STEM教育中科學思維的培養探究

　　摘要：文章首先梳理了STEM教育與科學思維的關系，指出基于STEM教育培養科學思維有助于STEM知識創生、有利于提高問題解決能力、有益于實現STEM知識遷移。隨后，文章根據“思維五步法”和STEM教育的核心理念，設計了STEM教育中科學思維的培養策略，具體包括“創設情境、發現問題，觀察思考、確定問題，頭腦風暴、合理設想，協作探究、科學推理，檢驗結果、證實推測，檢視過程、深入反思”等六個步驟，并且需要教師全程進行指導。最后，文章以“如何制作美味的冰激凌”這一主題為例，對STEM教育中科學思維的培養策略進行了具體應用，并初步分析了其應用效果。STEM教育中科學思維培養策略的提出，可為我國中小學開設STEM課程、培養學生的科學思維提供理論參考，并有助于推動STEM教育的進一步發展。

　　關鍵詞：STEM教育;科學思維;“思維五步法”;培養策略

　　STEM教育的快速發展，引起了全社會的廣泛關注。STEM教育并不是科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)、數學(Mathematics)四門學科的簡單相加，而是強調多學科的交叉融合，綜合運用多學科知識和思維解決實際問題。但在實踐中，STEM教育的實施存在知識不關聯的問題，沒有真正體現其跨學科學習和運用多學科知識解決問題的核心思想;STEM課程的設計與實現也沒有將創新應用落到實處，沒有讓學生真正理解STEM教育在核心素養、跨學科融合方面對自己學習和生活帶來的變化與發展[1]。而科學思維是一種基于活動發展的思維方式，與STEM教育的開展具有契合點，并對STEM教育的進一步發展有促進作用。因此，本研究引入科學思維，以杜威的“思維五步法”為基礎，設計STEM教育中科學思維的培養策略并進行相關案例分析，以期為培養我國中小學生的科學思維提供借鑒。

　　一STEM教育與科學思維

　　1科學思維

　　科學思維是人腦有意識地對客觀事物的本質屬性和內在規律、客觀事物之間的必然聯系進行間接的、概括的和能動的反映[2]。科學思維強調將實證作為判斷的尺度、將邏輯作為論辯的武器、將懷疑作為審視的出發點[3]，是一種超越常識的思維方式。科學思維隱藏在實踐過程中，其內涵分析如下：①科學思維的發生以科學知識為基礎。科學知識是具有客觀性的知識，這類知識必須是可檢驗的、可證實的。如數學知識通過簡潔的數學公式和量化關系，揭示復雜現象背后蘊含的深刻性規律及其本質特征，給人們帶來了認知上的簡潔性和深刻性[4]。

　　②科學思維的發生需要緊密結合實踐活動。思維產生于人類在實踐活動中解決新問題、新挑戰的過程之中。疑難情境是激發思維的最佳環境，思維可以通過完成一系列有難度的任務促進思維的進一步發展，最終形成一種自然而然的思維定勢或習慣，成為個體的一種專業化能力。③科學思維的進一步升華需通過深入反思來實現。反思是知識建構的一種方式，同時也是將知識應用于具體學習情境的一個有效途徑。反思不僅是一個學生對觀念、思維和知識進行內部再認知的過程，更是一種學生對自己正在學習的內容和學習過程本身進行深入思考的能力[5]。

　　2科學思維是STEM教育的價值取向

　　STEM教育是一種跨學科的學習方式。跨學科學習是指讓學生面對實際生活中的具體問題，運用各學科相關知識尋找解決問題的辦法，進行任務驅動的學習[6]，旨在培養具有跨學科知識素養和問題解決能力的人才。STEM教育的獨特價值在于通過為學生提供接近真實、富有現實意義的教學情境，引導學生運用STEM知識解決真實世界的問題，幫助學生發展高階思維[7]。因此，STEM教育具有跨學科性且注重實踐的特點，強調讓學生在“做中學”，通過高投入的實踐探索，實現對知識的意義建構。從深層理解來看，STEM教育的實質是培養能力與思維。

　　現實生活中的問題復雜多樣，且蘊含多種類型的信息，故單純地依靠知識無法解決。在跨學科學習活動的設計和實施過程中，學生應學會運用理性思維去思考問題，學會獲取事實數據去說明問題、分析問題，從而能夠做出科學的解釋并解決問題。這個過程可以充分調動學生的高級思維，在運用多學科知識和探究、實踐、評價、解釋等方法解決問題時，學生的科學精神和問題解決能力將會得到一定的發展[8]。STEM教育提倡的教學情境，為科學思維的培養提供了良好的實踐環境;而在STEM教育中融入科學思維培養這一內容，可以使STEM教育的內涵更加豐富、教育品質得到進一步提升。總的來說，科學思維是STEM教育的價值指向，具體表現為：①基于STEM教育培養科學思維有助于STEM知識創生。

