指向高階思維培養的項目式教學策略分析
——以小學科學“揭秘蜂巢”為例

曹春燕,丁紅明

(首都師范大學附屬回龍觀育新學校,北京,102208)

一、引言

核心素養要求學生具有創造性思維、批判性思維、合作與交流等能力。《義務教育科學課程標準(2022年版)》提出將科學思維作為核心素養的重要組成部分。[1]科學思維是培養核心素養的關鍵,發展學生的高階思維是必經之路,要形成“為高階思維而教”的科學教育目標,這與以批判性思維和創造性思維為核心的科學高階思維的培養目標一致。[2]項目式學習是落實學生的核心素養與高階思維能力培養的有效手段。[3]但目前項目式學習在實踐過程中往往更多地關注最后問題的解決和項目的完成情況,忽視對高階思維能力的培養過程,或即便有意識地培養學生的高階思維,但對高階思維的表現形式和設計高階思維的具體活動存在諸多模糊之處。本文以“揭秘蜂巢”為例,以項目式學習的教學形式為途徑,從目標設計、教學設計、教學評價等環節融入科學高階思維的培養,在推理論證、模型建構、創新思維等思維層面鍛煉高階思維,助力項目式學習的設計與創新。

二、核心概念

(一)高階思維的內涵

在認知目標的角度,布魯姆和安德森認為分析、綜合、評價、創造屬于高階思維層次。[4]在能力視角下,鐘志賢提出高階思維是發生在較高認知水平上的心智活動或較高層次的認知能力,主要由元認知能力、問題解決能力、批判性思維能力和創造性思維能力構成。[5]從過程論的觀點來看,心理學者認為高階思維經歷了從創造性思維到批判性思維的認知過程,即從不同角度、運用多種方法進行思考,形成問題解決的多種方案、多種路徑(體現了創造性思維),然后通過推理、分析、評價、預測(體現了批判性思維)的過程進行方案、路徑的選擇和優化。[6]

科學思維中的模型建構、推理證據和創新思維在本質上指向了不同功能的高階思維。首新認為,科學高階思維是學生以科學內容知識為基礎,在探究科學問題過程中運用以批判性思維和創造性思維為核心的高層認知過程中的科學認知或智力活動。[2]批判性思維的核心是推理、分析與預測、評價;創造性認知經歷了發散思維到聚合思維的變化,其核心是發散性思維,思維路線是開放和發散的,是學生對學到的知識的多角度、多層次、多結構的新思考及產生的新創造。高階思維在小學中的具體價值體現在有助于幫助小學生科學建構概念,有助于小學生積極參與探究式教學,有助于小學生科學思維方式的形成,有助于對小學生科學精神、科學觀念的培育。[7]

(二)項目式學習

項目式學習基于學習方式的改變,是一種培養能力的重要學習方式。項目式學習指向現實生活中劣構的、綜合的、沒有標準答案的問題解決,引導學生在真實情境中發現問題。任務或活動的核心問題往往圍繞核心概念展開,學生需要創造性地解決問題,在解決問題中發現問題。這種對問題的持續探索是學習的本質,也是認知水平不斷提高的過程。

三、教學策略

(一)確立教學目標

教學目標是高階思維教學體現。科學觀念是思維發展的沃土,思維是科學觀念建構的營養。教學目標不僅要關注知識的理解和技能的形成,還要特別關注學生解決問題、批判性認知和創新等能力。高階思維參與的學習過程能使學生逐漸形成穩定的個人素養,因而只有將高階思維作為教學目標,才能設計出支持高階思維發展的學習活動。

1.目標的設計要體現高階思維

與常規教學目標相比,定位高階取向的項目式學習活動目標增加了思維目標。常用的思維方法有想象、聯系、分析、推理、發散和聚合等,發展的高階思維的品質是思維的深刻性、靈活性、批判性和獨創性。在設計教學時,教師要預設分析鍛煉學生的哪種思維方式,學生需要經歷怎樣的探究過程、取得怎樣的成果。具體來說,教師需要設想能夠提升學生高階思維水平的活動,進而完成對目標的設計。目標也可為項目推進過程中的評價提供標準。具體如表1所示。

表1 項目式學習“揭秘蜂巢”教學目標設計

2.內容為始,思維為終

高階思維的培養是一個系統工程,思維培養需要沉浸在課堂內容的學習過程中。這就要求教師仔細分析教學內容,注意內容的思維性,體現思維的進階過程。項目式學習需要跳出單學科的思維模式,即在解決真實問題的過程中進行跨學科學習,要求多種學科的相互滲透、相互切合,需要綜合運用學科知識,將思想和方法整合。在設計跨學科的項目式學習目標時,教師需要注意各學科內容之間的銜接,激發學生高層次的認知過程,增強內容的進階和思維的層次性。在確定目標時,教師還需要關注跨學科項目式學習內容的難度,要保證學生不會因內容難度較大而放棄,也不會因內容難度較小而消極應對。教師要以內容為出發點確定教學目標,調整內容,使學生可以從不同角度、運用多種方法、采取多種措施認識和分析問題,并基于不同知識背景制定可行性方案,基于證據進行合理評價,從而發展學生的高階思維。

