指向高阶思维培养的项目式教学策略分析——以小学科学“揭秘蜂巢”为例

曹春燕,丁红明

(首都师范大学附属回龙观育新学校,北京,102208)

一、引言

核心素养要求学生具有创造性思维、批判性思维、合作与交流等能力。《义务教育科学课程标准(2022年版)》提出将科学思维作为核心素养的重要组成部分。[1]科学思维是培养核心素养的关键,发展学生的高阶思维是必经之路,要形成“为高阶思维而教”的科学教育目标,这与以批判性思维和创造性思维为核心的科学高阶思维的培养目标一致。[2]项目式学习是落实学生的核心素养与高阶思维能力培养的有效手段。[3]但目前项目式学习在实践过程中往往更多地关注最后问题的解决和项目的完成情况,忽视对高阶思维能力的培养过程,或即便有意识地培养学生的高阶思维,但对高阶思维的表现形式和设计高阶思维的具体活动存在诸多模糊之处。本文以“揭秘蜂巢”为例,以项目式学习的教学形式为途径,从目标设计、教学设计、教学评价等环节融入科学高阶思维的培养,在推理论证、模型建构、创新思维等思维层面锻炼高阶思维,助力项目式学习的设计与创新。

二、核心概念

(一)高阶思维的内涵

在认知目标的角度,布鲁姆和安德森认为分析、综合、评价、创造属于高阶思维层次。[4]在能力视角下,钟志贤提出高阶思维是发生在较高认知水平上的心智活动或较高层次的认知能力,主要由元认知能力、问题解决能力、批判性思维能力和创造性思维能力构成。[5]从过程论的观点来看,心理学者认为高阶思维经历了从创造性思维到批判性思维的认知过程,即从不同角度、运用多种方法进行思考,形成问题解决的多种方案、多种路径(体现了创造性思维),然后通过推理、分析、评价、预测(体现了批判性思维)的过程进行方案、路径的选择和优化。[6]

科学思维中的模型建构、推理证据和创新思维在本质上指向了不同功能的高阶思维。首新认为,科学高阶思维是学生以科学内容知识为基础,在探究科学问题过程中运用以批判性思维和创造性思维为核心的高层认知过程中的科学认知或智力活动。[2]批判性思维的核心是推理、分析与预测、评价;创造性认知经历了发散思维到聚合思维的变化,其核心是发散性思维,思维路线是开放和发散的,是学生对学到的知识的多角度、多层次、多结构的新思考及产生的新创造。高阶思维在小学中的具体价值体现在有助于帮助小学生科学建构概念,有助于小学生积极参与探究式教学,有助于小学生科学思维方式的形成,有助于对小学生科学精神、科学观念的培育。[7]

(二)项目式学习

项目式学习基于学习方式的改变,是一种培养能力的重要学习方式。项目式学习指向现实生活中劣构的、综合的、没有标准答案的问题解决,引导学生在真实情境中发现问题。任务或活动的核心问题往往围绕核心概念展开,学生需要创造性地解决问题,在解决问题中发现问题。这种对问题的持续探索是学习的本质,也是认知水平不断提高的过程。

三、教学策略

(一)确立教学目标

教学目标是高阶思维教学体现。科学观念是思维发展的沃土,思维是科学观念建构的营养。教学目标不仅要关注知识的理解和技能的形成,还要特别关注学生解决问题、批判性认知和创新等能力。高阶思维参与的学习过程能使学生逐渐形成稳定的个人素养,因而只有将高阶思维作为教学目标,才能设计出支持高阶思维发展的学习活动。

1.目标的设计要体现高阶思维

与常规教学目标相比,定位高阶取向的项目式学习活动目标增加了思维目标。常用的思维方法有想象、联系、分析、推理、发散和聚合等,发展的高阶思维的品质是思维的深刻性、灵活性、批判性和独创性。在设计教学时,教师要预设分析锻炼学生的哪种思维方式,学生需要经历怎样的探究过程、取得怎样的成果。具体来说,教师需要设想能够提升学生高阶思维水平的活动,进而完成对目标的设计。目标也可为项目推进过程中的评价提供标准。具体如表1所示。

表1 项目式学习“揭秘蜂巢”教学目标设计

2.内容为始,思维为终

高阶思维的培养是一个系统工程,思维培养需要沉浸在课堂内容的学习过程中。这就要求教师仔细分析教学内容,注意内容的思维性,体现思维的进阶过程。项目式学习需要跳出单学科的思维模式,即在解决真实问题的过程中进行跨学科学习,要求多种学科的相互渗透、相互切合,需要综合运用学科知识,将思想和方法整合。在设计跨学科的项目式学习目标时,教师需要注意各学科内容之间的衔接,激发学生高层次的认知过程,增强内容的进阶和思维的层次性。在确定目标时,教师还需要关注跨学科项目式学习内容的难度,要保证学生不会因内容难度较大而放弃,也不会因内容难度较小而消极应对。教师要以内容为出发点确定教学目标,调整内容,使学生可以从不同角度、运用多种方法、采取多种措施认识和分析问题,并基于不同知识背景制定可行性方案,基于证据进行合理评价,从而发展学生的高阶思维。

