基于高階思維培養(yǎng)的科技館科學(xué)探究活動設(shè)計與實踐

李云海

(江蘇省科學(xué)技術(shù)館，江蘇 南京 210013)

一、初解高階思維概念

雖然高階思維沒有公認一致的定義，但學(xué)界普遍認為，人們的思維過程分為記憶、理解、應(yīng)用、分析、綜合、評價與創(chuàng)造。其中記憶、理解、應(yīng)用可劃分為低階思維，而高階思維則是在低階思維基礎(chǔ)上的分析、綜合、評價與創(chuàng)造。分析是把復(fù)雜的知識整體材料分解成各部分并且理解各部分間聯(lián)系的能力，包括對部分的鑒別，以及分析部分之間的關(guān)系和認識其中的組織原理。綜合是在分析上的晉級。它將所學(xué)知識的各部分重新組合，形成一個新的知識整體，強調(diào)的是創(chuàng)造能力，是形成新的模式或結(jié)構(gòu)的能力。評價是對材料做價值判斷的能力，是最高水平的認知結(jié)果。它要求超越原先的學(xué)習(xí)內(nèi)容，并需要基于明確標準的價值判斷[1]。由此可見，高階思維核心是辯證思維和創(chuàng)新思維，主要涵蓋創(chuàng)新能力、問題求解能力和批判性思維能力等較高的思維能力。因此，高階思維是科學(xué)核心素養(yǎng)的關(guān)鍵部分，也是科學(xué)教育的重要目標[2]。

二、科技館科學(xué)探究活動與高階思維培養(yǎng)

(一)科技館探究活動特點

當前，科技館正開展形式多樣、內(nèi)容豐富的科學(xué)教育活動。這些科學(xué)教育活動包括面對展品的科普講解、科學(xué)講座、科學(xué)探究課、科學(xué)表演(科普劇)、動手類STEM拼裝等?；陴^內(nèi)展品開發(fā)的科學(xué)探究課程，通過操作、演示展品呈現(xiàn)出的各種現(xiàn)象，闡述展品所包含的科學(xué)原理，同時，設(shè)計相關(guān)的動手實驗，幫助參與者經(jīng)過手腦參與，真正理解、掌握所涉及的科學(xué)概念、原理。這類科學(xué)探究活動越來越受到參與者的青睞，愈發(fā)獲得科技館界的重視。與學(xué)校實驗室的傳統(tǒng)實驗展示相比，科技館演示的展品外觀相對大型，有的配備相應(yīng)輔助結(jié)構(gòu)(如聲、光控制輔助)，具有展示效果明顯、科學(xué)現(xiàn)象突出、便于向參與者闡釋相應(yīng)科學(xué)原理等優(yōu)點。另外，由于科技館展品演示往往更具趣味性和視覺效果，對學(xué)生更有吸引力，能夠幫助學(xué)生產(chǎn)生探究其中科學(xué)原理的熱情。由此可見，基于科技館展品展項設(shè)計開發(fā)的科學(xué)探究課程能夠充分發(fā)揮展品資源優(yōu)勢，促使學(xué)生樂意參與相應(yīng)的探究活動。

(二)科技館探究活動與思維的聯(lián)系

學(xué)校的教學(xué)過程通常是教師指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)書本、黑板文字(板書)、PPT展示等提供的科學(xué)定理、公式，之后，學(xué)生利用已學(xué)的定理、公式進行練習(xí)解題。在學(xué)校，學(xué)生學(xué)習(xí)定理、公式推導(dǎo)過程，進而在習(xí)題練習(xí)中形成對公式的記憶和運用，體現(xiàn)的是演繹學(xué)習(xí)的方法[3]。因此，課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容是抽象的定理和公式，學(xué)習(xí)者獲得的是間接經(jīng)驗而非直接經(jīng)驗，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中通過做習(xí)題增加熟練程度，提高解題速度。相比之下，科技館科學(xué)探究活動則先從觀察事物的現(xiàn)象出發(fā)，參與活動的學(xué)生進行初步假設(shè)，通過探究手段，在驗證假設(shè)的過程中不斷修正、完善最初的假設(shè)，最終形成自己的結(jié)論，獲得直接經(jīng)驗，運用的是歸納學(xué)習(xí)法。學(xué)生在探究過程中需要從具體的體驗認知中自己歸納出抽象的科學(xué)概念，這一探究過程涉及深入的思考過程和持久的思維活動。如果將學(xué)校正規(guī)教育和科技館科學(xué)探究活動之間差異，通過學(xué)校課程與科技館探究課對比表(表1)進行比較，從中可以清晰地看出科技館的探究活動學(xué)習(xí)效果，最終會影響并促進思維能力的發(fā)展。

