高阶思维流程图在初中科学深度学习中的应用研究

□裘志平

（杭州银湖实验中学，浙江杭州311400）

一、价值意义

布卢姆将思维过程具体化为六个教学目标：记忆、理解、应用、分析、评价、创造。其中分析、评价和创造被认为是高阶思维，是发生在较高认知水平层次上的心智活动或认知能力，其核心是创造性思维和批判性思维。高阶思维流程图是学习者在对解决问题或认识事物的过程进行反思提炼的基础上，通过分析、评价或创造等高阶思维方法形成有效解决策略和认识思路的一种图文表达系统。它和思维导图具有较大差异，具体区别见表1。

由表1可见，思维导图通过可视的图像化记忆可以加快记忆速度，但无法加深对知识的理解，故并不适用于理科教学，尤其是理科的深度学习。科学知识的表现形式包含科学事实、概念、原理、规律、模型和理论，具有高度的抽象性和严密性，而高阶思维流程图呈现的严密逻辑正契合了科学学科的知识特点和思维方法，有助于推进科学学科的深度学习。

表1 高阶思维流程图和思维导图的比较

二、应用原理

深度学习让学生的成长从提高“解题的能力”转向提高“解决问题的能力”，具体知识作为解决问题的工具被探索、被发现的过程，就是实现深度学习的过程[1]100。实现这样的深度学习，必须抓住“学习过程中的思维外显”这一关键策略。在以学生发展为中心的深度学习过程中，面对各种复杂问题，强调思路方法的建构、打破和重构，是提升学习力的有效措施。这需要关注学习的过程，特别是思路方法的形成过程。所以让学习过程中内隐的思维显性化，是实现深度学习的一个重要策略[1]103。而高阶思维流程图就是高阶思维方法的一种图文表达系统，正是思维过程显性化的有效载体。在绘制高阶思维流程图的过程中，可以帮助学生厘清思路、提炼方法、构建问题解决的基本模型，增大学生的思维容量，进而促进分析、评价和创造等高阶思维的进阶发展，促进深度学习的有效发生。

三、构建原则

（一）自反性原则

一是时间上的自反性，指的是对已经发生的思维过程的反思。二是学习上的自反性，构建思维流程图不是个体直接获取知识的过程，而是以这个学习活动为认识对象的再学习过程[2]。

（二）逻辑性原则

思维流程图展示的是一个连续的思维过程，前后节点之间具有因果关系，因此在衔接上必须强调严密的逻辑推理，注重因果关联，体现出思维推理的严密性。

（三）直观性原则

思维不仅要借助概念，还要借助表象来进行。表象是指事物在头脑中具体的形象，它具有直观性。而高阶思维流程图作为思维过程的媒介，其本质就是高阶思维的表象，所以它的表达必须是直观的。

四、绘制方法

一幅完整的高阶思维流程图必须具备四个基本要素：节点、链接、形制、关系。一般用一个概念、事实或某个量的变化来表示一个节点；节点间的联系常用箭头或格式链接，用来表达构图者的推理过程和系统思考；形制指每幅图的呈现形式，一般是由文字、图像和箭头组合成的示意图；节点间的关系是通过推理或事实建立连接的。

绘图的基本步骤可概括为五个字：“回、理、定、绘、修。”回：回顾解决问题的思维过程。理：理出最重要的思维节点。定：确定思维流程图的形制。绘：根据内容和形式的需要绘制思维流程图。修：进一步修正和完善。

五、应用策略

（一）基于分析的高阶思维流程图

所谓分析，是将事物进行拆分，以显示其中的关系、动机、原因、联系和运行方式。基于分析的高阶思维流程图体现的思维方式主要包括分析、推理、检验、组织、分类等高阶思维[3]18。

1.图景和结构：促进科学知识的深度组织

以联想、结构化的方式去学习学科的基本结构，这是深度学习的重要特征[1]50。“不论我们选教什么学科，务必使学生理解学科的基本结构。如果先前的学习使往后的学习更为容易的话，那就必须提供一个一般的图景，按照这个图景，使先前与往后所遇到的事物间关系更加清晰。”[4]8这就需要引导学生根据当前的学习活动去联想、调动、激活以往的经验，以融会贯通的方式对学习内容进行组织，从而建构自己的知识结构。在这一建构过程中，组织策略是重要的学习策略。所谓“组织”，实质上是一种复杂的有意义的信息编码，是对信息更深层次的二次加工。下面就以对“人体消化吸收过程”的信息加工为例，展示学生创造的多种形制、不断递进的高阶思维流程图。

