基于思維導圖的STEM項目式教學模式探究優(yōu)秀獲獎科研論文

[摘

要]思維導圖可以將較為復雜的主題或項目進行放射狀的發(fā)散分解，從而形成基于主題項目的全景思維圖譜。基于項目的STEM教學則具有路徑復雜多變、子任務需要繼續(xù)分解等特點，將思維導圖應用于STEM項目，可增強教學效果，促進學生創(chuàng)新思維能力的發(fā)展。

[關鍵詞]思維導圖;STEM;項目式教學

在認知加工過程中，大量信息的涌入往往會“溢出”學習者的處理能力。使用思維導圖，可以有效地將基于某個主題的紛繁雜亂的知識，科學地歸類整理為更有利于大腦記憶的圖譜形式。這種形式也使人更容易在解決相似問題時迅速提取信息乃至快速遷移?；谒季S導圖的教學過程將促進學生理解其他人的思維方式，從其他人的思考線路圖中找到觸發(fā)迭代演進的靈感，通過相互借鑒或模仿，在學習中學會學習。但從CNKI檢索的情況看，思維導圖更多地應用于人文學科，在STEM教育中較為少見。近年來，筆者在校本化STEM課程群的建構及實施中，特別關注了基于思維導圖的STEM項目式教學模式的建構，并取得了一些經驗。

一、思維導圖的由來

世界記憶大師托尼·巴贊在研究大腦潛能的過程中，發(fā)現(xiàn)偉大的藝術家達·芬奇在筆記中使用了許多圖畫、代號和連線，并認為這是其擁有超級頭腦的秘密。受此啟發(fā)，托尼·巴贊發(fā)明了思維導圖。思維導圖起初只是為了改進筆記方法，后來逐漸成為發(fā)散性思維表達的工具，并在很多領域得到應用。在一個經典案例中，一份波音飛機設計手冊被壓縮成了一幅25英尺長的思維導圖，使得100多名高級航空工程師在幾個星期內學會了以往需要幾年才能學會的東西，節(jié)約了一千多萬美元。作為一種思維工具，思維導圖真正的價值在于提升個體的學習力與創(chuàng)造力，它在不同領域的普遍應用所產生的價值是難以用金錢衡量的。

二、基于思維導圖的

STEM項目式教學模式構建解析

思維導圖是基于聯(lián)想的邏輯發(fā)散，是非線性的跳躍性思維的再現(xiàn)。它能使個體從以時間為坐標軸的線性思維中跳出，轉向基于中心圖像（問題）的思考，并以放射狀的形式鏈接各種相關的知識技能點，最終形成有關問題解決策略的圖形化方案。這既有利于知識技能的有效內化，也有利于提升個體對于開放性問題的解決能力。下面將結合筆者的STEM及人工智能課程相關專著中的部分案例對此進行深度解析。

1.基于思維導圖的組間互動交流，觸發(fā)迭代演進程序的運行

“智能花房管家”項目要解決的實際問題是花房的無人化自動管理。教學互動的目標問題首先指向了及時澆灌，教師引導學生通過分組對任務初始分解、組內交流協(xié)作完成初圖、組間交流完善形成了思維導圖1.0版。各組方案中的共性是：將主要問題分解成土壤濕度傳感器安裝、繼電器連接、電磁閥與供水管安裝及S4A程序編制調試等。

在項目實施過程中，學生們發(fā)現(xiàn)植物的喜水程度不同，如果不能進行個性化的配置，可能導致一些植物爛根（如仙人掌）。因此，需要根據(jù)實踐中出現(xiàn)的問題不斷添加或修剪各分支，完善思維導圖，使其升級到2.0版。于是有的學生添加了給不同植物設置不同口徑出水口的分支（見圖1）。

在各組完成項目后，就進入集體評價、互動修補的環(huán)節(jié)。各組在大屏幕上交流評價新版思維導圖，介紹演示模擬裝置及實驗小結，接受其他組成員的詢問質疑，由此產生將思維導圖升級的動力。如果學生的批判性思維不夠活躍，教師還可以給每組分派質疑指標，并對有效的質疑加分。在這個課例中，有質疑安全防控的（防止因失控連續(xù)供水），也有提出加入濕度、溫度控制，并用二氧化碳傳感器控制花房溫濕度、二氧化碳含量的。于是各組根據(jù)質疑和建議，在基于主題項目的分支中又增加了新的內容，使思維導圖進階到3.0版。這樣，隨著思維導圖的不斷升級，解決問題的方案亦在同步演進完善。思維導圖的逐漸演進，事實上就成為了最優(yōu)化策略的求解過程。期間學生經歷的迭代體驗，將有利于促進他們在未來解決學習乃至工作中遇到的實際問題。