表1 學(xué)校課程與科技館探究課比較

(三)科技館探究活動促進高階思維發(fā)展

在科技館開展的科學(xué)探究活動中，學(xué)生面對具體的探究對象進行探究實踐。由于學(xué)生不是從已知抽象的定理結(jié)論開始，而是從具體、真實的，可觀可感、能體驗的現(xiàn)象入手，在探究的過程中主動地獲取生動真實的探索結(jié)果，這一探究過程強調(diào)直接經(jīng)驗的積累及其與間接經(jīng)驗的有效銜接。在獲得直接經(jīng)驗的過程中，參與學(xué)生根據(jù)對探究現(xiàn)象的分析，綜合自己原有的經(jīng)驗，進而形成自己的判斷并得出結(jié)論。這樣的分析、綜合、評價判斷和創(chuàng)造是高階思維重要的組成與體現(xiàn)。學(xué)生在不斷探索、改進、優(yōu)化、完善實驗方法的探究步驟中形成深刻的思考，養(yǎng)成正確的科學(xué)方法和思維習(xí)慣，逐步產(chǎn)生解決問題的能力，進而推動創(chuàng)造性思維、求異思維、發(fā)散思維的培養(yǎng)和形成。在具體的探究實踐中，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生多次參加科學(xué)探究活動后，會逐漸學(xué)會通過觀察、記錄、對比實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，分析、綜合、概括探究現(xiàn)象，進而運用假設(shè)、類比、推理等方法解決問題，得出探究結(jié)論。學(xué)生在多次探究實踐之后，會漸漸了解、掌握這些科學(xué)方法和思維過程，并逐漸形成運用這些方法的心理定勢。這種探究形成的思維特征涵蓋了高階思維的基本要素，因此科學(xué)探究活動可有力地凸顯學(xué)生高階思維能力的培養(yǎng)過程。

三、探究活動中高階思維設(shè)計建議

(一)設(shè)置問題情境展開設(shè)計

展品設(shè)計科學(xué)探究活動可運用多種設(shè)計方法，其中設(shè)置具體的問題情境是設(shè)計探究活動多樣化方案中較為行之有效的方法之一。該方法是利用相關(guān)展品，以展示科學(xué)原理或科學(xué)概念為探究目標，根據(jù)演示、實驗等探究對象與探究目標設(shè)置出參與者需要完成的探究任務(wù)，而這項探究任務(wù)又隱藏在巧設(shè)的問題情境當中。學(xué)生面對設(shè)置的問題情境，將通過動手操作、實驗等探究的方式去解決問題，逐步解決問題的過程也是科學(xué)探究不斷展開的過程。學(xué)生在展開的探究進程中獲得正確的科學(xué)方法，培養(yǎng)高階思維能力。另外，設(shè)置問題情境可以幫助學(xué)生“沉浸”到具體的探究環(huán)境中，使探究目標變得具體、鮮活和生動，引發(fā)學(xué)生完成探究的興趣和欲望。