　　STEM教育主要從疑難情境中的問題出發，其暗含的知識往往比較復雜。科學思維的作用在于對學生原有知識系統內浮現的新知識進行選擇，在淘汰無用知識的同時，將累積的零散無序的新知識予以篩選、梳理、整合，從而形成有序的知識體系，以幫助學生更好地理解與運用。在思維活動的過程中，新知識與原有知識不斷融合，推動STEM知識體系更加完備、知識內容愈發充實、知識脈絡越加清晰。隨著學生對知識理解的不斷深化，個人的思考結果也會逐步轉化為知識。此時，學習不再是簡單的知識積累，而是一個新知識與傳統知識之間進行融合[9]、產生新知識的過程。

　　②基于STEM教育培養科學思維有利于提高問題解決能力。在問題解決的過程中，科學思維的作用在于將解惑過程中產生的一系列有益于個體自身發展的知識和思考情況通過總結內化為經驗。在任務環境下，當學生為解決某一問題繼續拓展自己的STEM知識體系時，其科學思維會得到相應的發展。在此過程中，學生的問題解決能力也會不斷得以提升，久而久之，當學生面對某種特定情形時，內心就會產生一種出于本能的、不假思索的應對方式[10]。隨著知識經驗的沉淀，這種方式會逐漸內化于心，最終固化為一種思維模式。

　　③基于STEM教育培養科學思維有益于實現STEM知識遷移。STEM知識遷移是指在學習和生活中，學生將掌握的STEM知識應用于不同的問題解決過程中。知識遷移能使新知識與原有知識之間產生聯系，從而能夠舉一反三、觸類旁通，達到學以致用的目的。懂得引發遷移的知識經驗對于實現STEM知識遷移尤為重要，原因在于學生可從原有知識經驗中發現解決新問題的類似知識經驗，從而自覺地將習得的知識經驗遷移至新情境，并反過來深化對原有知識經驗的認識。而科學思維這一“催化劑”能幫助學生對學到的知識進行深度加工并不斷重組自己的認知結構[11]，進一步推動STEM知識的遷移。

　　二STEM教育中科學思維的培養策略

　　“思維五步法”是美國教育家杜威的教學理論之一，認為思維的運轉一般包括創設疑難情境、確定疑難所在、提出解決疑難的假設、設計解決問題的方案、用行動檢驗假設[12]等五個步驟。本研究根據杜威的“思維五步法”和STEM教育的核心理念，設計了STEM教育中科學思維的培養策略。該培養策略旨在培養學生的科學思維，其具體步驟如下：創設情境、發現問題→觀察思考、確定問題→頭腦風暴、合理設想→協作探究、科學推理→檢驗結果、證實推測→檢視過程、深入反思，并且需要教師全程進行指導。

　　1創設情境，發現問題

　　思維起源于不確定的情境，培養思維應當提供恰當的問題情境。思維的第一步是創設疑難情境，讓學生感受到困難，去發現問題，以激發思維。為此，教師需要根據學生的原有知識經驗和實際教學條件，設計難度適中的問題情境，給學生搭建展示思維的平臺，將學生引入各教學環節之中。而學生需要根據教師的描述和指導，思考所面對的真實挑戰，聯系相關知識經驗，發現問題并進行初步思考。STEM教學情境是引發學生認知沖突的關鍵，問題就存在于這種沖突之中。因此，情境的創設應能夠引發認知沖突、激發思維，且整個學習過程應從真實生活中的問題出發，讓學生聯系身邊的實際生活，親身體驗問題解決的整個過程。

　　2觀察思考，確定問題

　　通過認真觀察，辨明問題究竟是什么、具有什么樣的性質，將直接影響后續思維活動——如果思維不能辨明、判定問題的性質，那么對于解決問題的假設和推理便容易隨意化。基于此，教師需要將學生的已有認知水平和實際生活經驗納入學習活動中，并以此為重點，引導學生科學觀察、謹慎思考，為解決問題提供事實性材料;學生需要遷移原有知識經驗，并用心觀察以確定困難的性質或問題的具體特征;STEM教學則需要在任務中融入有關培養科學思維的知識、能力，讓學生發現并整理出與解決問題相關聯的各學科知識，并以此為基礎，分析哪些是已知的信息，哪些是需要探究的新知識，從而確定問題的性質。

