STEM教育理念下初中科學(xué)綜合思維能力的

培養(yǎng)

思維是人腦的高級(jí)認(rèn)識(shí)活動(dòng)。綜合思維是多種思維方法

在思維活動(dòng)中的全息式整合，是人腦綜合運(yùn)用多種思維方法

的思維過(guò)程和思維方式?？鐚W(xué)科的科學(xué)教育在培養(yǎng)綜合思維

方面具有獨(dú)特作用，尤其當(dāng)今科學(xué)教育強(qiáng)調(diào)滲透STEM教育,

對(duì)于提高現(xiàn)代綜合思維中的設(shè)計(jì)思維、工程思維和創(chuàng)新思維

有很大意義。把“以整合的教學(xué)方式，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用跨學(xué)科

知識(shí)和方法去解決真實(shí)世界問(wèn)題”的STEM教育理念，融入

初中科學(xué)教育，從聯(lián)系實(shí)際生活、聚焦社會(huì)熱點(diǎn)、關(guān)注自然

現(xiàn)象三個(gè)方面探究教學(xué)實(shí)踐，進(jìn)行案例分析，探討其在提高

學(xué)生的設(shè)計(jì)思維、工程思維和創(chuàng)新思維能力，以及科學(xué)探究

的綜合思維能力方面的實(shí)際效果。

一、聯(lián)系實(shí)際生活，強(qiáng)調(diào)問(wèn)題解決，培養(yǎng)設(shè)計(jì)思維能力

STEM教育要求以生活真實(shí)問(wèn)題為切入點(diǎn)。聯(lián)系實(shí)際生

活，以真實(shí)問(wèn)題為導(dǎo)引，是培養(yǎng)設(shè)計(jì)思維的有效方法。設(shè)計(jì)

思維“作為一種思維的方式，它被普遍認(rèn)為具有綜合處理能

力的性質(zhì)，能夠理解問(wèn)題產(chǎn)生的背景，能夠催生洞察力及解

決方法，并能夠理性地分析和找出最合適的解決方案”。如

“野外求生制取凈水”是結(jié)合上海牛津版《初中科學(xué)》六年

級(jí)下冊(cè)第六章“水與人類”第四課“水的凈化”內(nèi)容設(shè)計(jì)的

STEM課程。整個(gè)課程切入口是發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、定義問(wèn)題，核心環(huán)

節(jié)為創(chuàng)意、設(shè)計(jì)、制作、測(cè)試、改進(jìn)。教師用以產(chǎn)品發(fā)布、

評(píng)價(jià)反思為項(xiàng)目終結(jié)的工程設(shè)計(jì)作主導(dǎo)，由“野外求生”問(wèn)

題引入，學(xué)生通過(guò)“水中的雜質(zhì)、凈化方式、渾濁度的測(cè)試”

等學(xué)習(xí)，經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、頭腦風(fēng)暴、方案制訂、制作原型、

測(cè)試優(yōu)化、作品展示的過(guò)程，最后設(shè)計(jì)制作簡(jiǎn)易的凈水裝置,

對(duì)身邊的污水進(jìn)行凈化，從而解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。整個(gè)活動(dòng)并不

是立即從設(shè)計(jì)開(kāi)始，而是由問(wèn)題“野外求生”作為引入，通

過(guò)背景經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)真實(shí)問(wèn)題有了較多的認(rèn)識(shí)和體驗(yàn)。

該課程實(shí)現(xiàn)了科學(xué)與數(shù)學(xué)、技術(shù)等學(xué)科知識(shí)的融合，使學(xué)生

通過(guò)合作，綜合地解決嵌入于真實(shí)情境中的問(wèn)題，促進(jìn)學(xué)生

對(duì)已學(xué)知識(shí)的重新理解與建構(gòu)，深化了對(duì)“水的凈化”知識(shí)

點(diǎn)的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)了學(xué)生的設(shè)計(jì)思維。教師將設(shè)計(jì)思維的起點(diǎn)

融入教學(xué)中，幫助學(xué)生理解人們開(kāi)展設(shè)計(jì)的想法。教師并沒(méi)

有期望六年級(jí)的學(xué)生自己挖掘設(shè)計(jì)思路，而是通過(guò)教學(xué)安排

一步步地幫助學(xué)生體驗(yàn)，逐漸提升學(xué)生的設(shè)計(jì)思維能力，以

及運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等跨學(xué)科知識(shí)綜合解決真實(shí)

