有效培養學生科學思維能力

曾曉麗

《義務教育小學科學課程標準》中提出把培養學生的核心素養作為主要目標，代替以學科知識、技能為目標的傳統評價體系。科學思維既是核心素養的重要組成部分，也是學生科學素養的關鍵組成。融合了科學、技術、工程和數學四門學科的STEM教育倡導跨學科思維的培養，旨在運用多學科知識和不同學習方式相融合的教學方式，使學生體會到學科之上的思維方式，包括因果思維、結構性思考、系統化思維、模式化解決、規模比例與數量思維等。STEM課程的評價標準將學科的核心理念與科學研究的內容或工程技術相結合，進而轉化為學生的能力與素養的評定，并將培養或提升學生科學思維能力放在核心地位。STEM理念下的小學科學項目式學習是開展各類科學探究和工程實踐的過程，也是低年段學生科學思維的形成和發展的有利途徑。

低年段學生的思維能力的基礎特點是：主要以直觀形象思維能力為主，抽象概括能力較差;自控能力較差，注意力不穩定，導致有效思維的時間短;模仿能力較強，但思維缺乏靈活變換，淺顯不深入。因此，在小學階段培養學生的科學思維能力，需要從以具體形象思維為主要形式逐步過渡到以抽象邏輯思維為主要形式，而抽象邏輯思維的建立與小學生的感性經驗積累和動手操作實踐感受有密切聯系。另外，也需要注重學生日常經驗事實的歸納和總結，開展科學探究過程的分析和推理，以及對科學事實和科學推理進行質疑和批判。

本文從小學科學STEM項目學習中確定任務、設計產品、制作產品、評估產品這四個環節對低年段學生科學思維能力的培養展開分析。

確定任務，激發學生的開放思維

STEM項目式學習的核心是學生開展合作式探究活動，倡導開放性的學習模式，以真實問題和建造產品為任務驅動，將學生現有理論基礎與實際情景相結合。項目主題的導入和創設是學生知識構建和項目學習的基礎。面對低年級的學生，STEM項目主題的設置應該充分考慮他們的知識積累、技能水平和情感態度。項目研究的背景應該貼近生活真實情境，創設的問題應該具備一定的指引性和開放性。

例如在一年級開展“給動物設計棲息地模型”活動時，教師要求學生設計的棲息地可以滿足特定動物正常的生命活動需求，保證小動物能在模型中穩定生活一周以上。一年級的學生剛開始接觸科學學習，缺乏學習科學的方法和習慣，科學模型的構建對激發學生科學學習興趣，培養學生的自然觀察能力，幫助學生養成科學思維有較大幫助。在項目之初，教師沒有給學生設定具體的動物范圍和模型選擇，給予學生較大的選擇空間。學生以小組為單位，可以圍繞自己喜愛的或接觸過的小動物展開討論，衡量各類動物棲息地模型搭建的難易程度，再有針對性地選擇研究主題。在確定項目的過程中，學生會經歷一個頭腦風暴的過程，充分調動他們的發散思維和開放性思維。

在開放式的學習氛圍中，學生更愿意接受與自己不同的觀點和想法，在交流中辯證思考自己的觀點。開放性的項目命題還有利于促進學生思維的發散性和流暢性，在項目主題的頭腦風暴中，學生嘗試在盡可能短的時間內生成并表達出盡可能多的想法，呈現自己的思維成果，也可以較快地適應、消化同伴提出的看法和建議。學生的發散思維沿著不同的方面和方向擴散，表現出更豐富的多樣性和多面性。避免個體學習具有的保守性和被動性，項目式團隊協作的模式可以突破傳統思維定式和狹隘眼界。