【进阶一：表式图】主要采用定性分析、结构分析和功能分析的思维方法，用表格形式表示消化吸收的全过程（表略），这种结构的组织特点是全而浅。

【进阶二：坐标图】主要采用数学分析中的函数方法，建立食物中各成分消化的坐标曲线图（见图1），这种结构的组织特点是小而深。

图1

【进阶三：进程图】从多维角度对消化和吸收的整个过程进行深入的组合分析，通过高度的组织化，呈现一幅立体化的图景（见图2），这种结构的组织特点是全而深。

图2

上述信息的重新编码过程就是以图景方式组织材料的，学习者通过自己独有的信息加工方式，通过高度组织化的信息整合，把零散的、碎片式的、杂乱无章的信息组织成有逻辑的、有体系的、有结构的知识，从而有利于对信息的系统理解和长效保持。

2.联想和推理：促进科学经验的深度转化

个体经验和人类知识在深度学习过程中不是对立的，而是相互成就、相互转化的。科学知识不是孤立的，而是能够被唤醒、被调用的。所谓“联想”，就是唤醒和调动学生的个体经验，帮助学生建立已有经验和新知识之间的联系，从而使学生与知识建立意义关联。简单地说，学习事物的结构就是学习事物是怎样相互关联的[4]5。在具体的科学问题解决过程中，学习者可以采用正向推理和反向推理两种方法，最终建立已知条件与目标结果之间的意义关联。下面通过两个案例来说明这两种推理具体的思维流程图。

【反向推理图】问题：“假定地球的大气层是均匀的，如何估算大气的质量？”相关思维流程图见图3[5]7-8。

图3

转化思路是：以目标问题为起点，通过反向的科学推理，逐步转化为已知经验和信息。如图3中的“思路②”的形成就是通过五次物理量的转化实现的，把未知的“大气质量”问题最终转化为已知的“地球半径”信息。

【正向推理图】问题：“有一包固体粉末，可能含有K2CO3、K2SO4、CuSO4、CaCl2、KNO3等物质中的一种或几种，将粉末溶于水得到无色溶液，滴入硝酸钡溶液后产生白色沉淀，再加足量稀硝酸，沉淀部分溶解。请分析：这包固体粉末中一定含有_____，一定不含有_____，可能含有 。”相关思维流程图见图4。

图4

转化思路是：以已知信息为起点，通过正向的科学推理，逐步转化为目标问题。

（二）基于评价的高阶思维流程图

所谓评价，是在有效论证的支撑下对事物进行正确的评判。基于评价的高阶思维流程图体现的思维方式，主要包括评估、论证、评论、鉴定、证明、批判、辩护、检查、估量、审查等高阶思维[3]75。

1.评判和改进：促进科学模型的深度修正

评价可以产生有效的反馈循环，即综合—分析循环。如果个体通过评估在做出了某个判断后，发现做判断时没有考虑到某些信息，个体就可以基于新获得的这些信息，改进之前做出的判断。也就是说，评价可以作为试验和错误反馈循环的基础[3]24。纵观整部科学史，科学也是在不断的否定中逐渐接近真理的，科学知识永远处在一个不断发展的状态，科学模型也需要一个不断完善和修正的过程。通过不断的评判—改进循环，就能不断促进科学模型的深度修正。下面展示的两个高阶思维流程图例，正是体现了科学模型在评判—改进循环中得到深度修正的过程。

在学习原子结构的模型时，笔者引导学生评价不同时代的原子模型，找出其不足，并通过科学史上的实验不断获得新的发现，从而不断改进和修正原子模型，最终提炼得到如图5所示的原子模型发展图。

图5

在设计并画出一套简易氢气发生装置示意图时，随着对实验缺陷的不断评判和改进，便逐渐出现了一个启普发生器的原型，然后再通过四次否定评价，最终改进得到启普发生器装置图，如图6。

图6

2.审查和证明：促进科学规律的深度论证

科学论证是以证据为基础提出主张，并通过推理过程使主张和证据之间建立合乎逻辑关系的方法。这种证明是用可靠的逻辑关系在证据和主张之间建立严密的、具有说服力的推导和解释过程[6]。在这个过程中，既需要对科学事实进行全方位的审视和检查，又要对论证方法和过程进行严格的审查和筛选，最终确定最严密的论证路径。因此，基于审查和证明的高阶思维能体现科学论证的严谨性，而通过科学论证可以加深学生对概念规律的深度理解，有效促进深度学习。下面以一个电路变化的经典问题为案例说明审查和证明这两种思维方式对构建高阶思维流程图的价值。

【案例】在如图7所示的电路中，当滑片P向右滑动时，请证明电压表读数变大。

图7

【审查】在一般情况下，学生的思维过程呈现如下（↑表示变大，↓表示变小）：P向右→R变↑→R总↑→I↓，但根据“U变=I↓R变↑→U变”仍无法确定。学生得出这一错误结论，原因就在于思维没有发散开去，若启发学生进行发散性思维，至少可形成如图8[5]7-8所示的四条思路。再对这四条思路加以审视筛选，最后就很容易集中到U变=U-UL这一可行思路上，得出U变增大的正确结论。