問(wèn)題的能力。

二、關(guān)注自然現(xiàn)象，開(kāi)展項(xiàng)目學(xué)習(xí)，培養(yǎng)工程思維能力

關(guān)注自然現(xiàn)象，開(kāi)展項(xiàng)目學(xué)習(xí)，這是STEM課程的特點(diǎn)，

工程思維是培養(yǎng)科學(xué)探究的綜合思維能力的重要方面。除了

生活中的真實(shí)問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注自然現(xiàn)象中的問(wèn)題有助于

其更好地理解周圍世界?？茖W(xué)學(xué)科教學(xué)要求學(xué)生通過(guò)對(duì)已收

集到的證據(jù)進(jìn)行思考和邏輯推理，從而生成概念。STEM教育

中的工程思維使學(xué)生在教師所設(shè)計(jì)的情境中豐富對(duì)概念的

認(rèn)知，讓他們運(yùn)用概念來(lái)解決問(wèn)題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高階學(xué)習(xí)帶動(dòng)

低階學(xué)習(xí)。

項(xiàng)目學(xué)習(xí)以真實(shí)問(wèn)題和建造產(chǎn)品為驅(qū)動(dòng)，在工程實(shí)踐中

創(chuàng)新性地解決問(wèn)題。學(xué)生在解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，開(kāi)展工程設(shè)計(jì)和

制造產(chǎn)品的活動(dòng)中，實(shí)踐性思維得到培養(yǎng)，同時(shí)激發(fā)了設(shè)計(jì)

思維，逐步達(dá)成培養(yǎng)工程思維的目標(biāo)。比如，“保溫杯套”

是結(jié)合上海牛津版《初中科學(xué)》六年級(jí)下冊(cè)第五章中第二節(jié)

“熱傳遞”內(nèi)容設(shè)計(jì)的STEM課程。教師從“飲料在冬天易

變冷”這個(gè)現(xiàn)象出發(fā)，提出問(wèn)題“熱怎么跑走了”，讓學(xué)生

運(yùn)用工程思維，設(shè)計(jì)一款保溫杯套解決實(shí)際問(wèn)題。學(xué)生前期

已經(jīng)了解了熱傳遞這一自然現(xiàn)象，但對(duì)避免熱傳遞的方法還

停留在理論知識(shí)層面上，存在理論與實(shí)際脫離的現(xiàn)狀。于是,

教師圍繞核心概念“熱傳遞”設(shè)計(jì)了三個(gè)階段的主題活動(dòng)。

第一階段，設(shè)計(jì)一個(gè)保溫杯套。如何設(shè)計(jì)一款保溫杯套

來(lái)保溫?教師提供給了學(xué)生多種保溫材料，給予學(xué)生充分的

時(shí)間自主選擇其中的材料進(jìn)行設(shè)計(jì)并制作。保溫杯套設(shè)計(jì)需

要學(xué)生對(duì)熱傳遞這一概念靈活地運(yùn)用。學(xué)生在解決實(shí)際問(wèn)題

的過(guò)程中，可以自發(fā)地對(duì)已有經(jīng)驗(yàn)提取和再內(nèi)化，加強(qiáng)有效

的概念，修改有問(wèn)題的概念。教師通過(guò)設(shè)置問(wèn)題鏈讓學(xué)生對(duì)

方案的設(shè)計(jì)有更明確的方向，在小組交流中讓學(xué)生充分質(zhì)

疑，達(dá)成共識(shí)。第二階段，將自己設(shè)計(jì)的保溫杯套制作出來(lái)。

這一階段的目標(biāo)是讓學(xué)生在設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上思考制作保溫杯

套的可行性和需要準(zhǔn)備的材料。在前期設(shè)計(jì)的過(guò)程中，學(xué)生

針對(duì)相關(guān)概念在小組內(nèi)進(jìn)行了討論，并修正概念，在實(shí)際制

作過(guò)程中進(jìn)一步強(qiáng)化。制作保溫杯套難度并不大，學(xué)生能夠

在課堂上快速完成，但對(duì)于如何測(cè)試其保溫性是他們思維上

的難點(diǎn)。第三階段，檢測(cè)保溫杯套的效果。這一階段的目標(biāo)