　　3頭腦風暴，合理設想

　　通過討論交流等形式讓學生打開思維，進行思維碰撞，以盡可能多地提出假設，并對提出的假設逐一進行質疑、檢驗，是解決問題的一種切實可行的方法。STEM課程學習一般為學生提供了足夠多的學習支持和多種類型的學習材料，便于學生根據實際的學習需要進行選擇和使用，從而不斷積累事實性材料，獲得進一步解決問題的證據。在此基礎上，教師需要引導學生利用事實性材料，以科學知識和科學理論為依據，初步提出問題解決的方案;而學生需要積極討論，發散思維，融合多學科知識與方法，從不同角度對問題進行深入分析和探索[13]，以盡可能多地提出假設。

　　4協作探究，科學推理

　　推理是對未知事物的探索，是根據已知事物深刻認識所要解決的問題本質，從而對問題解決做出科學的預見。在形成假設的過程中，學生的思維會出現較大的跳躍，提出的假設不一定合理。為此，教師應協助學生梳理思維過程，引導學生進一步分析問題，加深對問題本質的理解，以形成科學認識，做出合理判斷。學生則要與教師、學習同伴協作，共同探討、分析假設實施是否具有可操作性，通過科學推理去掉一些不合理的假設，初步制定問題解決方案。在此過程中，以任務為驅動的STEM教學能夠充分調動學生的積極性，鍛煉學生各方面的能力，促進學生科學思維的發展。

　　5檢驗結果，證實推測

　　檢驗是更進一步的思考，是形成嚴謹的實證精神和科學的求知態度的重要環節。學生需要針對初步制定的問題解決方案，創造相關條件進行實踐，以檢驗推測是否正確：如果推理結果正確，教師需要引導學生梳理思路、整理推理過程，以進一步升華科學思維;如果推理結果不正確，教師則需要引導學生找出問題之所在并相應調整問題解決方案，若有條件可以要求學生再次檢驗。在此過程中，教師需要鼓勵學生從多個角度展開碰撞與爭議，來促進科學探究能力的生成與發展[14]。與此同時，STEM教育環境為教學提供多元評價形式，并將其有技巧地融入學習過程之中，以幫助學生對思考的過程和結果進行準確判斷，促使師生更好地反思和改進。

　　6檢視過程，深入反思

　　STEM活動的開展注重學生的反思。通過反思，學生得以全面檢視自己的學習過程，了解自己的具體學習情況，發現自己的不足，從而有針對性地制定下一步的學習計劃。為促進學生反思，教師要根據實際教學情況，隨時捕捉反思點，引導學生將每一次經歷過的體驗、反思內化為思維活動的一部分。學生則要基于原有知識經驗，對將要開展的學習活動進行周密計劃，對整個學習活動過程進行有效調控，以發現存在的問題并進行科學探究[15]，從而深化對問題的理解、揭示問題的本質，進而促進知識的內化和遷移，不斷提升科學思維的水平。

　　綜上所述，科學思維的培養是一個循序漸進的過程：①環境的創設有助于學生發現問題、激發思維;②觀察思考后確定問題之所在，會推動思維的深入;③在確定問題的基礎上提出假設;④在假設的形成過程中學生的思維會出現較大的跳躍，故需要通過推理進一步梳理思維過程;⑤檢驗是對思維過程的進一步審視，是理解并掌握基本的科學原理和方法、形成嚴謹的實證精神和科學的求知態度的重要環節;⑥反思是提升科學思維水平的關鍵。值得注意的是，教師的指導應貫穿于學生科學思維培養的整個過程，并且以上幾個步驟并非固定不變，而應由教師根據實際的教學情況和學生對問題的具體反應情況予以靈活調整。

　　三STEM教育中科學思維培養的案例分析

　　1案例說明

　　本案例選自《基于課程標準的STEM教學設計：有趣有料有效的STEM跨學科培養教學方案》一書中“如何制作美味的冰激凌”這一主題[16]，融合了科學、化學、物理等學科的相關知識。本案例以徐州市某中學初中二年級的25名學生為研究對象，在STEM教室展開實驗。2目標任務實驗的主要目的是為冰激凌的凝固創造條件，了解和解釋其重要原料——鹽的基本性質及其發揮的作用。學生需要對觀察到的實驗結果進行描述，并聯系現實生活中的相關現象進行解釋，從而培養嚴謹的實證精神和科學的求知態度，鍛煉交流能力和表達能力。

　　3教學材料

　　教學材料包括一個小的、帶拉鏈的自封袋，容量約3.8升的拉鏈式自封袋，一茶匙糖，半杯牛奶，半茶匙香草精(或其它口味食用香精)，兩杯以上的冰塊，四湯匙猶太鹽，一個量杯(量液體用)，一把量匙，一個杯子或勺子(用于將冰舀到牛奶中)，若干紙巾。所有材料人手一份，同時建議教師盡量多準備一些教材材料，以應對實驗中的突發情況。

