培植思維：STEM教育的應(yīng)有價(jià)值和品質(zhì)訴求

STEM 是科學(xué)（Science），技術(shù)（Technology），工程（Engineering），數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科英文首字母的縮寫，它注重對(duì)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)和數(shù)學(xué)素養(yǎng)四個(gè)方面的教育。STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)在基礎(chǔ)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(shí)施和操作上看還很不成熟，甚至在理解和認(rèn)知上還存在很多偏差和錯(cuò)誤。有的將STEM等同于以往的勞技課，著眼點(diǎn)僅聚焦在“做”上，有的將STEM看成是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的簡(jiǎn)單拼盤，只注重項(xiàng)目的制作和完成，還有的直接移植國(guó)外的STEM項(xiàng)目和內(nèi)容，不能夠很好地照顧國(guó)內(nèi)本土學(xué)生的生活資源和發(fā)展需求。這些認(rèn)識(shí)和實(shí)踐上的偏差與錯(cuò)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(jià)值和功效。其實(shí)，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(xué)習(xí)和實(shí)踐活動(dòng)，這種創(chuàng)新學(xué)習(xí)不是簡(jiǎn)單地將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等學(xué)科進(jìn)行雜糅和疊加，而是盡可能地從不同學(xué)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(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)和思維發(fā)展，并從學(xué)生的潛能開發(fā)和思維培植入手來(lái)進(jìn)行STEM教育的整體設(shè)計(jì)。從這個(gè)意義上講，STEM教育就是聚焦學(xué)生的“思維發(fā)展”，并通過(guò)綜合性項(xiàng)目的學(xué)習(xí)和研究，較好地培養(yǎng)學(xué)生的思維品質(zhì)，使學(xué)生具有思維的創(chuàng)新性和實(shí)踐的創(chuàng)造性。本文試以“水果電池”這一STEM項(xiàng)目的教學(xué)為例，從小學(xué)階段亟須培養(yǎng)和訓(xùn)練的五大思維體系入手，談?wù)凷TEM項(xiàng)目在培植和發(fā)展學(xué)生思維能力方面的創(chuàng)新實(shí)踐和應(yīng)用。

一、復(fù)制——?jiǎng)?chuàng)新思維

復(fù)制和創(chuàng)新是學(xué)生學(xué)習(xí)的必經(jīng)路徑，也是STEM教育在思維訓(xùn)練上的基本要素和構(gòu)成。學(xué)生的學(xué)習(xí)總是從復(fù)制和仿效開始的，然后才有可能慢慢過(guò)渡到創(chuàng)新和應(yīng)用。在進(jìn)行“水果電池”項(xiàng)目研究時(shí)教師可以完全放手讓學(xué)生自己來(lái)組裝一個(gè)“水果電路”（啟發(fā)學(xué)生回想已學(xué)過(guò)對(duì)干電池電路的組裝），這樣一來(lái)，學(xué)生對(duì)“水果電路”的組裝就是對(duì)原來(lái)所學(xué)組裝干電池電路的模仿，即將銅片和鋅片插進(jìn)水果兩端當(dāng)作電池的正負(fù)兩極，并用導(dǎo)線將這正負(fù)兩極連接到用電器上（小燈泡）。在學(xué)生反復(fù)實(shí)驗(yàn)并能夠熟練操作和組裝水果電路時(shí)，教師可以通過(guò)“你能增大小燈泡的亮度嗎？”這一問題，引發(fā)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和研究。比如可以將兩個(gè)或兩個(gè)以上的水果電池串聯(lián)起來(lái)，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(xué)生創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力的有利時(shí)機(jī)，需要教師精心設(shè)計(jì)這樣的學(xué)習(xí)情境和問題來(lái)激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和潛能。