图8

【证明】把电灯视作R1，滑动变阻器视作R2，得到图9，再对U，U1等9个物理量的变化进行矩阵分析（“—”表示不变，“↑”表示变大，“↓”表示变小），按照“P向右→R2↑→R↑→I↓→I1↓→U1↓→U2↑=U-U1↓”的逻辑顺序，就可以得到严密的证明。实践表明，矩阵分析流程图不仅使多个物理量一目了然，而且可以从横向和纵向两个角度去判断变化，从而拓宽思维路径，普遍适用于多个物理量关联问题的解决。

图9

（三）基于创造的高阶思维流程图

所谓创造，是指在分析和评价的基础上进行模仿、迁移、重组、综合和创新，具体包括组合、整合、融合、创造、发明、制作、设计等高阶思维[3]74。

1.本质和变式：促进科学原理的深度迁移

发生深度学习的学生能够抓住教学内容的本质属性，全面把握知识的内在联系，并能够由本质推出若干变式，实现知识的迁移，从而做到“举一反三”[1]56。学习中的迁移是学习者在理解或识别新旧知识之间的关联性后，产生的已有知识在新情境中的应用[7]。要实现这样的迁移，学生需要具备深刻而灵活的思维品质。思维的深刻性是指思维活动的抽象程度和逻辑水平，是一种善于透过纷繁的现象发现问题本质的思维品质。在科学深度学习中，这种思维品质通常是在把握科学原理的本质、对科学原理进行深度迁移的过程中发展起来的。如在分析“漂浮于水杯中的冰块融化后杯中水面如何变化”这一问题时，面对各种变式，只要引导学生把握住万变不离其宗的“水面变化看V排，V排大小看浮力，浮力计算看状态，状态变化看条件”的原理本质，就可以举一反三，通过方法同类、情境分类的思路，系统解决“水面变化”的复杂问题（图略），同样也可以迁移解决包括“从船上抛物入水后水面如何变化”在内的很多变式问题。

2.综合和创新：促进科学项目的深度实践

深度学习的最终目的是让学生将所学知识转化为学生的综合实践能力，所以“迁移和运用”是深度学习的重要特征，而“迁移和运用”需要学生具有综合的能力和创新的意识[1]60。发展综合和创新素养的有效途径是项目化学习。项目化学习是一种高阶思维引领下的深度学习，具体是指针对真实和富有挑战性的项目，在一段时间内持续探索实践，最终创造性地解决问题并形成相关项目成果的学习过程[8]。在STEAM理念的引领下，将项目化学习融入科学学习，对进一步培养跨学科综合素养，培养学生的创新精神和实践能力，具有重要的教育价值。如在开展“脚印断案”科学项目化学习中，要求“通过勘测沙地上留下的真实‘罪犯’的脚印，创造性地测算出嫌疑人的身高、体重和性别等关键信息，从而科学锁定嫌疑犯”。在这一项目实践中，要求学生通过“鞋模浇铸、打磨修边、鞋模描样、鞋型比对、石膏取样、3D打印”等一系列工程实践，创造性地完成“提取脚印、测量鞋模的长度和面积、测算鞋模平均深度、测量产生脚印的压强、撰写结案报告”等项目任务。在这个真实任务驱动的深度科学项目化学习过程中，学生围绕着挑战性问题，不仅深度理解了“压强、密度”等核心概念，也综合应用了“模型法、数学方法、方格法、转换法、取样法、等效替代法”等多种科学方法，并通过严密而系统的思维推理，形成基于问题解决的思维流程图（见图10），显示出思维的深刻性、灵活性和广阔性。

图10

六、应用效果

（一）成效分析

基于分析、评价和创造等高阶思维形成的高阶思维流程图，可以优化思维品质，提升思维的深刻性、灵活性和广阔性，促进科学深度学习的发生。实践表明：学习者通过对科学知识的深度组织，提升了知识掌握的系统性；通过对科学思维的深度加工，促进了对科学概念、原理和规律的深度理解和反省领悟，实现了从“下海抓鱼”到“上岸悟渔”的深刻转变；通过对项目化学习的深度体验，有效提升问题解决能力，促进科学核心素养的全面提升。

（二）问题反思

绘制高阶思维流程图的思维起点较高，对知识基础和思维能力有一定的要求。实践发现：对于基础薄弱、思维能力一般的学习者来说，需要一个较长的适应期，早期实效并不明显，尤其是基于评价和创造的高阶思维流程图的绘制。这也启示研究者要关注低阶和高阶思维流程图在促进深度学习中应用策略的差异化选择。

七、结论综述

应用高阶思维流程图能有效促进科学学科深度学习的发生，具体表现在：基于分析的高阶思维流程图通过“图景和结构”能促进科学知识的深度组织，通过“联想和推理”能促进科学经验的深度转化；基于评价的高阶思维流程图通过“评判和改进”能促进科学模型的深度修正，通过“审查和证明”能促进科学规律的深度论证；基于创造的高阶思维流程图通过“本质和变式”能促进科学原理的深度迁移，通过“综合和创新”能促进科学项目的深度实践。