有效培养学生科学思维能力

曾晓丽

《义务教育小学科学课程标准》中提出把培养学生的核心素养作为主要目标，代替以学科知识、技能为目标的传统评价体系。科学思维既是核心素养的重要组成部分，也是学生科学素养的关键组成。融合了科学、技术、工程和数学四门学科的STEM教育倡导跨学科思维的培养，旨在运用多学科知识和不同学习方式相融合的教学方式，使学生体会到学科之上的思维方式，包括因果思维、结构性思考、系统化思维、模式化解决、规模比例与数量思维等。STEM课程的评价标准将学科的核心理念与科学研究的内容或工程技术相结合，进而转化为学生的能力与素养的评定，并将培养或提升学生科学思维能力放在核心地位。STEM理念下的小学科学项目式学习是开展各类科学探究和工程实践的过程，也是低年段学生科学思维的形成和发展的有利途径。

低年段学生的思维能力的基础特点是：主要以直觀形象思维能力为主，抽象概括能力较差;自控能力较差，注意力不稳定，导致有效思维的时间短;模仿能力较强，但思维缺乏灵活变换，浅显不深入。因此，在小学阶段培养学生的科学思维能力，需要从以具体形象思维为主要形式逐步过渡到以抽象逻辑思维为主要形式，而抽象逻辑思维的建立与小学生的感性经验积累和动手操作实践感受有密切联系。另外，也需要注重学生日常经验事实的归纳和总结，开展科学探究过程的分析和推理，以及对科学事实和科学推理进行质疑和批判。

本文从小学科学STEM项目学习中确定任务、设计产品、制作产品、评估产品这四个环节对低年段学生科学思维能力的培养展开分析。

确定任务，激发学生的开放思维

STEM项目式学习的核心是学生开展合作式探究活动，倡导开放性的学习模式，以真实问题和建造产品为任务驱动，将学生现有理论基础与实际情景相结合。项目主题的导入和创设是学生知识构建和项目学习的基础。面对低年级的学生，STEM项目主题的设置应该充分考虑他们的知识积累、技能水平和情感态度。项目研究的背景应该贴近生活真实情境，创设的问题应该具备一定的指引性和开放性。

例如在一年级开展“给动物设计栖息地模型”活动时，教师要求学生设计的栖息地可以满足特定动物正常的生命活动需求，保证小动物能在模型中稳定生活一周以上。一年级的学生刚开始接触科学学习，缺乏学习科学的方法和习惯，科学模型的构建对激发学生科学学习兴趣，培养学生的自然观察能力，帮助学生养成科学思维有较大帮助。在项目之初，教师没有给学生设定具体的动物范围和模型选择，给予学生较大的选择空间。学生以小组为单位，可以围绕自己喜爱的或接触过的小动物展开讨论，衡量各类动物栖息地模型搭建的难易程度，再有针对性地选择研究主题。在确定项目的过程中，学生会经历一个头脑风暴的过程，充分调动他们的发散思维和开放性思维。

在开放式的学习氛围中，学生更愿意接受与自己不同的观点和想法，在交流中辩证思考自己的观点。开放性的项目命题还有利于促进学生思维的发散性和流畅性，在项目主题的头脑风暴中，学生尝试在尽可能短的时间内生成并表达出尽可能多的想法，呈现自己的思维成果，也可以较快地适应、消化同伴提出的看法和建议。学生的发散思维沿着不同的方面和方向扩散，表现出更丰富的多样性和多面性。避免个体学习具有的保守性和被动性，项目式团队协作的模式可以突破传统思维定式和狭隘眼界。

设计产品，培养学生的系统思维

设计项目产品是整个项目学习过程的核心组成部分，也是对学生学习能力和思维能力提升的重要环节。完成产品的设计需要学生具备一定的系统思维和逻辑思维，主要从整体性能、结构创意、综合实用等方面来考量设计的产品。STEM教育理念倡导学生运用设计思维开展项目学习，体现在产品上就是学生在分析工程任务、项目目标和现实可行性的基础上进行的综合设计，需要学生从多层次、多角度对设计产品进行综合思考，激发学生设计性思维和系统思维。这对刚接触科学项目学习不久的低年段学生来说具有较大难度，需要教师给予充分的引导和支持。

在活动中，低年级的学生初步调查了解该种动物的生活习性和栖息特性，掌握科学观察动物及其生活环境的方法，进而确定本组的目标动物，再完成为动物设计栖息地的任务。在设计之初，教师先为学生提供鸟巢模型作为参考，向学生介绍动物栖息地的基本组成部分，包括适宜的生存空间、安全的周围环境、合适的食物和活动空间等基本要素，模拟鸟类在鸟巢中的生活状态，并预设栖息地中可能存在的缺陷问题，启发学生进行更加全面和系统的思考。

在设计栖息地模型的过程中，一方面学生要把握好该动物生命活动所需基本生存空间这一原则性需求。学习小组要建立起动物的生存与栖息地间的密切联系，满足包括取食、活动空间、栖息范围和繁殖需求等一系列内容，从而在整体上把握栖息地的设计;另一方面，学生也需要灵活应对环境变化对动物及其栖息地所产生的影响这一动态变化。学习小组要意识到客观环境是动态变化的，环境的光照、土壤、温度、湿度、敌害等客观条件是相互联系、发展变化的有机整体，可能会对该动物生命活动产生一定的影响。学生将原则性与灵活性有机结合的思维过程便是对其系统思维的有效训练。

学生在进行产品设计过程中不断训练其系统思维，抓住产品设计的整体方向和关键因素，有计划地采取灵活有效的方法应对变动情况。学生在设计产品的过程中，可以把产品中相互联系的各个方面及其结构和功能进行系统认识，形成一种整体的思维观念。还要关注到各方面的密切联系，再从整体到局部深入分析，紧密把握各个局部细节的变化。