在本案例中,核心概念是“結構與功能”,核心思維方法是“原型啟發”,探究實踐中應用到的核心數學知識、技能和方法包括“幾何圖形邊、角、面的關系”“密鋪”“測量、作圖、建模、面積割補”,科學核心方法包括實驗探究和證據推理等。同時,將計算機作為技術輔助,完成作圖、計算和信息的收集工作。三個內容難度符合六年級學生的認知水平,為學生高階思維的發展提供了可能性。

(二)明確思維進階過程

1.發現問題到提出問題

科學發現的前提是提出問題,并認真對待提出的問題。只有發現問題,才能提出問題。提問題即用語言邏輯清晰地將問題表述出來。發現問題到提出問題是思維和認知上的具體提升和進步,主要涉及發散思維,也就是創造性思維的過程。王青認為,在未來教育中,好學生的標準不應是僅具有較強的分析問題和解決問題的能力,而是還需具備較強的發現問題和提出問題的能力。[8]創造性地發現問題、提出問題和生成問題,是學生從發散思維到聚焦、分析、評價問題的過程,其本質是由創造性思維到批判性思維的過程。在設計教學時,教師應尤其關注問題的提出和生成過程中對學生思維能力的培養。在“揭秘蜂巢”項目式問題生成過程中,思維的進階過程如圖1所示。

圖1 “揭秘蜂巢”項目式中思維的進階過程

在“揭秘蜂巢”這一活動中,學生發現的問題是六邊形結構的特點。針對這一發現,教師引導學生開始自主頭腦風暴,即開始發散思維。這也是創造性思維的開始。從技術與工程角度看,教師還可引導學生通過對質疑問題、分析問題和求證的批判性過程,讓學生創造性地提出六邊形結構的優勢。通過聚焦和評價等聚合思維方式,生成邏輯嚴謹的項目式學習的真實問題。

2.問題轉化

學生自主生成的問題往往是主題式大問題。教師需要引導學生進一步地分析問題,從問題解決的視角進行問題表征,將問題提出轉化為具有一定目的的認知過程,對問題的可行性和目標性進行分析,提出具體問題,使問題有針對性和可操作性,即轉化成能探究的學科問題。例如,針對“如何節省材料”這一主題式問題,學生需要將其轉化為能探究的小問題,如圖2所示。在這個過程中,學生將科學問題轉換成數學問題,靈活地將科學知識遷移到數學情境中,并用數學邏輯嚴謹地提出了具有可操作性的、獨特的、新穎的問題,體現了學生思維的獨創性和靈活性。

圖2 問題轉化過程

由以上分析可以發現,項目式學習的真實問題需要學生在發現問題時經歷直覺思維和發散思維過程。在提出問題時,學生要在分析、評價和判斷問題之后再創造性地提出問題,這個過程涉及創造性思維和批判性思維過程。學生需要通過聚焦和評價,利用聚合思維生成主題式問題,即項目式學習的真問題。將項目式學習的問題轉化為能進行具體探究的科學問題,則需要學生發揮思維的靈活性和獨創性。可以看出,從發現問題到確定問題是整個項目式學習中最具創造性的階段,因而教師尤其要重視此階段對學生高階思維意識的滲透和高階思維能力的培養。

(三)細化教學實施

1.注重方案設計,提升思維水平

與一般的設計與制作能力的提升的目的不同,高階思維指向下的設計與制作活動還要特別關注學生發現和解決問題的分析、求異和發散思維的創造能力。針對同一個問題,學生會有不同的解決方案,每一個解決方案的形成皆基于創造性思維能力。例如,在本案例中,學生解決問題的方法有計算(面積大小、底面積、周長)、推理、畫圖測量、模型制作(對材料的利用)、實驗(穩定性對比)等。將方案外顯為研究思路或設計圖,有助于學生信息的加工與思維的整合,同時便于學生之間的提問、分析和評價,使每名學生都能不斷地反思、自我調節和修正,進而改進和完善方案,提高批判性思維水平。在此階段,教師需要給學生充分的時間進行辯論,在學習過程中更關注學生思維的進階。

2.利用建模突破難點,培養創新思維

在項目式學習中建模教學被廣泛使用。建模以問題為導向,學生會經歷從提出問題、設計建模方案到提煉建模再到驗證模型、修正模型的過程。[9]例如在本案例中,“建多大的蜂巢合適”,這個問題的隱含條件是蜂房要在能允許蜜蜂出入的情況下做到最小,這樣才能最大限度地節約材料、節省空間。學生通過觀察發現蜜蜂身體的橫截面近似一個圓,從而確定小房間可以是圓的外切圖形(圖3)。在這個過程中,需要將原型抽象為可用于計算的幾何模型。這也是學生思維的障礙點。基于學生的思維發展水平,教師需要引導學生從不同的角度出發,將蜜蜂看成一個整體,即從想象思維過渡到抽象思維。學生在驗證模型時發現,小房間的共用邊越多越能節約材料,由此眾多小房間盡量聚成一個圓。教師進一步展示大自然中的蜂巢,引導學生將該答案與現實生活結合。教師梳理總結自然界的蜂巢大都趨近圓形的原因。由此可見,模型能夠使問題更加直觀,更有助于突破學習的難點,進而促使學生提高思維的靈活性和深刻性。因而,教師要重視基于模型建構的學習方式培養學生的創新思維能力。