　　4研究對象

　　本案例的研究對象為初中二年級的學生，這個學段的學生精力充沛，好奇心強，喜歡嘗試，并已具備了一定的知識和能力，能夠在教師的指導下完成本次實驗。但這個學段的學生在思維上仍偏向于經驗型，需要教師充分了解學生的原有知識經驗，并將其納入學習活動之中，從而創設出適合學生認知水平的問題情境。

　　5探究過程

　　①創設情境，發現問題。在實驗開始前，先進行一個關于冰激凌的科學問答環節。該環節主要圍繞“制作冰激凌的原料是什么”這一問題展開討論，旨在引出“鹽”這一神秘原料，讓學生產生疑惑，激發學習動機。②觀察思考，確定問題。教師通過提問的方式，引導學生觀察冰激凌原料從液體變為固體的過程，從而提出問題：冰激凌究竟是怎樣凍住的?通過實際觀察和思考確定問題，可以使學生的思維更加科學，為其科學思維能力的提升奠定了基礎。③頭腦風暴，合理設想。教師組織學生進行頭腦風暴并提供需要的相關材料，鼓勵學生提出可能的解決方案。學生可能會考慮(但不限于)控制溫度，因為溫度在促使原料從液體變為固體的過程中一般扮演了重要的角色。方案的提出帶有一定的猜測性，并能反映出學生思維的跳躍性。

　　④協作探究，科學推理。教師預留足夠多的時間，讓學生至少進行兩輪實驗：在第一輪實驗，最好能實現一組學生實驗開始和另一組學生實驗結束的同步，以便于學生觀察、對比;在第二輪實驗，要求學生對冰激凌配方進行一些改動，并在實驗過程中記錄所有改動對冰激凌凝固產生的作用。同時，在實驗過程中要求學生互相協助，主動獲取事實性材料進行科學推理，從而為科學思維的進一步發展創造條件。⑤檢驗結果，證實推測。學生對比并展示在兩輪實驗中觀察到的結果，以獲得更多真實體驗。同時，通過檢驗進一步審視整個探究過程，梳理思路，總結經驗。

　　若發現存在問題，便及時著手進行探究。此環節是養成嚴謹的實證精神和科學的求知態度的關鍵。⑥檢視過程，深入反思。在實驗過程中教師要抓住反思點，如鹽的性質和作用。在實驗開始前的科學問答環節，學生已經對“鹽”這一原料產生了疑惑。而通過兩輪實驗，學生了解到鹽不僅能改變冰激凌的口味，而且能改變冰塊的凝固點，從而為制作冰激凌創造了條件。反思能夠幫助學生更深刻地理解、掌握與鹽有關的知識，并有助于學生激發思維、產生新想法，提升其科學思維能力。通過上述探究過程，學生對相關知識的理解與掌握進一步深化，嚴謹的實證精神和科學的求知態度得以培養，科學思維得到了鍛煉，表達能力、交流能力、動手能力等也得到了提升。

　　本研究通過課堂觀察、與學生訪談，發現在整個探究過程中約有80%的學生能夠針對實驗中存在的問題及時調整思路，結合自己的想法完善實驗方案，并能對實驗過程進行描述和解釋，這既是學生在知識、能力、思維等各方面取得進步的反映，也是學生學習、運用科學思維的體現;但是，也仍然有約20%的學生思維不夠活躍，實驗思路不夠清晰，不知道自己要做什么、如何去做。因此，教師應根據學生的原有知識經驗實施教學計劃，并在教學過程中不斷觀察學生的學習狀態，在探究過程中為不同學生提供有針對性的指導，激發學生的科學思維，確保學生都能有效參與探究過程。

　　四結語

　　基于杜威的“思維五步法”和STEM教育的核心理念，本研究設計了STEM教育中科學思維的培養策略，為學生創設了真實的學習情境，從激發思維到深化對問題的理解、多角度提出假設、設計問題解決方案，再到進一步的實踐檢驗和反思，充分滲透了科學思維培養的需要，且分步驟完成學習任務，具有較強的可操作性。值得注意的是，STEM教育中科學思維培養策略的實施對師生提出了較高的要求，如學生需要具備一定的能力素養和相關基礎知識，教師需要具備較高的STEM教學能力、能有效調控探究過程等。更重要的是，在教學實踐中教師應基于學生的原有知識經驗和具體學習情況，根據探究過程中的實驗反饋不斷改進教學策略，以更好地提升教學效果，培養學生的科學思維。

　　參考文獻

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　　教育論文投稿刊物：《中國電化教育》(China Educational Technology)雜志創刊于1980年，曾用刊名《電化教育》，由中華人民共和國教育部主管，中央電化教育館主辦，是我國教育技術領域創辦最早、影響最廣的兩個大型綜合性學術期刊之一。國內統一刊號：11-3792/G4，國際標準刊號：1006-9860。

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