基于思維導(dǎo)圖的STEM項目式教學(xué)模式探究

周迎春

[摘? ?要]思維導(dǎo)圖可以將較為復(fù)雜的主題或項目進行放射狀的發(fā)散分解，從而形成基于主題項目的全景思維圖譜。基于項目的STEM教學(xué)則具有路徑復(fù)雜多變、子任務(wù)需要繼續(xù)分解等特點，將思維導(dǎo)圖應(yīng)用于STEM項目，可增強教學(xué)效果，促進學(xué)生創(chuàng)新思維能力的發(fā)展。

[關(guān)鍵詞]思維導(dǎo)圖;STEM;項目式教學(xué)

在認知加工過程中，大量信息的涌入往往會“溢出”學(xué)習(xí)者的處理能力。使用思維導(dǎo)圖，可以有效地將基于某個主題的紛繁雜亂的知識，科學(xué)地歸類整理為更有利于大腦記憶的圖譜形式。這種形式也使人更容易在解決相似問題時迅速提取信息乃至快速遷移?；谒季S導(dǎo)圖的教學(xué)過程將促進學(xué)生理解其他人的思維方式，從其他人的思考線路圖中找到觸發(fā)迭代演進的靈感，通過相互借鑒或模仿，在學(xué)習(xí)中學(xué)會學(xué)習(xí)。但從CNKI檢索的情況看，思維導(dǎo)圖更多地應(yīng)用于人文學(xué)科，在STEM教育中較為少見。近年來，筆者在校本化STEM課程群的建構(gòu)及實施中，特別關(guān)注了基于思維導(dǎo)圖的STEM項目式教學(xué)模式的建構(gòu)，并取得了一些經(jīng)驗。

一、思維導(dǎo)圖的由來

世界記憶大師托尼·巴贊在研究大腦潛能的過程中，發(fā)現(xiàn)偉大的藝術(shù)家達·芬奇在筆記中使用了許多圖畫、代號和連線，并認為這是其擁有超級頭腦的秘密。受此啟發(fā)，托尼·巴贊發(fā)明了思維導(dǎo)圖。思維導(dǎo)圖起初只是為了改進筆記方法，后來逐漸成為發(fā)散性思維表達的工具，并在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用。在一個經(jīng)典案例中，一份波音飛機設(shè)計手冊被壓縮成了一幅25英尺長的思維導(dǎo)圖，使得100多名高級航空工程師在幾個星期內(nèi)學(xué)會了以往需要幾年才能學(xué)會的東西，節(jié)約了一千多萬美元。作為一種思維工具，思維導(dǎo)圖真正的價值在于提升個體的學(xué)習(xí)力與創(chuàng)造力，它在不同領(lǐng)域的普遍應(yīng)用所產(chǎn)生的價值是難以用金錢衡量的。

二、基于思維導(dǎo)圖的

STEM 項目式教學(xué)模式構(gòu)建解析

思維導(dǎo)圖是基于聯(lián)想的邏輯發(fā)散，是非線性的跳躍性思維的再現(xiàn)。它能使個體從以時間為坐標(biāo)軸的線性思維中跳出，轉(zhuǎn)向基于中心圖像（問題）的思考，并以放射狀的形式鏈接各種相關(guān)的知識技能點，最終形成有關(guān)問題解決策略的圖形化方案。這既有利于知識技能的有效內(nèi)化，也有利于提升個體對于開放性問題的解決能力。下面將結(jié)合筆者的STEM及人工智能課程相關(guān)專著中的部分案例對此進行深度解析。

1.基于思維導(dǎo)圖的組間互動交流，觸發(fā)迭代演進程序的運行

“智能花房管家”項目要解決的實際問題是花房的無人化自動管理。教學(xué)互動的目標(biāo)問題首先指向了及時澆灌，教師引導(dǎo)學(xué)生通過分組對任務(wù)初始分解、組內(nèi)交流協(xié)作完成初圖、組間交流完善形成了思維導(dǎo)圖1.0版。各組方案中的共性是：將主要問題分解成土壤濕度傳感器安裝、繼電器連接、電磁閥與供水管安裝及S4A程序編制調(diào)試等。

在項目實施過程中，學(xué)生們發(fā)現(xiàn)植物的喜水程度不同，如果不能進行個性化的配置，可能導(dǎo)致一些植物爛根（如仙人掌）。因此，需要根據(jù)實踐中出現(xiàn)的問題不斷添加或修剪各分支，完善思維導(dǎo)圖，使其升級到2.0版。于是有的學(xué)生添加了給不同植物設(shè)置不同口徑出水口的分支（見圖1）。

在各組完成項目后，就進入集體評價、互動修補的環(huán)節(jié)。各組在大屏幕上交流評價新版思維導(dǎo)圖，介紹演示模擬裝置及實驗小結(jié)，接受其他組成員的詢問質(zhì)疑，由此產(chǎn)生將思維導(dǎo)圖升級的動力。如果學(xué)生的批判性思維不夠活躍，教師還可以給每組分派質(zhì)疑指標(biāo)，并對有效的質(zhì)疑加分。在這個課例中，有質(zhì)疑安全防控的（防止因失控連續(xù)供水），也有提出加入濕度、溫度控制，并用二氧化碳傳感器控制花房溫濕度、二氧化碳含量的。于是各組根據(jù)質(zhì)疑和建議，在基于主題項目的分支中又增加了新的內(nèi)容，使思維導(dǎo)圖進階到3.0版。這樣，隨著思維導(dǎo)圖的不斷升級，解決問題的方案亦在同步演進完善。思維導(dǎo)圖的逐漸演進，事實上就成為了最優(yōu)化策略的求解過程。期間學(xué)生經(jīng)歷的迭代體驗，將有利于促進他們在未來解決學(xué)習(xí)乃至工作中遇到的實際問題。

