STEM教育理念下初中科学综合思维能力的培养

STEM教育理念下初中科学综合思维能力的

培养

思维是人脑的高级认识活动。综合思维是多种思维方法

在思维活动中的全息式整合，是人脑综合运用多种思维方法

的思维过程和思维方式。跨学科的科学教育在培养综合思维

方面具有独特作用，尤其当今科学教育强调渗透STEM教育,

对于提高现代综合思维中的设计思维、工程思维和创新思维

有很大意义。把“以整合的教学方式，培养学生运用跨学科

知识和方法去解决真实世界问题”的STEM教育理念，融入

初中科学教育，从联系实际生活、聚焦社会热点、关注自然

现象三个方面探究教学实践，进行案例分析，探讨其在提高

学生的设计思维、工程思维和创新思维能力，以及科学探究

的综合思维能力方面的实际效果。

一、联系实际生活，强调问题解决，培养设计思维能力

STEM教育要求以生活真实问题为切入点。联系实际生

活，以真实问题为导引，是培养设计思维的有效方法。设计

思维“作为一种思维的方式，它被普遍认为具有综合处理能

力的性质，能够理解问题产生的背景，能够催生洞察力及解

决方法，并能够理性地分析和找出最合适的解决方案”。如

“野外求生制取净水”是结合上海牛津版《初中科学》六年

级下册第六章“水与人类”第四课“水的净化”内容设计的

STEM课程。整个课程切入口是发现问题、定义问题，核心环

节为创意、设计、制作、测试、改进。教师用以产品发布、

评价反思为项目终结的工程设计作主导，由“野外求生”问

题引入，学生通过“水中的杂质、净化方式、浑浊度的测试”

等学习，经历发现问题、头脑风暴、方案制订、制作原型、

测试优化、作品展示的过程，最后设计制作简易的净水装置,

对身边的污水进行净化，从而解决现实问题。整个活动并不

是立即从设计开始，而是由问题“野外求生”作为引入，通

过背景经验学习，学生对真实问题有了较多的认识和体验。

该课程实现了科学与数学、技术等学科知识的融合，使学生

通过合作，综合地解决嵌入于真实情境中的问题，促进学生

对已学知识的重新理解与建构，深化了对“水的净化”知识

点的学习，培养了学生的设计思维。教师将设计思维的起点

融入教学中，帮助学生理解人们开展设计的想法。教师并没

有期望六年级的学生自己挖掘设计思路，而是通过教学安排

一步步地帮助学生体验，逐渐提升学生的设计思维能力，以

及运用科学、技术、工程、数学等跨学科知识综合解决真实

问题的能力。

二、关注自然现象，开展项目学习，培养工程思维能力

关注自然现象，开展项目学习，这是STEM课程的特点，

工程思维是培养科学探究的综合思维能力的重要方面。除了

生活中的真实问题，引导学生关注自然现象中的问题有助于

其更好地理解周围世界。科学学科教学要求学生通过对已收

集到的证据进行思考和逻辑推理，从而生成概念。STEM教育

中的工程思维使学生在教师所设计的情境中丰富对概念的

认知，让他们运用概念来解决问题，进而实现高阶学习带动

低阶学习。

项目学习以真实问题和建造产品为驱动，在工程实践中

创新性地解决问题。学生在解决现实问题，开展工程设计和

制造产品的活动中，实践性思维得到培养，同时激发了设计

思维，逐步达成培养工程思维的目标。比如，“保温杯套”

