STEM教育中科学思维的培养探究

　　摘要：文章首先梳理了STEM教育与科学思维的关系，指出基于STEM教育培养科学思维有助于STEM知识创生、有利于提高问题解决能力、有益于实现STEM知识迁移。随后，文章根据“思维五步法”和STEM教育的核心理念，设计了STEM教育中科学思维的培养策略，具体包括“创设情境、发现问题，观察思考、确定问题，头脑风暴、合理设想，协作探究、科学推理，检验结果、证实推测，检视过程、深入反思”等六个步骤，并且需要教师全程进行指导。最后，文章以“如何制作美味的冰激凌”这一主题为例，对STEM教育中科学思维的培养策略进行了具体应用，并初步分析了其应用效果。STEM教育中科学思维培养策略的提出，可为我国中小学开设STEM课程、培养学生的科学思维提供理论参考，并有助于推动STEM教育的进一步发展。

　　关键词：STEM教育;科学思维;“思维五步法”;培养策略

　　STEM教育的快速发展，引起了全社会的广泛关注。STEM教育并不是科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、数学(Mathematics)四门学科的简单相加，而是强调多学科的交叉融合，综合运用多学科知识和思维解决实际问题。但在实践中，STEM教育的实施存在知识不关联的问题，没有真正体现其跨学科学习和运用多学科知识解决问题的核心思想;STEM课程的设计与实现也没有将创新应用落到实处，没有让学生真正理解STEM教育在核心素养、跨学科融合方面对自己学习和生活带来的变化与发展[1]。而科学思维是一种基于活动发展的思维方式，与STEM教育的开展具有契合点，并对STEM教育的进一步发展有促进作用。因此，本研究引入科学思维，以杜威的“思维五步法”为基础，设计STEM教育中科学思维的培养策略并进行相关案例分析，以期为培养我国中小学生的科学思维提供借鉴。

　　一STEM教育与科学思维

　　1科学思维

　　科学思维是人脑有意识地对客观事物的本质属性和内在规律、客观事物之间的必然联系进行间接的、概括的和能动的反映[2]。科学思维强调将实证作为判断的尺度、将逻辑作为论辩的武器、将怀疑作为审视的出发点[3]，是一种超越常识的思维方式。科学思维隐藏在实践过程中，其内涵分析如下：①科学思维的发生以科学知识为基础。科学知识是具有客观性的知识，这类知识必须是可检验的、可证实的。如数学知识通过简洁的数学公式和量化关系，揭示复杂现象背后蕴含的深刻性规律及其本质特征，给人们带来了认知上的简洁性和深刻性[4]。

　　②科学思维的发生需要紧密结合实践活动。思维产生于人类在实践活动中解决新问题、新挑战的过程之中。疑难情境是激发思维的最佳环境，思维可以通过完成一系列有难度的任务促进思维的进一步发展，最终形成一种自然而然的思维定势或习惯，成为个体的一种专业化能力。③科学思维的进一步升华需通过深入反思来实现。反思是知识建构的一种方式，同时也是将知识应用于具体学习情境的一个有效途径。反思不仅是一个学生对观念、思维和知识进行内部再认知的过程，更是一种学生对自己正在学习的内容和学习过程本身进行深入思考的能力[5]。

　　2科学思维是STEM教育的价值取向

　　STEM教育是一种跨学科的学习方式。跨学科学习是指让学生面对实际生活中的具体问题，运用各学科相关知识寻找解决问题的办法，进行任务驱动的学习[6]，旨在培养具有跨学科知识素养和问题解决能力的人才。STEM教育的独特价值在于通过为学生提供接近真实、富有现实意义的教学情境，引导学生运用STEM知识解决真实世界的问题，帮助学生发展高阶思维[7]。因此，STEM教育具有跨学科性且注重实践的特点，强调让学生在“做中学”，通过高投入的实践探索，实现对知识的意义建构。从深层理解来看，STEM教育的实质是培养能力与思维。

　　现实生活中的问题复杂多样，且蕴含多种类型的信息，故单纯地依靠知识无法解决。在跨学科学习活动的设计和实施过程中，学生应学会运用理性思维去思考问题，学会获取事实数据去说明问题、分析问题，从而能够做出科学的解释并解决问题。这个过程可以充分调动学生的高级思维，在运用多学科知识和探究、实践、评价、解释等方法解决问题时，学生的科学精神和问题解决能力将会得到一定的发展[8]。STEM教育提倡的教学情境，为科学思维的培养提供了良好的实践环境;而在STEM教育中融入科学思维培养这一内容，可以使STEM教育的内涵更加丰富、教育品质得到进一步提升。总的来说，科学思维是STEM教育的价值指向，具体表现为：①基于STEM教育培养科学思维有助于STEM知识创生。