2.搭建項目主題為內核的知識技能架構，促使跨域能力自主內化

“貓尾機器人”項目的創(chuàng)意來自日本的貓尾機器人，目標任務是制作一個能夠語音識別主人“暗號”，并能自動擺尾、搖耳、發(fā)聲的智能機器人。這一項目疊加了自動化控制、人工智能等諸多元素，從項目主題發(fā)射的分支概覽來看，需要學生掌握3D建模打印、激光雕刻等快速制作原型的技能，也需要學生整合語音識別、自動化工程設計、程序編制調試等相關思維，還要對市面上能買到的貓叫裝置進行相應的改裝，甚至還滲透了電路的一般原理等，需要諸多領域的技術整合，才能造就這樣一個貓尾機器人。在造物過程中，學生的思維導圖也從不確定發(fā)展到確定，并越來越清晰。特別是一些分支之間的關系，因思維導圖的使用而一目了然，比如貓叫裝置的觸發(fā)與離貓身最近的一號舵機轉向的協(xié)同等（見圖2）。

3.起自目標任務的發(fā)散分解，促進創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)

美國心理學家吉爾福特認為，創(chuàng)造性思維即發(fā)散思維。也有學者認為，創(chuàng)造性思維可以分解為發(fā)散思維和收斂思維。思維導圖有利于思維的發(fā)散和收斂。如在“智能分揀裝置”的課例中，要求學生模擬物流公司的包裹分揀智能裝置，運用學過的機器人知識與技能制作一個能辨別“貨物”種類的自動實現(xiàn)分揀的裝置。任務發(fā)布后，由于其中尚有許多細節(jié)沒有明確，或者說目標域的自主拓展空間較大，每個學生會有不同的解讀，因此提出的方案五花八門。比如，有科學幻想型的，有自主創(chuàng)意型的，也有網絡搜索復制模型的，甚至有的學生提出了多個不同的方案。教師不應制止或批評學生產生這些天馬行空甚至愚蠢荒謬的想法，因為它們可以幫助學生跳出自我中心的思維模式，從中獲得改進思維導圖的靈感，進而體驗到思維的靈活性和原創(chuàng)性。

由于思維導圖有效壓縮了解決方案中的主要信息，因此能更有效地在短時間內傳遞給他人，從而引發(fā)更多的發(fā)散。“智能分揀裝置”思維導圖的最終版本如圖3所示，分為3D建模打印、激光雕刻、硬件安裝及程序編制調試等子項目，每個子項目又有若干分叉。個體在制作中還須對各分支之間的關系進行協(xié)調適配，以最優(yōu)化地完成目標任務，因此思維的發(fā)散和集聚交替發(fā)生。類似這樣能給學生帶來發(fā)現(xiàn)喜悅的項目化制作，每一次物化的實現(xiàn)過程，都是培養(yǎng)學生創(chuàng)造性思維的良好契機。

4.源于真實情境的問題解決路徑繪制，促進認知策略順應遷移

“智能識別序號機器人”項目要求機器人能識別集裝箱序號，并且搬運到相應的倉庫位置。在觀看了某大型超市的機器人搬運視頻后，學生們都躍躍欲試。學生基于已學過的mBlcok機器人編程經驗，先討論并羅列了器材準備清單，包括集裝箱建模打印、鏟車建模打印、場地設計打印等;此后，教師引導學生進行路口識別及集裝箱識別的子程序調試;在完成最后主程序的編制調試后，要求學生回顧研究經歷，用MindMaster軟件創(chuàng)建思維導圖，把項目中的各項分支展示在“思維樹”上，此時的回顧和反思將使研究的曲折經歷重新在學生頭腦中演繹（見圖4）。學生將基于目標任務，找尋關鍵節(jié)點，繪制節(jié)點間的相互聯(lián)系;將置身于相對宏觀的角度，即基于中心任務本身的發(fā)散，圍繞各子任務進行分解。期間，困頓不解、重新定向、策略改進的過程將多次演繹，初始版本的思維導圖將不斷升級。學生可能經歷反復失敗但最終走向成功，這段經歷將培養(yǎng)他們的堅韌品格。那些以壓縮形式擺放在“認知貨架”上的圖形化解決方案，將在學生遇到類似問題時被再次提取。

三、結語

“想象”