學(xué)生在具體的問題情境中，會專注探究展品和相關(guān)實驗帶來的真實現(xiàn)象，面對問題，會運用科學(xué)的探究方法，尋找正確的探究思路，最終加以解決。在解決問題的過程中，科技館輔導(dǎo)人員會不斷為學(xué)生提供探究工具和探究方法，引導(dǎo)學(xué)生手腦合作去分析、選擇探究工具和探究方法，觀察對比探究中產(chǎn)生的各種現(xiàn)象，進而得出結(jié)論。在這一過程中，創(chuàng)造性思維、多樣性思維等高階思維的培養(yǎng)水到渠成。由于參與科技館探究活動的學(xué)生來自不同學(xué)校、年級，因而設(shè)計探究任務(wù)和設(shè)置問題情境要綜合考慮參與者的認知水平和探究實踐過程的難度，如實驗操作的難度、探究中參與者理解的難度、探究中科學(xué)方法運用的難度等。因此，問題情境可以采取分層次、分階段、組合嵌套等多種安排設(shè)計，使參與者能夠有效地完成探究活動。

(二)借助“三鏡效應(yīng)”優(yōu)化設(shè)計

1.分解探究問題

正如棱鏡可將通過的普通白光分解成美麗的七種色光，科學(xué)教育活動在設(shè)計上也可以采用“棱鏡分解效應(yīng)”，即先選取科技館內(nèi)能展現(xiàn)、可體驗明顯現(xiàn)象的展品、實驗，將其變?yōu)榭茖W(xué)探究問題，并將探究問題分解成若干小任務(wù)，然后將每個任務(wù)設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w的問題情境，讓學(xué)生面對具體情境去分析問題并著手解決問題。這些問題情境設(shè)計上要避免彼此孤立，要建立一條邏輯主線構(gòu)成一個有機的整體，且能逐層遞進。學(xué)生在解決初步問題情境后，能進一步解決下一個問題情境。如我館有“拱橋”展項，參與者將七塊大小不一的大型積木拼搭成拱橋，并可在拱橋上行走以體驗和學(xué)習(xí)拱形的特殊力學(xué)構(gòu)造。我們將原先學(xué)生搭建拱橋的環(huán)節(jié)，按照高階思維角度重新設(shè)計，巧妙變成問題情境：讓參與學(xué)生“化身”為一千年前為中國趙州橋施工的小工匠。七塊大積木作為建橋的“石料”。小工匠們以小組為單位用這七塊“石料”搭建起“趙州橋”。學(xué)生首先要考慮如何使用工具將最大的“石料”從“山溝”(活動特制的塑料凹槽)里取出。通過輔導(dǎo)員講解展品“大秤”，學(xué)生從杠桿原理受到啟發(fā)，從工具箱中選取長木棍和小木塊做支點，撬出“石料”。接下來他們將遇到第二個問題，即如何將“石料”搬運到有一定高度的“施工現(xiàn)場”。學(xué)生再通過體驗科技館展品“自己拉自己”，了解到動滑輪可以省力，定滑輪可以改變力的方向，包含動滑輪和定滑輪的滑輪組既可以省力又可以改變力的方向。于是，經(jīng)過討論合作，從工具箱中選取滑輪、籃球筐和跳繩，將跳繩拆成繩索繞過滑輪制成滑輪組，順利地提升起裝有“石料”的籃球筐，成功地完成了拱橋的搭建。這些被分解的問題情境不僅將任務(wù)具體化、趣味化，而且生動地展示了學(xué)生面對問題的分析能力和應(yīng)變能力，將傳統(tǒng)參觀體驗展品展項轉(zhuǎn)化成對問題的綜合分析，把杠桿的定義、杠桿的平衡條件等科學(xué)原理變?yōu)榛喓透軛U在問題情境中的靈活運用。