設計產品，培養學生的系統思維

設計項目產品是整個項目學習過程的核心組成部分，也是對學生學習能力和思維能力提升的重要環節。完成產品的設計需要學生具備一定的系統思維和邏輯思維，主要從整體性能、結構創意、綜合實用等方面來考量設計的產品。STEM教育理念倡導學生運用設計思維開展項目學習，體現在產品上就是學生在分析工程任務、項目目標和現實可行性的基礎上進行的綜合設計，需要學生從多層次、多角度對設計產品進行綜合思考，激發學生設計性思維和系統思維。這對剛接觸科學項目學習不久的低年段學生來說具有較大難度，需要教師給予充分的引導和支持。

在活動中，低年級的學生初步調查了解該種動物的生活習性和棲息特性，掌握科學觀察動物及其生活環境的方法，進而確定本組的目標動物，再完成為動物設計棲息地的任務。在設計之初，教師先為學生提供鳥巢模型作為參考，向學生介紹動物棲息地的基本組成部分，包括適宜的生存空間、安全的周圍環境、合適的食物和活動空間等基本要素，模擬鳥類在鳥巢中的生活狀態，并預設棲息地中可能存在的缺陷問題，啟發學生進行更加全面和系統的思考。

在設計棲息地模型的過程中，一方面學生要把握好該動物生命活動所需基本生存空間這一原則性需求。學習小組要建立起動物的生存與棲息地間的密切聯系，滿足包括取食、活動空間、棲息范圍和繁殖需求等一系列內容，從而在整體上把握棲息地的設計;另一方面，學生也需要靈活應對環境變化對動物及其棲息地所產生的影響這一動態變化。學習小組要意識到客觀環境是動態變化的，環境的光照、土壤、溫度、濕度、敵害等客觀條件是相互聯系、發展變化的有機整體，可能會對該動物生命活動產生一定的影響。學生將原則性與靈活性有機結合的思維過程便是對其系統思維的有效訓練。

學生在進行產品設計過程中不斷訓練其系統思維，抓住產品設計的整體方向和關鍵因素，有計劃地采取靈活有效的方法應對變動情況。學生在設計產品的過程中，可以把產品中相互聯系的各個方面及其結構和功能進行系統認識，形成一種整體的思維觀念。還要關注到各方面的密切聯系，再從整體到局部深入分析，緊密把握各個局部細節的變化。

制作產品，訓練學生的工程思維

項目式學習中總是以實際需求和建造產品為驅動，而實施過程是最直接體現任務中解決問題的過程。STEM理念鼓勵學生在工程實踐中創新性地解決問題，學生在實施具體的制造產品的活動中，可以培植學生的實踐思維和構建性思維，能夠達成培養工程思維的目標。對低年段學生而言，工程和技術的實施是STEM項目學習中最薄弱的環節，傳統教學常以傳授和演示為主，而STEM教育更強調動手操作能力和創造能力。

在這項活動中，各小組需要結合本組所繪制的棲息地設計圖，從教師提供的實驗材料中選取合適的材料，分階段、分步驟地完成棲息地模型的搭建，使該作品能夠發揮預先設定的某種動物的居住功能。制作過程需要解決多方面問題，包括小組成員分工、完成時間進度、制作先后步驟、所需材料特性和需要運用的技能等。在動手操作的過程中，學生經歷了觀察、分析、比較、概括、歸納、創新等一系列思維活動。

產品制作這一環節是STEM項目學習區別于一般科學活動教學的重要特征。項目實施遵循工程制作的一般流程，學生從項目開展初期學習了解的動物生命活動和習性等基礎知識，運用理論知識實施棲息地制作前的設計。同時嘗試了數學測量與簡單計算等操作，對所選取的搭建材料進行裁剪和加工，為動物規劃合理的休息區域和活動空間。學生在模型搭建過程中可能會面臨一系列問題，當準備材料不足時，是尋找補充材料還是選擇其他相似材料替換;當搭建的棲息地模型與設計圖出現較大差異時，能否反思分析是哪些步驟出現了偏差;當小組分工不均衡導致配合效果較差時，組長與組員如何進行協調和處理。研究過程出現的許多臨時性問題都能考驗學生的思維靈敏度和邏輯縝密性。

