培植思维：STEM教育的应有价值和品质诉求

STEM 是科学（Science），技术（Technology），工程（Engineering），数学（Mathematics）四门学科英文首字母的缩写，它注重对学生科学素养、技术素养、工程素养和数学素养四个方面的教育。STEM项目学习在基础教育界广受推崇，并形成了如火如荼的理论研究和改革热潮。但从STEM的具体实施和操作上看还很不成熟，甚至在理解和认知上还存在很多偏差和错误。有的将STEM等同于以往的劳技课，着眼点仅聚焦在“做”上，有的将STEM看成是科学、技术、工程和数学的简单拼盘，只注重项目的制作和完成，还有的直接移植国外的STEM项目和内容，不能够很好地照顾国内本土学生的生活资源和发展需求。这些认识和实践上的偏差与错误，致使STEM教育背离了原有的初衷和要求，不能很好地发挥STEM的创新价值和功效。其实，STEM的核心理念是培养创新人才，STEM教育就是一种创新学习和实践活动，这种创新学习不是简单地将科学、技术、工程和数学等学科进行杂糅和叠加，而是尽可能地从不同学科的视角，去发现问题、解决问题。要培养这种不同的创新视角和思考能力，就必须首先立足于学生的认知结构和思维发展，并从学生的潜能开发和思维培植入手来进行STEM教育的整体设计。从这个意义上讲，STEM教育就是聚焦学生的“思维发展”，并通过综合性项目的学习和研究，较好地培养学生的思维品质，使学生具有思维的创新性和实践的创造性。本文试以“水果电池”这一STEM项目的教学为例，从小学阶段亟须培养和训练的五大思维体系入手，谈谈STEM项目在培植和发展学生思维能力方面的创新实践和应用。

一、复制——创新思维

复制和创新是学生学习的必经路径，也是STEM教育在思维训练上的基本要素和构成。学生的学习总是从复制和仿效开始的，然后才有可能慢慢过渡到创新和应用。在进行“水果电池”项目研究时教师可以完全放手让学生自己来组装一个“水果电路”（启发学生回想已学过对干电池电路的组装），这样一来，学生对“水果电路”的组装就是对原来所学组装干电池电路的模仿，即将铜片和锌片插进水果两端当作电池的正负两极，并用导线将这正负两极连接到用电器上（小灯泡）。在学生反复实验并能够熟练操作和组装水果电路时，教师可以通过“你能增大小灯泡的亮度吗？”这一问题，引发学生创新实验和研究。比如可以将两个或两个以上的水果电池串联起来，可以换水分更多的水果，可以尝试不同品种的水果等等。这些都是培养学生创新思维和实践能力的有利时机，需要教师精心设计这样的学习情境和问题来激发学生的创新意识和潜能。

二、形象——抽象思维

STEM项目学习都是以形象可感的实物为操作和体验对象，形象性是STEM教育的第一属性，也是引发学生认知兴趣的动力所在。但STEM的思维内涵和价值追求是物质的抽象性，形象是认知的载体，抽象则是学习的本质。比如“水果电池”项目研究中，学生能够组装一个“水果电路”点亮小灯泡，这是很形象的感知和学习，这种形象思维的形成能够让学生很容易理解“水果电路”的结构和组成，也能够很容易设计出一个简单的“水果电路”。这时，如果教师提问学生：“让电路中小灯泡的亮度增大一倍，你该怎么办呢？”或者问：“将这个电路再联结一只小灯泡，亮度会有变化吗？有什么样变化？”这样一来，学生就会顺着教师的问题进行思考，这种思考不一定用实验和操作来验证，完全可以进行逻辑推理和思维演绎，通过这种逻辑推理和思维演绎，学生就会很容易推导出“若让小灯泡亮度增大一倍，就要串联两个这样的水果电池”，理由是“使小灯泡亮度增大一倍，就要增大一倍电压”“若要再连接一只小灯泡，小灯泡的亮度就会减小一半”，理由是“多联结一只小灯泡，电流强度就减小一半”。这些逻辑推理和数字演算就是一种抽象思维，需要在STEM项目中进行有效渗透和培植。