分解任務(wù)設(shè)計的問題情境比較適合參加科學(xué)探究活動的中低年齡段的學(xué)生。對于高年級學(xué)生，可以在搭建“拱橋”的基礎(chǔ)上繼續(xù)探究拱形結(jié)構(gòu)受力原理。針對低年齡段設(shè)計的探究活動，有時為了增加問題情境設(shè)計的趣味性，可以事先將問題情境描述在一張張任務(wù)卡片上，封裝在檔案袋里，活動開始時由孩子開啟，提高任務(wù)的神秘感和儀式感。需要指出的是，“棱鏡分解效應(yīng)”的目的不是為了分解任務(wù)而分解，而是巧妙利用問題情境之間的邏輯和學(xué)生認知過程的規(guī)律，形成一個有序的科學(xué)探究活動結(jié)構(gòu)。

2.“放大”探究體驗和思考分析過程

放大探究體驗體現(xiàn)為設(shè)計中的“放大鏡效應(yīng)”，即設(shè)計中強調(diào)感官沖擊和感官體驗，增強學(xué)生感性認識。人在認識客觀事物時存在知覺優(yōu)先的傾向，如果探究設(shè)計中能提供并巧妙“放大”學(xué)生感性體驗和直觀觀察體會，進而有效地“誘發(fā)”思維分析的過程，可以促進學(xué)生在探究中將直觀感受上升到理性概括，彰顯出培養(yǎng)高階思維的過程。因此，活動設(shè)計上可設(shè)法將解決問題所關(guān)聯(lián)的科學(xué)概念、科學(xué)原理與科技館大型的演示展品、專門設(shè)計的實驗、制作的探究道具結(jié)合起來，通過這些演示、實驗和學(xué)生動手實踐，將活動涉及的科學(xué)現(xiàn)象“放大”呈現(xiàn)出來，使學(xué)生探究體驗更深刻。在體驗中將辯證思維過程放大，顯示思辨過程[5]。許多科技館都有關(guān)于伯努利原理和風(fēng)洞原理的展品，利用這些展品可以開展飛機飛行方面的科學(xué)探究活動。以開展折紙飛機活動為例，設(shè)計上可以讓學(xué)生扮演未來飛機設(shè)計師的角色，讓學(xué)生解決如何讓紙飛機飛行更遠的問題。學(xué)生一般會認為紙飛機的機翼面積會影響飛行距離，因而可組織學(xué)生折疊機翼面積不同的紙飛機，現(xiàn)場投擲紙飛機進行試驗。學(xué)生試驗后發(fā)現(xiàn)有的紙飛機機翼大飛得遠，有的卻飛得近。這時，科技館輔導(dǎo)老師就要提醒學(xué)生考慮紙飛機的初始狀態(tài)應(yīng)當一致，詢問大家有沒有考慮飛機的質(zhì)量應(yīng)該一樣，投擲紙飛機的力度和角度是否大致相同。學(xué)生們經(jīng)過思考，選擇大小、厚薄相同的紙張重新折疊，并用牛皮筋拉伸大致相等的長度，以相同角度彈射出去。學(xué)生們試驗后又發(fā)現(xiàn)，開始時紙飛機機翼面積越大，飛行距離越遠，但機翼增大到一定面積后，面積大反而飛得近了。這時候，可以順勢引導(dǎo)學(xué)生思考討論剛剛發(fā)現(xiàn)的問題，及時組織他們觀看展品“風(fēng)洞”的演示，觀察風(fēng)洞中模型戰(zhàn)斗機機翼迎風(fēng)角度增加后，比較機翼面積的改變與機翼壓力的變化關(guān)系。學(xué)生從中了解到，開始時機翼面積增加會獲得較大的升力，但是機翼面積超過一定數(shù)值后機翼受到的阻力會增加得更快，阻力超過升力，就會影響紙飛機飛行。學(xué)生們通過對比及思考、分析后，辯證思維能力將獲得提高。