在本案例中,核心概念是“结构与功能”,核心思维方法是“原型启发”,探究实践中应用到的核心数学知识、技能和方法包括“几何图形边、角、面的关系”“密铺”“测量、作图、建模、面积割补”,科学核心方法包括实验探究和证据推理等。同时,将计算机作为技术辅助,完成作图、计算和信息的收集工作。三个内容难度符合六年级学生的认知水平,为学生高阶思维的发展提供了可能性。

(二)明确思维进阶过程

1.发现问题到提出问题

科学发现的前提是提出问题,并认真对待提出的问题。只有发现问题,才能提出问题。提问题即用语言逻辑清晰地将问题表述出来。发现问题到提出问题是思维和认知上的具体提升和进步,主要涉及发散思维,也就是创造性思维的过程。王青认为,在未来教育中,好学生的标准不应是仅具有较强的分析问题和解决问题的能力,而是还需具备较强的发现问题和提出问题的能力。[8]创造性地发现问题、提出问题和生成问题,是学生从发散思维到聚焦、分析、评价问题的过程,其本质是由创造性思维到批判性思维的过程。在设计教学时,教师应尤其关注问题的提出和生成过程中对学生思维能力的培养。在“揭秘蜂巢”项目式问题生成过程中,思维的进阶过程如图1所示。

图1 “揭秘蜂巢”项目式中思维的进阶过程

在“揭秘蜂巢”这一活动中,学生发现的问题是六边形结构的特点。针对这一发现,教师引导学生开始自主头脑风暴,即开始发散思维。这也是创造性思维的开始。从技术与工程角度看,教师还可引导学生通过对质疑问题、分析问题和求证的批判性过程,让学生创造性地提出六边形结构的优势。通过聚焦和评价等聚合思维方式,生成逻辑严谨的项目式学习的真实问题。

2.问题转化

学生自主生成的问题往往是主题式大问题。教师需要引导学生进一步地分析问题,从问题解决的视角进行问题表征,将问题提出转化为具有一定目的的认知过程,对问题的可行性和目标性进行分析,提出具体问题,使问题有针对性和可操作性,即转化成能探究的学科问题。例如,针对“如何节省材料”这一主题式问题,学生需要将其转化为能探究的小问题,如图2所示。在这个过程中,学生将科学问题转换成数学问题,灵活地将科学知识迁移到数学情境中,并用数学逻辑严谨地提出了具有可操作性的、独特的、新颖的问题,体现了学生思维的独创性和灵活性。

图2 问题转化过程

由以上分析可以发现,项目式学习的真实问题需要学生在发现问题时经历直觉思维和发散思维过程。在提出问题时,学生要在分析、评价和判断问题之后再创造性地提出问题,这个过程涉及创造性思维和批判性思维过程。学生需要通过聚焦和评价,利用聚合思维生成主题式问题,即项目式学习的真问题。将项目式学习的问题转化为能进行具体探究的科学问题,则需要学生发挥思维的灵活性和独创性。可以看出,从发现问题到确定问题是整个项目式学习中最具创造性的阶段,因而教师尤其要重视此阶段对学生高阶思维意识的渗透和高阶思维能力的培养。

(三)细化教学实施

1.注重方案设计,提升思维水平

与一般的设计与制作能力的提升的目的不同,高阶思维指向下的设计与制作活动还要特别关注学生发现和解决问题的分析、求异和发散思维的创造能力。针对同一个问题,学生会有不同的解决方案,每一个解决方案的形成皆基于创造性思维能力。例如,在本案例中,学生解决问题的方法有计算(面积大小、底面积、周长)、推理、画图测量、模型制作(对材料的利用)、实验(稳定性对比)等。将方案外显为研究思路或设计图,有助于学生信息的加工与思维的整合,同时便于学生之间的提问、分析和评价,使每名学生都能不断地反思、自我调节和修正,进而改进和完善方案,提高批判性思维水平。在此阶段,教师需要给学生充分的时间进行辩论,在学习过程中更关注学生思维的进阶。

2.利用建模突破难点,培养创新思维

在项目式学习中建模教学被广泛使用。建模以问题为导向,学生会经历从提出问题、设计建模方案到提炼建模再到验证模型、修正模型的过程。[9]例如在本案例中,“建多大的蜂巢合适”,这个问题的隐含条件是蜂房要在能允许蜜蜂出入的情况下做到最小,这样才能最大限度地节约材料、节省空间。学生通过观察发现蜜蜂身体的横截面近似一个圆,从而确定小房间可以是圆的外切图形(图3)。在这个过程中,需要将原型抽象为可用于计算的几何模型。这也是学生思维的障碍点。基于学生的思维发展水平,教师需要引导学生从不同的角度出发,将蜜蜂看成一个整体,即从想象思维过渡到抽象思维。学生在验证模型时发现,小房间的共用边越多越能节约材料,由此众多小房间尽量聚成一个圆。教师进一步展示大自然中的蜂巢,引导学生将该答案与现实生活结合。教师梳理总结自然界的蜂巢大都趋近圆形的原因。由此可见,模型能够使问题更加直观,更有助于突破学习的难点,进而促使学生提高思维的灵活性和深刻性。因而,教师要重视基于模型建构的学习方式培养学生的创新思维能力。