　　STEM教育主要从疑难情境中的问题出发，其暗含的知识往往比较复杂。科学思维的作用在于对学生原有知识系统内浮现的新知识进行选择，在淘汰无用知识的同时，将累积的零散无序的新知识予以筛选、梳理、整合，从而形成有序的知识体系，以帮助学生更好地理解与运用。在思维活动的过程中，新知识与原有知识不断融合，推动STEM知识体系更加完备、知识内容愈发充实、知识脉络越加清晰。随着学生对知识理解的不断深化，个人的思考结果也会逐步转化为知识。此时，学习不再是简单的知识积累，而是一个新知识与传统知识之间进行融合[9]、产生新知识的过程。

　　②基于STEM教育培养科学思维有利于提高问题解决能力。在问题解决的过程中，科学思维的作用在于将解惑过程中产生的一系列有益于个体自身发展的知识和思考情况通过总结内化为经验。在任务环境下，当学生为解决某一问题继续拓展自己的STEM知识体系时，其科学思维会得到相应的发展。在此过程中，学生的问题解决能力也会不断得以提升，久而久之，当学生面对某种特定情形时，内心就会产生一种出于本能的、不假思索的应对方式[10]。随着知识经验的沉淀，这种方式会逐渐内化于心，最终固化为一种思维模式。

　　③基于STEM教育培养科学思维有益于实现STEM知识迁移。STEM知识迁移是指在学习和生活中，学生将掌握的STEM知识应用于不同的问题解决过程中。知识迁移能使新知识与原有知识之间产生联系，从而能够举一反三、触类旁通，达到学以致用的目的。懂得引发迁移的知识经验对于实现STEM知识迁移尤为重要，原因在于学生可从原有知识经验中发现解决新问题的类似知识经验，从而自觉地将习得的知识经验迁移至新情境，并反过来深化对原有知识经验的认识。而科学思维这一“催化剂”能帮助学生对学到的知识进行深度加工并不断重组自己的认知结构[11]，进一步推动STEM知识的迁移。

　　二STEM教育中科学思维的培养策略

　　“思维五步法”是美国教育家杜威的教学理论之一，认为思维的运转一般包括创设疑难情境、确定疑难所在、提出解决疑难的假设、设计解决问题的方案、用行动检验假设[12]等五个步骤。本研究根据杜威的“思维五步法”和STEM教育的核心理念，设计了STEM教育中科学思维的培养策略。该培养策略旨在培养学生的科学思维，其具体步骤如下：创设情境、发现问题→观察思考、确定问题→头脑风暴、合理设想→协作探究、科学推理→检验结果、证实推测→检视过程、深入反思，并且需要教师全程进行指导。

　　1创设情境，发现问题

　　思维起源于不确定的情境，培养思维应当提供恰当的问题情境。思维的第一步是创设疑难情境，让学生感受到困难，去发现问题，以激发思维。为此，教师需要根据学生的原有知识经验和实际教学条件，设计难度适中的问题情境，给学生搭建展示思维的平台，将学生引入各教学环节之中。而学生需要根据教师的描述和指导，思考所面对的真实挑战，联系相关知识经验，发现问题并进行初步思考。STEM教学情境是引发学生认知冲突的关键，问题就存在于这种冲突之中。因此，情境的创设应能够引发认知冲突、激发思维，且整个学习过程应从真实生活中的问题出发，让学生联系身边的实际生活，亲身体验问题解决的整个过程。

　　2观察思考，确定问题

　　通过认真观察，辨明问题究竟是什么、具有什么样的性质，将直接影响后续思维活动——如果思维不能辨明、判定问题的性质，那么对于解决问题的假设和推理便容易随意化。基于此，教师需要将学生的已有认知水平和实际生活经验纳入学习活动中，并以此为重点，引导学生科学观察、谨慎思考，为解决问题提供事实性材料;学生需要迁移原有知识经验，并用心观察以确定困难的性质或问题的具体特征;STEM教学则需要在任务中融入有关培养科学思维的知识、能力，让学生发现并整理出与解决问题相关联的各学科知识，并以此为基础，分析哪些是已知的信息，哪些是需要探究的新知识，从而确定问题的性质。

　　3头脑风暴，合理设想

　　通过讨论交流等形式让学生打开思维，进行思维碰撞，以尽可能多地提出假设，并对提出的假设逐一进行质疑、检验，是解决问题的一种切实可行的方法。STEM课程学习一般为学生提供了足够多的学习支持和多种类型的学习材料，便于学生根据实际的学习需要进行选择和使用，从而不断积累事实性材料，获得进一步解决问题的证据。在此基础上，教师需要引导学生利用事实性材料，以科学知识和科学理论为依据，初步提出问题解决的方案;而学生需要积极讨论，发散思维，融合多学科知识与方法，从不同角度对问题进行深入分析和探索[13]，以尽可能多地提出假设。