三、线性——立体思维

线性思维也叫孤立思维或单线思维，其主要特点就是以事论事，依因推果，由果归因。线性思维是一种有深度的推理和探究，它能够使认知变得深刻。但其缺点就是缺乏事物认知的整体性和全局观，常使学习与认知走向狭隘。相反，立体思维就能够很好地克服这个缺点，使认知具有普遍联系性和全局性，能够全面衡量和判断事物，并做出正确的处理意见。在具体的学习和生活中，学生既需要有深度的线性思维，也需要有掌控全局的立体思维。比如在“水果电池”项目学习中，当学生能够熟练组装水果电路，并能够连亮小灯泡时，可以试着让学生做这样几个探索性实验：“怎样让两只小灯泡同时发光？怎样让两只小灯泡同时不发光？”“怎样让一只小灯泡发光，另一只小灯泡不发光？”“怎样增强两只小灯亮亮度？”“怎样减小两只小灯泡亮度？”等，这样一来，学生就要将水果电池变化、灯泡变化、开关控制、线路连接等诸多方面一并进行考虑，这种对事物变化进行关联性的操作和把控就是立体思维，它也是发现和解决问题的系统性思维，这种思维在STEM项目学习上显得尤为重要。

四、逆向——定向思维

定向思维就是指向同一个标准和要求的思维，也就是将思维和认知锁定在事物的同一特点和表现形态上，此外，没有其他的关注视角和认知路径。逆向思维，则是指思维的逆向性，也就是将事物的认知从原来的方向中折转过来，反向思考问题的症结和因果关系。在具体的学习上，学生需要定向思维，这能够训练学生思维的专注力和缜密性，保证思维的针对性和准确性。但同时，也需要逆向思维，通过反向思维和逆向追踪，寻求事物认知的新突破和新发展。比如“水果电池”项目研究，学生在串联电池的组装上，就是一个定向思维在指导操作，也就是铜片和锌片作为电池两端的正负两极，要将电池串联起来就要将电池正负两极顺次连接，不得有相同两极相连或出现混乱现象。但这个规定对于学生来说是很难理解的，教学时不妨让学生在逆向思维下，即铜片和铜片连接，锌片和锌片连接。这样一来，教师不需讲解，学生便会在连接失败中（没有电流）琢磨其中的原因，并自我修正。另外，在组装“水果电池”时，学生有定向思维，即都是用苹果、橘子、柠檬等水果来做原料。如果教师提出“为什么这些水果都能做成电池呢？”这样一个问题，学生就会反思（逆向思维）：水果一定是通过水果里面的汁水导电的。于是，就会很自然地想到用水果汁也可以做成电池。STEM项目学习中，若在定向思维的同时多一些逆向的反思和推断，必然能够追根溯源多一些本质的探讨和发现。

五、发散——聚合思维

发散思维是一种多元和多角度透视问题的表现，也是创新思维的核心品质。聚合思维则是将发散思维过程中形成的理解和认识进行有机统整，以形成解决和处理问题的有效办法和力量。也就是说，发散思维是聚合思维的基础，没有发散就没有聚合。同时，聚合思维又是发散思维的目的和根本，发散思维的主要作用和价值就在于能够形成具有一定能量的聚合思维。比如“水果电池”项目研究中，首先需要鼓励学生发散可做原料的各种水果：苹果、橘子、柠檬、香蕉、西红柿……进而让学生想到“果汁”。接下来，在学生能够理解和应用水果电池后，可以训练和发展学生的聚合思维：你能想办法制作一个2.5V电压的水果电池吗？（电压相对较高）很明显，“2.5V电压水果电池”就是一个聚合性问题，也就是说，不管学生想什么样的办法，只要能够达成这个水果电压的目标就行。这里，只要教师启发，学生就很容易想到并尝试“榨出水果汁做研究”“串联水果电池做研究”“增大插入水果里的铜片和锌片面积做研究”“换用水分多的水果做研究”等，但不论是哪一种实验和研究，都是指向能够“做出2.5V电压”目标，这种实验和研究的过程就是一种聚合思维，也是一种基于发散思维基础上的创新实践和探索。

总之，STEM教育的根本在于培养创新能力，而创新的基础必然是思维。培植和发展思维理应成为STEM教育的品质诉求和关键所在，亟须在思想和观念上深化对STEM教育的理解和应用。