STEM非良構課程助力學生高階思維培養(yǎng)*

周迎春

STEM 非良構課程是學生通過團隊協(xié)作、分解任務、自主探究來解決問題的思維體操。這種游戲式的學習方式要求學生善用批判性思維，善于分析判斷問題解決過程中出現的各種問題，在目標任務達成的過程中提升其STEM 核心能力。“火星弧形運動小車”是由江蘇省中小學教學研究室主辦的江蘇省STEM 教育大會展示課例。筆者以為，該展示案例具有非良構課程的代表性，指向了對學生高階思維的培養(yǎng)。

一、喚醒好奇心，培育探索精神

“火星弧形運動小車”項目中，學生作為問題解決者，在從地球人到火星人的角色轉換中，面臨火星大氣環(huán)境、重力變化、資源匱乏等諸多變量因素，需要轉換思維方式，在新的維度空間解決問題。當學生戴上VR 眼鏡，通過虛擬現實技術登陸火星后，他們的好奇心引發(fā)的探索精神及認知需求會被瞬間激活。

比如在關于火星基地如何建設的課前討論交流中，有學生認為要保證氧氣與水的供應，并查閱到可以用薩巴捷反應制取甲烷與氧氣。有學生關心火星能源供應的來源，在太陽能、風能與核能的選擇里，率先排除核能的可能性，其比較一致的理由是火星人類可能就是由于遭受過核戰(zhàn)爭毀滅性的打擊。至于新火星人是否應該接受素食的問題，大部分學生認為應堅持素食，其理由是，作為人類肉食來源的動物消耗太多糧食，因此有學生認為可以通過基因工程提高可食性動物的生長效率或者制作仿真肉……

二、打破學科壁壘，培育工程思維

工程思維是人們在進行工程活動和工程研究過程中所形成的獨特的思維方式，是一種籌劃型的實體思維。工程思維是運用各種知識解決工程技術問題的核心，是人們物化創(chuàng)意改造世界的一種重要素養(yǎng)，而這種素養(yǎng)的提升是需要在實踐中通過個體的親身體驗來完成的。工程是目前STEM 教育的大整合模塊中的重要組成部分。然而，工程思維能力卻是我國學生的一個短板，亟須引起重視。STEM 項目的問題域、問題解決路徑等恰好為學生工程思維培養(yǎng)提供了新思路。

“火星弧形運動小車”是一個非常好的思維訓練項目。弧形長度的計算、對應輪子圈數的計算所涉及的數學邏輯思維，以及輪子的安裝及調試中的諸多問題情境，為學生工程思維、實驗思維等高階思維的培養(yǎng)提供了良好的載體。完成一項工程的過程漫長而復雜，在工程設計實施的過程中，不可避免會跨越多個學科。比如，當個體數學知識儲備不夠用時，需要有針對性地補充數學知識；當數學知識與實際問題的解決存在知識技能短板時，需要更多學科知識的介入。學生通過跨學科學習，創(chuàng)建更多的鏈接，規(guī)劃擬定實驗方案，最后通過反復實驗驗證方案的可行性并進行必要的修正完善。

三、多元滲透，培養(yǎng)發(fā)散思維

“火星弧形運動小車”項目的非良構性會導致問題解決路徑的去標準化。問題本身需要條件限定，比如啟動電源僅能推動弧形小車進入斜坡及進行輪子更換，但是否可以讓火星基地派出救援車載回？火星車的設計是否應該準備備用電源？如果太陽能電池由于沙塵暴的影響減少輻射能的吸收，是否應該增加除沙裝置？如果同位素電池足夠穩(wěn)定，火星車是否應該迭代升級以增加載重、穩(wěn)定性及其他功能？“火星弧形運動小車”讓學生沉浸于有價值的諸多困境，鏈接多學科知識技能擬定并實施創(chuàng)新性解決方案，自然也滲透了創(chuàng)新思維的養(yǎng)成。

四、鼓勵質疑，培養(yǎng)批判性思維

在方案的制訂過程中，學生對弧形方案本身提出疑問：難道火星車預感到自己會有此一難，而特意準備好了如此準確的小輪？火星上的斜坡即使也存在非平滑規(guī)則，那么小車在下滑過程中是否會導致路線偏離？弧形小車到達斜坡及更換一側輪子是需要能源供給，還是可以計算一下讓其走兩段直線，最后折返火星基地？由于可以提前植入程序或者進行地面實時控制，是否可以提高任務完成的可能性？面對上述問題，以及對于教師預定方案都持否定態(tài)度的學生，都需要教師組織引領一場課堂答辯來打消疑慮，大家可以各抒己見。當質疑發(fā)生時，意味著學生開始獨立思考；當爭論到面紅耳赤時，則意味著正反雙方批判性思維培養(yǎng)的絕佳窗口的到來。

學習是培養(yǎng)自我能力的有意義的經歷，而智慧是穿過事物之表象獲取內在本質的能力。智慧無法傳授，須在個體解決問題的過程中體驗，感悟生成進一步的思考。基于“火星弧形運動小車”項目可進一步做出項目化、單元化的設計，比如可以衍生“火星能源基地建設”“火星蔬菜培育”“火星交通樞紐”“火星地球航站建設”“火星沙塵暴防治”“火星新移民進化研究”“火星飛船發(fā)射時機探究”等。讓學生置身于一個跨越學科和時空界限的虛擬現實情境中進行實踐研究，不僅能激發(fā)其探索宇宙奧秘的好奇心，還能使他們觸發(fā)更多的奇思妙想。