　　4协作探究，科学推理

　　推理是对未知事物的探索，是根据已知事物深刻认识所要解决的问题本质，从而对问题解决做出科学的预见。在形成假设的过程中，学生的思维会出现较大的跳跃，提出的假设不一定合理。为此，教师应协助学生梳理思维过程，引导学生进一步分析问题，加深对问题本质的理解，以形成科学认识，做出合理判断。学生则要与教师、学习同伴协作，共同探讨、分析假设实施是否具有可操作性，通过科学推理去掉一些不合理的假设，初步制定问题解决方案。在此过程中，以任务为驱动的STEM教学能够充分调动学生的积极性，锻炼学生各方面的能力，促进学生科学思维的发展。

　　5检验结果，证实推测

　　检验是更进一步的思考，是形成严谨的实证精神和科学的求知态度的重要环节。学生需要针对初步制定的问题解决方案，创造相关条件进行实践，以检验推测是否正确：如果推理结果正确，教师需要引导学生梳理思路、整理推理过程，以进一步升华科学思维;如果推理结果不正确，教师则需要引导学生找出问题之所在并相应调整问题解决方案，若有条件可以要求学生再次检验。在此过程中，教师需要鼓励学生从多个角度展开碰撞与争议，来促进科学探究能力的生成与发展[14]。与此同时，STEM教育环境为教学提供多元评价形式，并将其有技巧地融入学习过程之中，以帮助学生对思考的过程和结果进行准确判断，促使师生更好地反思和改进。

　　6检视过程，深入反思

　　STEM活动的开展注重学生的反思。通过反思，学生得以全面检视自己的学习过程，了解自己的具体学习情况，发现自己的不足，从而有针对性地制定下一步的学习计划。为促进学生反思，教师要根据实际教学情况，随时捕捉反思点，引导学生将每一次经历过的体验、反思内化为思维活动的一部分。学生则要基于原有知识经验，对将要开展的学习活动进行周密计划，对整个学习活动过程进行有效调控，以发现存在的问题并进行科学探究[15]，从而深化对问题的理解、揭示问题的本质，进而促进知识的内化和迁移，不断提升科学思维的水平。

　　综上所述，科学思维的培养是一个循序渐进的过程：①环境的创设有助于学生发现问题、激发思维;②观察思考后确定问题之所在，会推动思维的深入;③在确定问题的基础上提出假设;④在假设的形成过程中学生的思维会出现较大的跳跃，故需要通过推理进一步梳理思维过程;⑤检验是对思维过程的进一步审视，是理解并掌握基本的科学原理和方法、形成严谨的实证精神和科学的求知态度的重要环节;⑥反思是提升科学思维水平的关键。值得注意的是，教师的指导应贯穿于学生科学思维培养的整个过程，并且以上几个步骤并非固定不变，而应由教师根据实际的教学情况和学生对问题的具体反应情况予以灵活调整。

　　三STEM教育中科学思维培养的案例分析

　　1案例说明

　　本案例选自《基于课程标准的STEM教学设计：有趣有料有效的STEM跨学科培养教学方案》一书中“如何制作美味的冰激凌”这一主题[16]，融合了科学、化学、物理等学科的相关知识。本案例以徐州市某中学初中二年级的25名学生为研究对象，在STEM教室展开实验。2目标任务实验的主要目的是为冰激凌的凝固创造条件，了解和解释其重要原料——盐的基本性质及其发挥的作用。学生需要对观察到的实验结果进行描述，并联系现实生活中的相关现象进行解释，从而培养严谨的实证精神和科学的求知态度，锻炼交流能力和表达能力。

　　3教学材料

　　教学材料包括一个小的、带拉链的自封袋，容量约3.8升的拉链式自封袋，一茶匙糖，半杯牛奶，半茶匙香草精(或其它口味食用香精)，两杯以上的冰块，四汤匙犹太盐，一个量杯(量液体用)，一把量匙，一个杯子或勺子(用于将冰舀到牛奶中)，若干纸巾。所有材料人手一份，同时建议教师尽量多准备一些教材材料，以应对实验中的突发情况。

　　4研究对象

　　本案例的研究对象为初中二年级的学生，这个学段的学生精力充沛，好奇心强，喜欢尝试，并已具备了一定的知识和能力，能够在教师的指导下完成本次实验。但这个学段的学生在思维上仍偏向于经验型，需要教师充分了解学生的原有知识经验，并将其纳入学习活动之中，从而创设出适合学生认知水平的问题情境。