圖3 單個蜂房橫截面

3.巧用問題鏈,搭建高階思維的骨架

思維能力,即個體為了完成任務所表現出的、能有效思考問題的能力,思維能力的提升離不開個體的實踐。思維型教學理論認為,有思維深度參與的實踐才能變成有深度的實踐。[10]在項目實踐過程中,問題鏈與教學目標緊密聯系,以問題鏈為核心,驅動學生積極探索和深度思考,在整體推進項目的同時發展學生的思維能力,形成整體性思維。在本案例中核心問題為蜂巢的結構特點。進一步拓展還可提出以下問題:蜂巢為什么是六邊形,而不是更穩定的三角形或更舒服的圓形。圍繞這一思路,筆者設計了如下所示的問題鏈。

怎樣用相同的材料建出最多的蜂房?

蜂房做多大合適?

怎樣畫三角形、正六邊形蜂巢?

怎樣確定三角形、六邊形的面積?

怎樣確定三角形、六邊形的邊長?

怎樣畫出標準圖便于測量長度?

是否注意到蜂房共用邊的問題?

蜂房如何組合更合理?

選擇什么材料搭建蜂巢?

……

生成型問題鏈的設計邏輯遵循問題解決的過程,學生在解決問題的過程中產生新的問題,新問題的解決又伴隨著下一個新問題的生產,這種“剝洋蔥”式層層遞進的問題求真過程促進學生思維從淺層逐步深入。本案例中,學生首先發現并質疑(蜂巢的六邊形結構),學生在知道蜂巢的建筑材料是自身分泌的蜂蠟后,根據工程思維猜想六邊形結構的優點,進行思維的發散,從圖形結構的穩定性、“建筑”材料的限制、空間的限制等工程思維的角度提出假設,并進行科學決策。在數據建模過程中,學生通過標準作圖法、面積割補法、邏輯推理法、近似求解法等多種數學方法,以及借助電腦軟件計算和應用勾股定理。上述過程能夠將不同學科思維的培養關聯起來。問題解決的整個過程需要循序漸進的元認知心理活動,通過相互鏈接、環環相扣、層層遞進、逐步深入的關聯問題鏈搭建的思維骨架,逐步發展培養學生的高階思維。

(四)落實以思維為靶向的教學評價

當下教育改革的核心是核心素養的培養,核心素養的核心是思維的發展。高階思維是超越知識和技能的思維意識、思維方法和思維能力的結合,評價高階思維應該更注重學習過程,即表現性評價,這樣才能有效促進教—學—評的有機銜接。[11]

1.重視思維可視化

項目式學習強調作品產出,如報告、實物模型、表演和實驗設計等,但僅注重作品的結果性評價很難有效評價學生的思維發展過程。學習成果需要更多地關注思維的生成,將學生的思維可視化,即將看不見的思維過程以可視化的形式清晰呈現出來。[12]思維可視化的評價工具有可視化的學習計劃單、成長檔案袋和評價反饋表等。以診斷思維、培養思維為路徑,讓思維看得見,有助于教師對學生進行形成性評價,更好地以評促教,有效構建高階思維的課堂。本案例設計的項目過程評價單如表2所示。

表2 “揭秘蜂巢”項目過程評價單

2.從評價出發設計教學過程

評價目標就是學習目標,評價要遵循教學目標展開。在設計指向高階思維的評價時,其一,要分析項目學習內容中的高階思維的要素、特征與表現;其二,要明確期望的學習結果和達成的目標;其三,要預設在項目推進過程中學生可能經歷的思維過程、探究實踐過程及實現的項目成果;其四,要根據評價要素的內容、性質和特點,選擇恰當的評價方式和合適的評價工具。本案例將批判性思維和創造性思維確定為評價要素,采用解析型評價進行設計,具體如表3所示。

表3 “揭秘蜂巢”項目式學習表現性評價

3.發揮主動性作用

傳統評價在項目完成之后再檢查,具有滯后性,可能會錯失改正錯誤的機會。高階思維指向下的評價要發揮診斷、監控和調節作用,使學生能夠在項目實施過程中及時、積極、主動地調整和優化過程,在不斷改善中順利推進項目問題的解決。教師要扭轉學生過于重視結果而忽視過程的觀念,在教學伊始,就要讓學生明晰評價內容、評價方式和學習目標,用于指導、診斷、評價和反思整個項目實施過程,使學生更加關注科學原理,以數據為依據解決問題,培養學生的科學探究素養和工程設計思維。

四、結語

本文以核心素養的形成為目標,以項目式學習為依托,通過設計“揭秘蜂巢”案例,闡述了在教學中如何從關注知識轉變為關注思維,如何將知識驗證轉變為思維生成,如何將重知識的評價轉為重思維的評價,以期更好地培養學生的高階思維。