3.過濾無關(guān)因素，突出主要信息

探究設(shè)計可借鑒手機濾鏡美化拍攝主體的“濾鏡效應(yīng)”。首先，活動應(yīng)舍棄各種“灌輸”式講解，避免科學(xué)探究活動成為科技館輔導(dǎo)老師“唱主角”式的解說和演示活動，而應(yīng)突出學(xué)生的活動，學(xué)生在這類活動中是主動思考者、探究親歷者、結(jié)論發(fā)現(xiàn)者、學(xué)習(xí)構(gòu)建者?？萍拣^輔導(dǎo)老師則是活動中現(xiàn)象的啟發(fā)者、探究工具的提供者、思考的點撥者、活動的陪伴者。高階思維表現(xiàn)為學(xué)習(xí)者對探究對象進行科學(xué)的抽象與概括，進而形成知識和科學(xué)概念。學(xué)生對現(xiàn)象的充分感知則是獲取知識和科學(xué)概念的前提。因此，活動構(gòu)思上應(yīng)有目的地去引導(dǎo)學(xué)生對現(xiàn)象正確觀察，有意識地指導(dǎo)學(xué)生探求引發(fā)現(xiàn)象的主要因素，幫助學(xué)生排除探究中各種次要因素甚至是錯誤信息的干擾，尋找關(guān)鍵信息。設(shè)計上應(yīng)突出學(xué)生從實驗現(xiàn)象中獲得充分的感知，讓參與學(xué)生在聚焦探究過程的同時，聚焦探究中運用的科學(xué)方法，進而協(xié)助學(xué)生搭建抽象概括的階梯和“腳手架”。其次，高階思維是建立在低階思維基礎(chǔ)之上的，因此活動開展可遵循低階思維和高階思維“共建”的方法，從低階思維的角度引入，循序漸進地深入?；顒又兴柰瓿傻奶骄磕繕瞬荒艹^參與學(xué)生思考和分析能力，活動在設(shè)計上力求和學(xué)生思維能力與背景知識相匹配，遵循學(xué)生的認知規(guī)律，幫助學(xué)生在思考的過程中不斷聯(lián)系生活經(jīng)驗、課堂知識、書本知識，引領(lǐng)思維的升華，促進分析、綜合、比較、判斷、推理等思維能力的提高[4]。最后，由于活動對象是中小學(xué)生，活動導(dǎo)入可加以趣味化，但不能過于強調(diào)趣味性而使活動泛娛樂化、形式化，有所變味。所以，在活動的形式設(shè)計上只能將趣味性作為“點綴”，過多的趣味橋段應(yīng)當舍去。

四、關(guān)注科學(xué)，引導(dǎo)求異思維

求異思維是創(chuàng)新思維的重要組成部分，鼓勵學(xué)生提出全新問題，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造靈感是創(chuàng)新思維發(fā)展的基石。在科學(xué)探究活動設(shè)計上，可啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生從不同角度、不同方向、不同路徑去完成任務(wù)，鼓勵學(xué)生在探究過程中尋找到更合理、更便捷的實驗步驟。求異思維不是讓學(xué)生憑空設(shè)想，隨意想象，而是結(jié)合探究過程中的發(fā)現(xiàn)，基于對探究中科學(xué)概念的理解，運用自己的認知和推理去全新設(shè)想。筆者在活動實踐中發(fā)現(xiàn)在啟發(fā)學(xué)生求異思維時，小學(xué)高年級學(xué)生思維常表現(xiàn)為直覺思維，他們思維活躍但常常未對問題進行逐步分析，僅依據(jù)內(nèi)因的感知就迅速地對問題答案、選擇方案作出設(shè)想判斷。這時，學(xué)生的思維、設(shè)想往往比較新穎別致，但缺乏與探究對象科學(xué)原理的合理聯(lián)系。因此，輔導(dǎo)老師在鼓勵學(xué)生求異求新思維的同時，要引導(dǎo)學(xué)生在探究觀察現(xiàn)象與分析問題關(guān)聯(lián)屬性的基礎(chǔ)上，尋找新的思考角度[6]。