二、形象——抽象思維

STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)都是以形象可感的實(shí)物為操作和體驗(yàn)對(duì)象，形象性是STEM教育的第一屬性，也是引發(fā)學(xué)生認(rèn)知興趣的動(dòng)力所在。但STEM的思維內(nèi)涵和價(jià)值追求是物質(zhì)的抽象性，形象是認(rèn)知的載體，抽象則是學(xué)習(xí)的本質(zhì)。比如“水果電池”項(xiàng)目研究中，學(xué)生能夠組裝一個(gè)“水果電路”點(diǎn)亮小燈泡，這是很形象的感知和學(xué)習(xí)，這種形象思維的形成能夠讓學(xué)生很容易理解“水果電路”的結(jié)構(gòu)和組成，也能夠很容易設(shè)計(jì)出一個(gè)簡(jiǎn)單的“水果電路”。這時(shí)，如果教師提問學(xué)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(gè)電路再聯(lián)結(jié)一只小燈泡，亮度會(huì)有變化嗎？有什么樣變化？”這樣一來(lái)，學(xué)生就會(huì)順著教師的問題進(jìn)行思考，這種思考不一定用實(shí)驗(yàn)和操作來(lái)驗(yàn)證，完全可以進(jìn)行邏輯推理和思維演繹，通過(guò)這種邏輯推理和思維演繹，學(xué)生就會(huì)很容易推導(dǎo)出“若讓小燈泡亮度增大一倍，就要串聯(lián)兩個(gè)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(huì)減小一半”，理由是“多聯(lián)結(jié)一只小燈泡，電流強(qiáng)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(xiàng)目中進(jìn)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(diǎn)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(rèn)知變得深刻。但其缺點(diǎn)就是缺乏事物認(rèn)知的整體性和全局觀，常使學(xué)習(xí)與認(rèn)知走向狹隘。相反，立體思維就能夠很好地克服這個(gè)缺點(diǎn)，使認(rèn)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(xué)習(xí)和生活中，學(xué)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(xiàng)目學(xué)習(xí)中，當(dāng)學(xué)生能夠熟練組裝水果電路，并能夠連亮小燈泡時(shí)，可以試著讓學(xué)生做這樣幾個(gè)探索性實(shí)驗(yàn)：“怎樣讓兩只小燈泡同時(shí)發(fā)光？怎樣讓兩只小燈泡同時(shí)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(qiáng)兩只小燈亮亮度？”“怎樣減小兩只小燈泡亮度？”等，這樣一來(lái)，學(xué)生就要將水果電池變化、燈泡變化、開關(guān)控制、線路連接等諸多方面一并進(jìn)行考慮，這種對(duì)事物變化進(jìn)行關(guān)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(xiàng)目學(xué)習(xí)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)和要求的思維，也就是將思維和認(rèn)知鎖定在事物的同一特點(diǎn)和表現(xiàn)形態(tài)上，此外，沒有其他的關(guān)注視角和認(rèn)知路徑。逆向思維，則是指思維的逆向性，也就是將事物的認(rèn)知從原來(lái)的方向中折轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，反向思考問題的癥結(jié)和因果關(guān)系。在具體的學(xué)習(xí)上，學(xué)生需要定向思維，這能夠訓(xùn)練學(xué)生思維的專注力和縝密性，保證思維的針對(duì)性和準(zhǔn)確性。但同時(shí)，也需要逆向思維，通過(guò)反向思維和逆向追蹤，尋求事物認(rèn)知的新突破和新發(fā)展。比如“水果電池”項(xiàng)目研究，學(xué)生在串聯(lián)電池的組裝上，就是一個(gè)定向思維在指導(dǎo)操作，也就是銅片和鋅片作為電池兩端的正負(fù)兩極，要將電池串聯(lián)起來(lái)就要將電池正負(fù)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(gè)規(guī)定對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)是很難理解的，教學(xué)時(shí)不妨讓學(xué)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(lái)，教師不需講解，學(xué)生便會(huì)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(shí)，學(xué)生有定向思維，即都是用蘋果、橘子、檸檬等水果來(lái)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(gè)問題，學(xué)生就會(huì)反思（逆向思維）：水果一定是通過(guò)水果里面的汁水導(dǎo)電的。于是，就會(huì)很自然地想到用水果汁也可以做成電池。STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)中，若在定向思維的同時(shí)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(guò)程中形成的理解和認(rèn)識(shí)進(jìn)行有機(jī)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(shuō)，發(fā)散思維是聚合思維的基礎(chǔ)，沒有發(fā)散就沒有聚合。同時(shí)，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(jià)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(xiàng)目研究中，首先需要鼓勵(lì)學(xué)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(jìn)而讓學(xué)生想到“果汁”。接下來(lái)，在學(xué)生能夠理解和應(yīng)用水果電池后，可以訓(xùn)練和發(fā)展學(xué)生的聚合思維：你能想辦法制作一個(gè)2.5V電壓的水果電池嗎？（電壓相對(duì)較高）很明顯，“2.5V電壓水果電池”就是一個(gè)聚合性問題，也就是說(shuō)，不管學(xué)生想什么樣的辦法，只要能夠達(dá)成這個(gè)水果電壓的目標(biāo)就行。這里，只要教師啟發(fā)，學(xué)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(shí)驗(yàn)和研究，都是指向能夠“做出2.5V電壓”目標(biāo)，這種實(shí)驗(yàn)和研究的過(guò)程就是一種聚合思維，也是一種基于發(fā)散思維基礎(chǔ)上的創(chuàng)新實(shí)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(chǔ)必然是思維。培植和發(fā)展思維理應(yīng)成為STEM教育的品質(zhì)訴求和關(guān)鍵所在，亟須在思想和觀念上深化對(duì)STEM教育的理解和應(yīng)用。