是结合上海牛津版《初中科学》六年级下册第五章中第二节

“热传递”内容设计的STEM课程。教师从“饮料在冬天易

变冷”这个现象出发，提出问题“热怎么跑走了”，让学生

运用工程思维，设计一款保温杯套解决实际问题。学生前期

已经了解了热传递这一自然现象，但对避免热传递的方法还

停留在理论知识层面上，存在理论与实际脱离的现状。于是,

教师围绕核心概念“热传递”设计了三个阶段的主题活动。

第一阶段，设计一个保温杯套。如何设计一款保温杯套

来保温?教师提供给了学生多种保温材料，给予学生充分的

时间自主选择其中的材料进行设计并制作。保温杯套设计需

要学生对热传递这一概念灵活地运用。学生在解决实际问题

的过程中，可以自发地对已有经验提取和再内化，加强有效

的概念，修改有问题的概念。教师通过设置问题链让学生对

方案的设计有更明确的方向，在小组交流中让学生充分质

疑，达成共识。第二阶段，将自己设计的保温杯套制作出来。

这一阶段的目标是让学生在设计的基础上思考制作保温杯

套的可行性和需要准备的材料。在前期设计的过程中，学生

针对相关概念在小组内进行了讨论，并修正概念，在实际制

作过程中进一步强化。制作保温杯套难度并不大，学生能够

在课堂上快速完成，但对于如何测试其保温性是他们思维上

的难点。第三阶段，检测保温杯套的效果。这一阶段的目标

是让学生介绍自己制作保温杯套的过程，包括设计科学、可

行的检测方法，并进行测评。通过课堂交流与讨论，学生各

抒己见，碰撞出创意的火花。通过这样的学习，学生对于核

心概念具有更深刻的认识，综合运用多学科知识和方法解决

复杂的现实问题的综合思维能力逐渐提高。

设计制作保温杯套的过程不仅是学生思维显性化的过

程，更是学生思维精细化发展的需要。工程思维能够帮助学

生更好地建构和理解概念，在初步将科学原理转化成产品的

过程中掌握解决问题的技能。

三、聚焦社会热点，融合学科探究，培养创新思维能力

创新思维是以新颖、独特、创造性的方法解决问题，是

人类最积极、最活跃、最富成果的思维方式。聚焦社会热点,

融合学科探究，这是STEM教育的特点之一。同时聚焦社会

热点问题也是培养学生创新思维的一种有效途径。社会热点

问题能激发学生科学探究的兴趣。他们在解决社会热点问题

的过程中，通过将多种学科知识、方法有效整合，触类旁通

地解决社会热点问题，发展了自己的创新思维，以及科学探

究的综合思维能力，促进了创新精神和实践能力的全面发

展。

如“快递小车”STEM课程，在新冠肺炎疫情期间，网络

购物已经成为大多数人的主要购物方式，为实现无接触送

货，快递员只能将快递放置在小区或单位统一指定地点，而

无法完全交到买主的手中。指定点没有专人负责分类，快递

一多便堆积在一起，因此寻找包裹十分艰难，出门拿快递更

是要做好一定的防护措施，快递的“最后一公里”问题急需

解决。教师从这一社会热点问题引入“如何更便捷更安全取

到快递”这一问题，让学生明确驱动性任务：制作一辆能运

送快递的小车。该课程的核心概念是“结构与功能”，学生

要设计有特殊作用的小车，对应不同的功能，小车在具备基

础结构的基础上还要有针对特殊作用而设计的结构特征。教

师组织学生讨论交流，梳理出问题链：小车有哪些基本结构?

如何让小车动起来？如何让小车走设定好的路线？如何让小

车有一定的承重力？学生围绕这些问题经历自己探究的学习

活动，最终以设计、制作、比赛为项目终结。这样的教学路

径使学生知道小车的结构与承重能力有一定的关系，不同的

结构具有不同的承重能力；了解小车的动力来源，认识一些

动力小车，并能联系学科知识解释其原理；认识ARDUINO,

初步学会利用编程软件设计小车循迹路线，掌握简单的搭建

技能。学生在特定的问题情境中，结合科学、物理、劳技、

信息等多门学科基础知识的学习与探究活动,感受学科知识

与科技结合的成果，激发学生学习科学知识、探索科技奥秘

的兴趣，提高学生解决实际问题的综合能力,发展学生的创

新思维能力。

STEM课程要契合学生生活，联系重要实事，激发学生