制作产品，训练学生的工程思维

项目式学习中总是以实际需求和建造产品为驱动，而实施过程是最直接体现任务中解决问题的过程。STEM理念鼓励学生在工程实践中创新性地解决问题，学生在实施具体的制造产品的活动中，可以培植学生的实践思维和构建性思维，能够达成培养工程思维的目标。对低年段学生而言，工程和技术的实施是STEM项目学习中最薄弱的环节，传统教学常以传授和演示为主，而STEM教育更强调动手操作能力和创造能力。

在这项活动中，各小组需要结合本组所绘制的栖息地设计图，从教师提供的实验材料中选取合适的材料，分阶段、分步骤地完成栖息地模型的搭建，使该作品能够发挥预先设定的某种动物的居住功能。制作过程需要解决多方面问题，包括小组成员分工、完成时间进度、制作先后步骤、所需材料特性和需要运用的技能等。在动手操作的过程中，学生经历了观察、分析、比较、概括、归纳、创新等一系列思维活动。

产品制作这一环节是STEM项目学习区别于一般科学活动教学的重要特征。项目实施遵循工程制作的一般流程，学生从项目开展初期学习了解的动物生命活动和习性等基础知识，运用理论知识实施栖息地制作前的设计。同时尝试了数学测量与简单计算等操作，对所选取的搭建材料进行裁剪和加工，为动物规划合理的休息区域和活动空间。学生在模型搭建过程中可能会面临一系列问题，当准备材料不足时，是寻找补充材料还是选择其他相似材料替换;当搭建的栖息地模型与设计图出现较大差异时，能否反思分析是哪些步骤出现了偏差;当小组分工不均衡导致配合效果较差时，组长与组员如何进行协调和处理。研究过程出现的许多临时性问题都能考验学生的思维灵敏度和逻辑缜密性。

工程制作的成果可以是设计的图纸，可以是实际操作的过程收获，也可以是制作完成的半成品或初步产品。本环节可以有效补充学生科学实验动手能力的训练，使学生建立起项目工程实施的初步认识，最重要的是学生在团队制作活动中动手操作能力和工程思维能力得到了提升。

评估产品，发展学生的批判思维

STEM课程所制作项目产品的检查评估环节也是开展科学学习成果的评价和学习过程的总结反思。STEM项目学习主导从课程标准的符合程度，产品制作的成果，学生在工程设计过程中思维能力的提升，团队协作效果和情感体验等方面开展评估。学生展示、评价、检测、改进的环节也是STEM项目式学习的关键步骤，学生展示出产品亮点的同时，也在自评与他评中反思产品的不足，培养学生的批判性思维。

模型的制作完成之后，各组学生轮流展示，并进行组内点评。各小组通过对比其他项目组的作品，从设计特点、材料选取、团队合作、模型科学性、展示环节等方面作出评价，帮助各小组客观全面地分析模型的优缺点，从而进一步改进和完善栖息地模型。在课后条件允许的情况下，各小组可以对栖息地模型进行测试，将小动物放置在其中生活一周时间，维持动物与栖息地处于相对稳定的平衡状态，观察和测试动物的生理活动情况是否正常，做好日常观察记录，再将真实的检测结果与预设效果相比对，实现综合性评价。

项目小组在展示和评估栖息地模型的搭建成果时，学生广泛地开展自评和他评，在评价中激发学生的变通思维，借助横向类比、知识转化、触类旁通等方法突破常规思维的界限。使学生能以更新颖的方法和视角思考问题，提出更有效的解决方案，对作品进行改进和完善，达到训练学生创新思维的目标，从而产生有实际意义的思维成果。在实际检测中观察模型的真实效果，在修正和完善模型的过程中增强项目产品质量，进一步加深学生思维的宽度。

教师的评价作用是不可替代的，教师参与了学生由选题、设计、制作与检测的完整过程，从指导者和观察者的角度，全面地分析项目开展的成效和存在的问题。低年段的学生容易坚持己见，不愿接纳他人的意见，教师需要引导他们在面对不同的意见时采取宽容的态度，不能全盘接受或否定，应批判性地分析他人的意见，审慎地做出判断，或暂不下判断，或修改已有判断，以真诚客观的态度去接受多种解决问题的方法，进而提升学生认知的成熟度，增强他们的批判性思维。

总  结

小学科学的STEM项目学习是基于真实问题解决的探究学习、基于工程设计的实践学习，强调发展学生的设计能力与问题解决能力，促进学生科学思维能力的发展。学生有大量的机会通过摸索、探究、决策来验证他们认为有创造性、能解决问题的方案，他们在解决问题的过程中通过犯错、分析失误、改进，使能力得到提升。让学生掌握知识与技能，进行灵活迁移应用、解决实际问题，重点培养学生的科学素养、创新思维和实践能力。

基于STEM理念开展的项目学习是一个学生亲身体验知识内容获取、技能掌握、技巧锻炼的过程。从探究内容的选择、项目产品的设计制作、产品检测评价等环节中，教师可从激发动机、引发认知冲突、改进技术、拓展延伸等方面调动学生的知识和技能储备，使学生的思维碰撞出火花，形成创意并付诸实践。低年段学生认识事物的过程是由低级到高级，由简单到复杂，由量变到质变的过程。所以，教师要根据学生掌握知识的规律对学生进行由浅入深的渗透和对学生逻辑思维进行由浅入深的训练。学生在低年级的科学学习中形成的探索、思考和创造能力将会对未来的成长打下坚实的基础，良好的科学思維能力和科学素养基础也将促使其更好地开展各类型学习活动和社会实践活动。