STEM非良构课程助力学生高阶思维培养*

周迎春

STEM 非良构课程是学生通过团队协作、分解任务、自主探究来解决问题的思维体操。这种游戏式的学习方式要求学生善用批判性思维，善于分析判断问题解决过程中出现的各种问题，在目标任务达成的过程中提升其STEM 核心能力。“火星弧形运动小车”是由江苏省中小学教学研究室主办的江苏省STEM 教育大会展示课例。笔者以为，该展示案例具有非良构课程的代表性，指向了对学生高阶思维的培养。

一、唤醒好奇心，培育探索精神

“火星弧形运动小车”项目中，学生作为问题解决者，在从地球人到火星人的角色转换中，面临火星大气环境、重力变化、资源匮乏等诸多变量因素，需要转换思维方式，在新的维度空间解决问题。当学生戴上VR 眼镜，通过虚拟现实技术登陆火星后，他们的好奇心引发的探索精神及认知需求会被瞬间激活。

比如在关于火星基地如何建设的课前讨论交流中，有学生认为要保证氧气与水的供应，并查阅到可以用萨巴捷反应制取甲烷与氧气。有学生关心火星能源供应的来源，在太阳能、风能与核能的选择里，率先排除核能的可能性，其比较一致的理由是火星人类可能就是由于遭受过核战争毁灭性的打击。至于新火星人是否应该接受素食的问题，大部分学生认为应坚持素食，其理由是，作为人类肉食来源的动物消耗太多粮食，因此有学生认为可以通过基因工程提高可食性动物的生长效率或者制作仿真肉……

二、打破学科壁垒，培育工程思维

工程思维是人们在进行工程活动和工程研究过程中所形成的独特的思维方式，是一种筹划型的实体思维。工程思维是运用各种知识解决工程技术问题的核心，是人们物化创意改造世界的一种重要素养，而这种素养的提升是需要在实践中通过个体的亲身体验来完成的。工程是目前STEM 教育的大整合模块中的重要组成部分。然而，工程思维能力却是我国学生的一个短板，亟须引起重视。STEM 项目的问题域、问题解决路径等恰好为学生工程思维培养提供了新思路。

“火星弧形运动小车”是一个非常好的思维训练项目。弧形长度的计算、对应轮子圈数的计算所涉及的数学逻辑思维，以及轮子的安装及调试中的诸多问题情境，为学生工程思维、实验思维等高阶思维的培养提供了良好的载体。完成一项工程的过程漫长而复杂，在工程设计实施的过程中，不可避免会跨越多个学科。比如，当个体数学知识储备不够用时，需要有针对性地补充数学知识；当数学知识与实际问题的解决存在知识技能短板时，需要更多学科知识的介入。学生通过跨学科学习，创建更多的链接，规划拟定实验方案，最后通过反复实验验证方案的可行性并进行必要的修正完善。

三、多元渗透，培养发散思维

“火星弧形运动小车”项目的非良构性会导致问题解决路径的去标准化。问题本身需要条件限定，比如启动电源仅能推动弧形小车进入斜坡及进行轮子更换，但是否可以让火星基地派出救援车载回？火星车的设计是否应该准备备用电源？如果太阳能电池由于沙尘暴的影响减少辐射能的吸收，是否应该增加除沙装置？如果同位素电池足够稳定，火星车是否应该迭代升级以增加载重、稳定性及其他功能？“火星弧形运动小车”让学生沉浸于有价值的诸多困境，链接多学科知识技能拟定并实施创新性解决方案，自然也渗透了创新思维的养成。

四、鼓励质疑，培养批判性思维

在方案的制订过程中，学生对弧形方案本身提出疑问：难道火星车预感到自己会有此一难，而特意准备好了如此准确的小轮？火星上的斜坡即使也存在非平滑规则，那么小车在下滑过程中是否会导致路线偏离？弧形小车到达斜坡及更换一侧轮子是需要能源供给，还是可以计算一下让其走两段直线，最后折返火星基地？由于可以提前植入程序或者进行地面实时控制，是否可以提高任务完成的可能性？面对上述问题，以及对于教师预定方案都持否定态度的学生，都需要教师组织引领一场课堂答辩来打消疑虑，大家可以各抒己见。当质疑发生时，意味着学生开始独立思考；当争论到面红耳赤时，则意味着正反双方批判性思维培养的绝佳窗口的到来。

学习是培养自我能力的有意义的经历，而智慧是穿过事物之表象获取内在本质的能力。智慧无法传授，须在个体解决问题的过程中体验，感悟生成进一步的思考。基于“火星弧形运动小车”项目可进一步做出项目化、单元化的设计，比如可以衍生“火星能源基地建设”“火星蔬菜培育”“火星交通枢纽”“火星地球航站建设”“火星沙尘暴防治”“火星新移民进化研究”“火星飞船发射时机探究”等。让学生置身于一个跨越学科和时空界限的虚拟现实情境中进行实践研究，不仅能激发其探索宇宙奥秘的好奇心，还能使他们触发更多的奇思妙想。