是讓學(xué)生介紹自己制作保溫杯套的過(guò)程，包括設(shè)計(jì)科學(xué)、可

行的檢測(cè)方法，并進(jìn)行測(cè)評(píng)。通過(guò)課堂交流與討論，學(xué)生各

抒己見(jiàn)，碰撞出創(chuàng)意的火花。通過(guò)這樣的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)于核

心概念具有更深刻的認(rèn)識(shí)，綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)和方法解決

復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的綜合思維能力逐漸提高。

設(shè)計(jì)制作保溫杯套的過(guò)程不僅是學(xué)生思維顯性化的過(guò)

程，更是學(xué)生思維精細(xì)化發(fā)展的需要。工程思維能夠幫助學(xué)

生更好地建構(gòu)和理解概念，在初步將科學(xué)原理轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品的

過(guò)程中掌握解決問(wèn)題的技能。

三、聚焦社會(huì)熱點(diǎn)，融合學(xué)科探究，培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力

創(chuàng)新思維是以新穎、獨(dú)特、創(chuàng)造性的方法解決問(wèn)題，是

人類最積極、最活躍、最富成果的思維方式。聚焦社會(huì)熱點(diǎn),

融合學(xué)科探究，這是STEM教育的特點(diǎn)之一。同時(shí)聚焦社會(huì)

熱點(diǎn)問(wèn)題也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的一種有效途徑。社會(huì)熱點(diǎn)

問(wèn)題能激發(fā)學(xué)生科學(xué)探究的興趣。他們?cè)诮鉀Q社會(huì)熱點(diǎn)問(wèn)題

的過(guò)程中，通過(guò)將多種學(xué)科知識(shí)、方法有效整合，觸類旁通

地解決社會(huì)熱點(diǎn)問(wèn)題，發(fā)展了自己的創(chuàng)新思維，以及科學(xué)探

究的綜合思維能力，促進(jìn)了創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的全面發(fā)

展。

如“快遞小車”STEM課程，在新冠肺炎疫情期間，網(wǎng)絡(luò)

購(gòu)物已經(jīng)成為大多數(shù)人的主要購(gòu)物方式，為實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸送

貨，快遞員只能將快遞放置在小區(qū)或單位統(tǒng)一指定地點(diǎn)，而

無(wú)法完全交到買主的手中。指定點(diǎn)沒(méi)有專人負(fù)責(zé)分類，快遞

一多便堆積在一起，因此尋找包裹十分艱難，出門拿快遞更

是要做好一定的防護(hù)措施，快遞的“最后一公里”問(wèn)題急需

解決。教師從這一社會(huì)熱點(diǎn)問(wèn)題引入“如何更便捷更安全取

到快遞”這一問(wèn)題，讓學(xué)生明確驅(qū)動(dòng)性任務(wù)：制作一輛能運(yùn)

送快遞的小車。該課程的核心概念是“結(jié)構(gòu)與功能”，學(xué)生

要設(shè)計(jì)有特殊作用的小車，對(duì)應(yīng)不同的功能，小車在具備基

礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上還要有針對(duì)特殊作用而設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)特征。教

師組織學(xué)生討論交流，梳理出問(wèn)題鏈：小車有哪些基本結(jié)構(gòu)?

如何讓小車動(dòng)起來(lái)？如何讓小車走設(shè)定好的路線？如何讓小

車有一定的承重力？學(xué)生圍繞這些問(wèn)題經(jīng)歷自己探究的學(xué)習(xí)

活動(dòng)，最終以設(shè)計(jì)、制作、比賽為項(xiàng)目終結(jié)。這樣的教學(xué)路

徑使學(xué)生知道小車的結(jié)構(gòu)與承重能力有一定的關(guān)系，不同的

結(jié)構(gòu)具有不同的承重能力；了解小車的動(dòng)力來(lái)源，認(rèn)識(shí)一些

動(dòng)力小車，并能聯(lián)系學(xué)科知識(shí)解釋其原理；認(rèn)識(shí)ARDUINO,

初步學(xué)會(huì)利用編程軟件設(shè)計(jì)小車循跡路線，掌握簡(jiǎn)單的搭建

技能。學(xué)生在特定的問(wèn)題情境中，結(jié)合科學(xué)、物理、勞技、

信息等多門學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)與探究活動(dòng),感受學(xué)科知識(shí)

與科技結(jié)合的成果，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)、探索科技奧秘

的興趣，提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力,發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)

新思維能力。

STEM課程要契合學(xué)生生活，聯(lián)系重要實(shí)事，激發(fā)學(xué)生