图3 单个蜂房横截面

3.巧用问题链,搭建高阶思维的骨架

思维能力,即个体为了完成任务所表现出的、能有效思考问题的能力,思维能力的提升离不开个体的实践。思维型教学理论认为,有思维深度参与的实践才能变成有深度的实践。[10]在项目实践过程中,问题链与教学目标紧密联系,以问题链为核心,驱动学生积极探索和深度思考,在整体推进项目的同时发展学生的思维能力,形成整体性思维。在本案例中核心问题为蜂巢的结构特点。进一步拓展还可提出以下问题:蜂巢为什么是六边形,而不是更稳定的三角形或更舒服的圆形。围绕这一思路,笔者设计了如下所示的问题链。

怎样用相同的材料建出最多的蜂房?

蜂房做多大合适?

怎样画三角形、正六边形蜂巢?

怎样确定三角形、六边形的面积?

怎样确定三角形、六边形的边长?

怎样画出标准图便于测量长度?

是否注意到蜂房共用边的问题?

蜂房如何组合更合理?

选择什么材料搭建蜂巢?

……

生成型问题链的设计逻辑遵循问题解决的过程,学生在解决问题的过程中产生新的问题,新问题的解决又伴随着下一个新问题的生产,这种“剥洋葱”式层层递进的问题求真过程促进学生思维从浅层逐步深入。本案例中,学生首先发现并质疑(蜂巢的六边形结构),学生在知道蜂巢的建筑材料是自身分泌的蜂蜡后,根据工程思维猜想六边形结构的优点,进行思维的发散,从图形结构的稳定性、“建筑”材料的限制、空间的限制等工程思维的角度提出假设,并进行科学决策。在数据建模过程中,学生通过标准作图法、面积割补法、逻辑推理法、近似求解法等多种数学方法,以及借助电脑软件计算和应用勾股定理。上述过程能够将不同学科思维的培养关联起来。问题解决的整个过程需要循序渐进的元认知心理活动,通过相互链接、环环相扣、层层递进、逐步深入的关联问题链搭建的思维骨架,逐步发展培养学生的高阶思维。

(四)落实以思维为靶向的教学评价

当下教育改革的核心是核心素养的培养,核心素养的核心是思维的发展。高阶思维是超越知识和技能的思维意识、思维方法和思维能力的结合,评价高阶思维应该更注重学习过程,即表现性评价,这样才能有效促进教—学—评的有机衔接。[11]

1.重视思维可视化

项目式学习强调作品产出,如报告、实物模型、表演和实验设计等,但仅注重作品的结果性评价很难有效评价学生的思维发展过程。学习成果需要更多地关注思维的生成,将学生的思维可视化,即将看不见的思维过程以可视化的形式清晰呈现出来。[12]思维可视化的评价工具有可视化的学习计划单、成长档案袋和评价反馈表等。以诊断思维、培养思维为路径,让思维看得见,有助于教师对学生进行形成性评价,更好地以评促教,有效构建高阶思维的课堂。本案例设计的项目过程评价单如表2所示。

表2 “揭秘蜂巢”项目过程评价单

2.从评价出发设计教学过程

评价目标就是学习目标,评价要遵循教学目标展开。在设计指向高阶思维的评价时,其一,要分析项目学习内容中的高阶思维的要素、特征与表现;其二,要明确期望的学习结果和达成的目标;其三,要预设在项目推进过程中学生可能经历的思维过程、探究实践过程及实现的项目成果;其四,要根据评价要素的内容、性质和特点,选择恰当的评价方式和合适的评价工具。本案例将批判性思维和创造性思维确定为评价要素,采用解析型评价进行设计,具体如表3所示。

表3 “揭秘蜂巢”项目式学习表现性评价

3.发挥主动性作用

传统评价在项目完成之后再检查,具有滞后性,可能会错失改正错误的机会。高阶思维指向下的评价要发挥诊断、监控和调节作用,使学生能够在项目实施过程中及时、积极、主动地调整和优化过程,在不断改善中顺利推进项目问题的解决。教师要扭转学生过于重视结果而忽视过程的观念,在教学伊始,就要让学生明晰评价内容、评价方式和学习目标,用于指导、诊断、评价和反思整个项目实施过程,使学生更加关注科学原理,以数据为依据解决问题,培养学生的科学探究素养和工程设计思维。

四、结语

本文以核心素养的形成为目标,以项目式学习为依托,通过设计“揭秘蜂巢”案例,阐述了在教学中如何从关注知识转变为关注思维,如何将知识验证转变为思维生成,如何将重知识的评价转为重思维的评价,以期更好地培养学生的高阶思维。