　　5探究过程

　　①创设情境，发现问题。在实验开始前，先进行一个关于冰激凌的科学问答环节。该环节主要围绕“制作冰激凌的原料是什么”这一问题展开讨论，旨在引出“盐”这一神秘原料，让学生产生疑惑，激发学习动机。②观察思考，确定问题。教师通过提问的方式，引导学生观察冰激凌原料从液体变为固体的过程，从而提出问题：冰激凌究竟是怎样冻住的?通过实际观察和思考确定问题，可以使学生的思维更加科学，为其科学思维能力的提升奠定了基础。③头脑风暴，合理设想。教师组织学生进行头脑风暴并提供需要的相关材料，鼓励学生提出可能的解决方案。学生可能会考虑(但不限于)控制温度，因为温度在促使原料从液体变为固体的过程中一般扮演了重要的角色。方案的提出带有一定的猜测性，并能反映出学生思维的跳跃性。

　　④协作探究，科学推理。教师预留足够多的时间，让学生至少进行两轮实验：在第一轮实验，最好能实现一组学生实验开始和另一组学生实验结束的同步，以便于学生观察、对比;在第二轮实验，要求学生对冰激凌配方进行一些改动，并在实验过程中记录所有改动对冰激凌凝固产生的作用。同时，在实验过程中要求学生互相协助，主动获取事实性材料进行科学推理，从而为科学思维的进一步发展创造条件。⑤检验结果，证实推测。学生对比并展示在两轮实验中观察到的结果，以获得更多真实体验。同时，通过检验进一步审视整个探究过程，梳理思路，总结经验。

　　若发现存在问题，便及时着手进行探究。此环节是养成严谨的实证精神和科学的求知态度的关键。⑥检视过程，深入反思。在实验过程中教师要抓住反思点，如盐的性质和作用。在实验开始前的科学问答环节，学生已经对“盐”这一原料产生了疑惑。而通过两轮实验，学生了解到盐不仅能改变冰激凌的口味，而且能改变冰块的凝固点，从而为制作冰激凌创造了条件。反思能够帮助学生更深刻地理解、掌握与盐有关的知识，并有助于学生激发思维、产生新想法，提升其科学思维能力。通过上述探究过程，学生对相关知识的理解与掌握进一步深化，严谨的实证精神和科学的求知态度得以培养，科学思维得到了锻炼，表达能力、交流能力、动手能力等也得到了提升。

　　本研究通过课堂观察、与学生访谈，发现在整个探究过程中约有80%的学生能够针对实验中存在的问题及时调整思路，结合自己的想法完善实验方案，并能对实验过程进行描述和解释，这既是学生在知识、能力、思维等各方面取得进步的反映，也是学生学习、运用科学思维的体现;但是，也仍然有约20%的学生思维不够活跃，实验思路不够清晰，不知道自己要做什么、如何去做。因此，教师应根据学生的原有知识经验实施教学计划，并在教学过程中不断观察学生的学习状态，在探究过程中为不同学生提供有针对性的指导，激发学生的科学思维，确保学生都能有效参与探究过程。

　　四结语

　　基于杜威的“思维五步法”和STEM教育的核心理念，本研究设计了STEM教育中科学思维的培养策略，为学生创设了真实的学习情境，从激发思维到深化对问题的理解、多角度提出假设、设计问题解决方案，再到进一步的实践检验和反思，充分渗透了科学思维培养的需要，且分步骤完成学习任务，具有较强的可操作性。值得注意的是，STEM教育中科学思维培养策略的实施对师生提出了较高的要求，如学生需要具备一定的能力素养和相关基础知识，教师需要具备较高的STEM教学能力、能有效调控探究过程等。更重要的是，在教学实践中教师应基于学生的原有知识经验和具体学习情况，根据探究过程中的实验反馈不断改进教学策略，以更好地提升教学效果，培养学生的科学思维。

　　参考文献

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　　[2]胡卫平,林崇德.青少年的科学思维能力研究[J].教育研究,2003,(12):19-23.

　　[3](美)国家研究理事会著.戢守志,金庆和,梁静敏,等译.美国国家科学教育标准[M].北京:科学技术文献出版社,1999:6.

　　[4]魏建国.数学思维与近代西方法制形式理性化[J].社会科学研究,2006,(4):99-104.

　　[5]李运福,傅钢善.网络学习中反思性学习及模型研究[J].现代教育技术,2012,(2):99-102.

　　教育论文投稿刊物：《中国电化教育》(China Educational Technology)杂志创刊于1980年，曾用刊名《电化教育》，由中华人民共和国教育部主管，中央电化教育馆主办，是我国教育技术领域创办最早、影响最广的两个大型综合性学术期刊之一。国内统一刊号：11-3792/G4，国际标准刊号：1006-9860。

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