若要再連接一只小燈泡，小燈泡的亮度就會減小一半”，理由是“多聯(lián)結一只小燈泡，電流強度就減小一半”。這些邏輯推理和數(shù)字演算就是一種抽象思維，需要在STEM項目中進行有效滲透和培植。

三、線性——立體思維

線性思維也叫孤立思維或單線思維，其主要特點就是以事論事，依因推果，由果歸因。線性思維是一種有深度的推理和探究，它能夠使認知變得深刻。但其缺點就是缺乏事物認知的整體性和全局觀，常使學習與認知走向狹隘。相反，立體思維就能夠很好地克服這個缺點，使認知具有普遍聯(lián)系性和全局性，能夠全面衡量和判斷事物，并做出正確的處理意見。在具體的學習和生活中，學生既需要有深度的線性思維，也需要有掌控全局的立體思維。比如在“水果電池”項目學習中，當學生能夠熟練組裝水果電路，并能夠連亮小燈泡時，可以試著讓學生做這樣幾個探索性實驗：“怎樣讓兩只小燈泡同時發(fā)光？怎樣讓兩只小燈泡同時不發(fā)光？”“怎樣讓一只小燈泡發(fā)光，另一只小燈泡不發(fā)光？”“怎樣增強兩只小燈亮亮度？”“怎樣減小兩只小燈泡亮度？”等，這樣一來，學生就要將水果電池變化、燈泡變化、開關控制、線路連接等諸多方面一并進行考慮，這種對事物變化進行關聯(lián)性的操作和把控就是立體思維，它也是發(fā)現(xiàn)和解決問題的系統(tǒng)性思維，這種思維在STEM項目學習上顯得尤為重要。

四、逆向——定向思維

定向思維就是指向同一個標準和要求的思維，也就是將思維和認知鎖定在事物的同一特點和表現(xiàn)形態(tài)上，此外，沒有其他的關注視角和認知路徑。逆向思維，則是指思維的逆向性，也就是將事物的認知從原來的方向中折轉過來，反向思考問題的癥結和因果關系。在具體的學習上，學生需要定向思維，這能夠訓練學生思維的專注力和縝密性，保證思維的針對性和準確性。但同時，也需要逆向思維，通過反向思維和逆向追蹤，尋求事物認知的新突破和新發(fā)展。比如“水果電池”項目研究，學生在串聯(lián)電池的組裝上，就是一個定向思維在指導操作，也就是銅片和鋅片作為電池兩端的正負兩極，要將電池串聯(lián)起來就要將電池正負兩極順次連接，不得有相同兩極相連或出現(xiàn)混亂現(xiàn)象。但這個規(guī)定對于學生來說是很難理解的，教學時不妨讓學生在逆向思維下，即銅片和銅片連接，鋅片和鋅片連接。這樣一來，教師不需講解，學生便會在連接失敗中（沒有電流）琢磨其中的原因，并自我修正。另外，在組裝“水果電池”時，學生有定向思維，即都是用蘋果、橘子、檸檬等水果來做原料。如果教師提出“為什么這些水果都能做成電池呢？”這樣一個問題，學生就會反思（逆向思維）：水果一定是通過水果里面的汁水導電的。于是，就會很自然地想到用水果汁也可以做成電池。STEM項目學習中，若在定向思維的同時多一些逆向的反思和推斷，必然能夠追根溯源多一些本質(zhì)的探討和發(fā)現(xiàn)。

五、發(fā)散——聚合思維

發(fā)散思維是一種多元和多角度透視問題的表現(xiàn)，也是創(chuàng)新思維的核心品質(zhì)。聚合思維則是將發(fā)散思維過程中形成的理解和認識進行有機統(tǒng)整，以形成解決和處理問題的有效辦法和力量。也就是說，發(fā)散思維是聚合思維的基礎，沒有發(fā)散就沒有聚合。同時，聚合思維又是發(fā)散思維的目的和根本，發(fā)散思維的主要作用和價值就在于能夠形成具有一定能量的聚合思維。比如“水果電池”項目研究中，首先需要鼓勵學生發(fā)散可做原料的各種水果：蘋果、橘子、檸檬、香蕉、西紅柿……進而讓學生想到“果汁”。接下來，在學生能夠理解和應用水果電池后，可以訓練和發(fā)展學生的聚合思維：你能想辦法制作一個2.5V電壓的水果電池嗎？（電壓相對較高）很明顯，“2.5V電壓水果電池”就是一個聚合性問題，也就是說，不管學生想什么樣的辦法，只要能夠達成這個水果電壓的目標就行。這里，只要教師啟發(fā)，學生就很容易想到并嘗試“榨出水果汁做研究”“串聯(lián)水果電池做研究”“增大插入水果里的銅片和鋅片面積做研究”“換用水分多的水果做研究”等，但不論是哪一種實驗和研究，都是指向能夠“做出2.5V電壓”目標，這種實驗和研究的過程就是一種聚合思維，也是一種基于發(fā)散思維基礎上的創(chuàng)新實踐和探索。

總之，STEM教育的根本在于培養(yǎng)創(chuàng)新能力，而創(chuàng)新的基礎必然是思維。培植和發(fā)展思維理應成為STEM教育的品質(zhì)訴求和關鍵所在，亟須在思想和觀念上深化對STEM教育的理解和應用。