江蘇省科技館展品“手蓄電池”，參與者將雙手分別接觸銅板與鋁板后，銅板與鋁板之間連接的電流表指針會發(fā)生轉(zhuǎn)動，演示電流的形成。根據(jù)該展品設(shè)計科學(xué)探究活動——制作原電池，要求學(xué)生在體驗展品“手蓄電池”后，參與“廚房電池發(fā)明家”活動，即學(xué)生設(shè)法從家庭冰箱中選擇材料制作簡易原電池，使小發(fā)光二極管發(fā)光。我們事先在科學(xué)教室放置小冰柜模擬家庭冰箱，里面擺放檸檬、糖水、鹽水、可樂、咖啡、礦泉水等物品。學(xué)生大多數(shù)選擇檸檬作為實驗材料，插入銅和鋅片后順利完成了任務(wù)。我們啟發(fā)學(xué)生，除了利用水果作電池材料，冰箱里還有哪些也可以用來制作原電池？有的學(xué)生發(fā)現(xiàn)，在體驗展品“手蓄電池”時，手掌帶有汗液越多，指針偏轉(zhuǎn)角度越大，從中得到啟發(fā)：鹽水可以作為原電池的材料。于是，我們要引導(dǎo)學(xué)生在鹽水實驗成功的基礎(chǔ)上，繼續(xù)推測還有哪些材料可以輸導(dǎo)電流？有的學(xué)生認為飲料也能導(dǎo)電，比如可樂、糖水。輔導(dǎo)老師組織學(xué)生用實驗驗證推測，發(fā)現(xiàn)二極管在可樂中能發(fā)光，而在糖水中不發(fā)光。這時，輔導(dǎo)老師結(jié)合檸檬、鹽水能導(dǎo)電的實驗現(xiàn)象，從微觀角度解析原電池的工作原理，使學(xué)生認識到制作原電池所需材質(zhì)應(yīng)具有導(dǎo)電性能，酸堿鹽成分可以導(dǎo)電。學(xué)生由此推測出檸檬含有酸性物質(zhì)、可樂含有碳酸所以能導(dǎo)電，而糖水不含酸堿成分，所以不能導(dǎo)電。輔導(dǎo)老師還可繼續(xù)啟發(fā)學(xué)生思考：“冰箱中咖啡、糖水、礦泉水是不是都不能成為制作原電池的材料？”有的學(xué)生將知識有效總結(jié)后進行發(fā)散思考，創(chuàng)新地提出可以在這些物質(zhì)中添加食醋或者食鹽，就能成為制作原電池的材料。這種思維則從選擇材料的角度轉(zhuǎn)變?yōu)楦淖儾牧系男再|(zhì)，體現(xiàn)出創(chuàng)新思維，輔導(dǎo)老師可及時予以表揚和鼓勵。

在探究活動設(shè)計上培育求異思維，科技館可以鼓勵學(xué)生不受既成經(jīng)驗和已有知識的束縛，將各種現(xiàn)象和科學(xué)知識融合、交叉，引導(dǎo)學(xué)生在探究中合理利用直覺思維。直覺思維是一種非線性思維，具有不受“時間順序”“邏輯順序”束縛的特點。在探究活動中，可適當運用直覺思維，鼓勵學(xué)生從新角度思考問題，有計劃、有目的地引導(dǎo)學(xué)生從事物整體聯(lián)系出發(fā)，用發(fā)散、跳躍的思考方式去尋找解決問題的答案，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)廣闊的思維空間提供條件，促進學(xué)生在科學(xué)探究活動中培養(yǎng)、提升自己的高階思維。

五、結(jié)束語

面向青少年開展培養(yǎng)高階思維的科學(xué)探究活動，目前在科技館界仍處于探索階段。培養(yǎng)高階思維是一個動態(tài)變化的過程，科技館界對培養(yǎng)高階思維的認識也是一個不斷發(fā)展、不斷深入的過程。這種科學(xué)探究活動的設(shè)計，沒有固定模式和方法可循，是一個不斷創(chuàng)新發(fā)展的過程，這要求科技館不能固化設(shè)計形式和結(jié)構(gòu)，要勇于實踐，善于學(xué)習(xí)，在不斷探索中推陳出新。