2.搭建項目主題為內(nèi)核的知識技能架構(gòu)，促使跨域能力自主內(nèi)化

“貓尾機器人”項目的創(chuàng)意來自日本的貓尾機器人，目標(biāo)任務(wù)是制作一個能夠語音識別主人“暗號”，并能自動擺尾、搖耳、發(fā)聲的智能機器人。這一項目疊加了自動化控制、人工智能等諸多元素，從項目主題發(fā)射的分支概覽來看，需要學(xué)生掌握3D建模打印、激光雕刻等快速制作原型的技能，也需要學(xué)生整合語音識別、自動化工程設(shè)計、程序編制調(diào)試等相關(guān)思維，還要對市面上能買到的貓叫裝置進行相應(yīng)的改裝，甚至還滲透了電路的一般原理等，需要諸多領(lǐng)域的技術(shù)整合，才能造就這樣一個貓尾機器人。在造物過程中，學(xué)生的思維導(dǎo)圖也從不確定發(fā)展到確定，并越來越清晰。特別是一些分支之間的關(guān)系，因思維導(dǎo)圖的使用而一目了然，比如貓叫裝置的觸發(fā)與離貓身最近的一號舵機轉(zhuǎn)向的協(xié)同等（見圖2）。

3.起自目標(biāo)任務(wù)的發(fā)散分解，促進創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)

美國心理學(xué)家吉爾福特認為，創(chuàng)造性思維即發(fā)散思維。也有學(xué)者認為，創(chuàng)造性思維可以分解為發(fā)散思維和收斂思維。思維導(dǎo)圖有利于思維的發(fā)散和收斂。如在“智能分揀裝置”的課例中，要求學(xué)生模擬物流公司的包裹分揀智能裝置，運用學(xué)過的機器人知識與技能制作一個能辨別“貨物”種類的自動實現(xiàn)分揀的裝置。任務(wù)發(fā)布后，由于其中尚有許多細節(jié)沒有明確，或者說目標(biāo)域的自主拓展空間較大，每個學(xué)生會有不同的解讀，因此提出的方案五花八門。比如，有科學(xué)幻想型的，有自主創(chuàng)意型的，也有網(wǎng)絡(luò)搜索復(fù)制模型的，甚至有的學(xué)生提出了多個不同的方案。教師不應(yīng)制止或批評學(xué)生產(chǎn)生這些天馬行空甚至愚蠢荒謬的想法，因為它們可以幫助學(xué)生跳出自我中心的思維模式，從中獲得改進思維導(dǎo)圖的靈感，進而體驗到思維的靈活性和原創(chuàng)性。

由于思維導(dǎo)圖有效壓縮了解決方案中的主要信息，因此能更有效地在短時間內(nèi)傳遞給他人，從而引發(fā)更多的發(fā)散?！爸悄芊謷b置”思維導(dǎo)圖的最終版本如圖3所示，分為3D建模打印、激光雕刻、硬件安裝及程序編制調(diào)試等子項目，每個子項目又有若干分叉。個體在制作中還須對各分支之間的關(guān)系進行協(xié)調(diào)適配，以最優(yōu)化地完成目標(biāo)任務(wù)，因此思維的發(fā)散和集聚交替發(fā)生。類似這樣能給學(xué)生帶來發(fā)現(xiàn)喜悅的項目化制作，每一次物化的實現(xiàn)過程，都是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維的良好契機。

4.源于真實情境的問題解決路徑繪制，促進認知策略順應(yīng)遷移

“智能識別序號機器人”項目要求機器人能識別集裝箱序號，并且搬運到相應(yīng)的倉庫位置。在觀看了某大型超市的機器人搬運視頻后，學(xué)生們都躍躍欲試。學(xué)生基于已學(xué)過的mBlcok機器人編程經(jīng)驗，先討論并羅列了器材準備清單，包括集裝箱建模打印、鏟車建模打印、場地設(shè)計打印等;此后，教師引導(dǎo)學(xué)生進行路口識別及集裝箱識別的子程序調(diào)試;在完成最后主程序的編制調(diào)試后，要求學(xué)生回顧研究經(jīng)歷，用MindMaster軟件創(chuàng)建思維導(dǎo)圖，把項目中的各項分支展示在“思維樹”上，此時的回顧和反思將使研究的曲折經(jīng)歷重新在學(xué)生頭腦中演繹（見圖4）。學(xué)生將基于目標(biāo)任務(wù)，找尋關(guān)鍵節(jié)點，繪制節(jié)點間的相互聯(lián)系;將置身于相對宏觀的角度，即基于中心任務(wù)本身的發(fā)散，圍繞各子任務(wù)進行分解。期間，困頓不解、重新定向、策略改進的過程將多次演繹，初始版本的思維導(dǎo)圖將不斷升級。學(xué)生可能經(jīng)歷反復(fù)失敗但最終走向成功，這段經(jīng)歷將培養(yǎng)他們的堅韌品格。那些以壓縮形式擺放在“認知貨架”上的圖形化解決方案，將在學(xué)生遇到類似問題時被再次提取。

三、結(jié)語

“想象”在拉丁語中的含義是“大腦在畫圖”，思維導(dǎo)圖就是對這種腦中圖畫的真實再現(xiàn)。它能更好地展現(xiàn)思維的全景，表現(xiàn)個體深思熟慮的結(jié)果，集成個體不同時間對問題的思考。實踐證明，將思維導(dǎo)圖應(yīng)用于STEM項目，不僅可以讓復(fù)雜的問題變得清晰，還可以根據(jù)問題的發(fā)展而不斷延伸，有效引領(lǐng)學(xué)生提升創(chuàng)新思維能力。

（責(zé)任編輯? ?郭向和）