工程制作的成果可以是設計的圖紙，可以是實際操作的過程收獲，也可以是制作完成的半成品或初步產品。本環節可以有效補充學生科學實驗動手能力的訓練，使學生建立起項目工程實施的初步認識，最重要的是學生在團隊制作活動中動手操作能力和工程思維能力得到了提升。

評估產品，發展學生的批判思維

STEM課程所制作項目產品的檢查評估環節也是開展科學學習成果的評價和學習過程的總結反思。STEM項目學習主導從課程標準的符合程度，產品制作的成果，學生在工程設計過程中思維能力的提升，團隊協作效果和情感體驗等方面開展評估。學生展示、評價、檢測、改進的環節也是STEM項目式學習的關鍵步驟，學生展示出產品亮點的同時，也在自評與他評中反思產品的不足，培養學生的批判性思維。

模型的制作完成之后，各組學生輪流展示，并進行組內點評。各小組通過對比其他項目組的作品，從設計特點、材料選取、團隊合作、模型科學性、展示環節等方面作出評價，幫助各小組客觀全面地分析模型的優缺點，從而進一步改進和完善棲息地模型。在課后條件允許的情況下，各小組可以對棲息地模型進行測試，將小動物放置在其中生活一周時間，維持動物與棲息地處于相對穩定的平衡狀態，觀察和測試動物的生理活動情況是否正常，做好日常觀察記錄，再將真實的檢測結果與預設效果相比對，實現綜合性評價。

項目小組在展示和評估棲息地模型的搭建成果時，學生廣泛地開展自評和他評，在評價中激發學生的變通思維，借助橫向類比、知識轉化、觸類旁通等方法突破常規思維的界限。使學生能以更新穎的方法和視角思考問題，提出更有效的解決方案，對作品進行改進和完善，達到訓練學生創新思維的目標，從而產生有實際意義的思維成果。在實際檢測中觀察模型的真實效果，在修正和完善模型的過程中增強項目產品質量，進一步加深學生思維的寬度。

教師的評價作用是不可替代的，教師參與了學生由選題、設計、制作與檢測的完整過程，從指導者和觀察者的角度，全面地分析項目開展的成效和存在的問題。低年段的學生容易堅持己見，不愿接納他人的意見，教師需要引導他們在面對不同的意見時采取寬容的態度，不能全盤接受或否定，應批判性地分析他人的意見，審慎地做出判斷，或暫不下判斷，或修改已有判斷，以真誠客觀的態度去接受多種解決問題的方法，進而提升學生認知的成熟度，增強他們的批判性思維。

總? 結

小學科學的STEM項目學習是基于真實問題解決的探究學習、基于工程設計的實踐學習，強調發展學生的設計能力與問題解決能力，促進學生科學思維能力的發展。學生有大量的機會通過摸索、探究、決策來驗證他們認為有創造性、能解決問題的方案，他們在解決問題的過程中通過犯錯、分析失誤、改進，使能力得到提升。讓學生掌握知識與技能，進行靈活遷移應用、解決實際問題，重點培養學生的科學素養、創新思維和實踐能力。

基于STEM理念開展的項目學習是一個學生親身體驗知識內容獲取、技能掌握、技巧鍛煉的過程。從探究內容的選擇、項目產品的設計制作、產品檢測評價等環節中，教師可從激發動機、引發認知沖突、改進技術、拓展延伸等方面調動學生的知識和技能儲備，使學生的思維碰撞出火花，形成創意并付諸實踐。低年段學生認識事物的過程是由低級到高級，由簡單到復雜，由量變到質變的過程。所以，教師要根據學生掌握知識的規律對學生進行由淺入深的滲透和對學生邏輯思維進行由淺入深的訓練。學生在低年級的科學學習中形成的探索、思考和創造能力將會對未來的成長打下堅實的基礎，良好的科學思維能力和科學素養基礎也將促使其更好地開展各類型學習活動和社會實踐活動。