基于高階思維培養的科技館科學探究活動設計與實踐

李云海

(江蘇省科學技術館，江蘇 南京 210013)

一、初解高階思維概念

雖然高階思維沒有公認一致的定義，但學界普遍認為，人們的思維過程分為記憶、理解、應用、分析、綜合、評價與創造。其中記憶、理解、應用可劃分為低階思維，而高階思維則是在低階思維基礎上的分析、綜合、評價與創造。分析是把復雜的知識整體材料分解成各部分并且理解各部分間聯系的能力，包括對部分的鑒別，以及分析部分之間的關系和認識其中的組織原理。綜合是在分析上的晉級。它將所學知識的各部分重新組合，形成一個新的知識整體，強調的是創造能力，是形成新的模式或結構的能力。評價是對材料做價值判斷的能力，是最高水平的認知結果。它要求超越原先的學習內容，并需要基于明確標準的價值判斷[1]。由此可見，高階思維核心是辯證思維和創新思維，主要涵蓋創新能力、問題求解能力和批判性思維能力等較高的思維能力。因此，高階思維是科學核心素養的關鍵部分，也是科學教育的重要目標[2]。

二、科技館科學探究活動與高階思維培養

(一)科技館探究活動特點

當前，科技館正開展形式多樣、內容豐富的科學教育活動。這些科學教育活動包括面對展品的科普講解、科學講座、科學探究課、科學表演(科普劇)、動手類STEM拼裝等。基于館內展品開發的科學探究課程，通過操作、演示展品呈現出的各種現象，闡述展品所包含的科學原理，同時，設計相關的動手實驗，幫助參與者經過手腦參與，真正理解、掌握所涉及的科學概念、原理。這類科學探究活動越來越受到參與者的青睞，愈發獲得科技館界的重視。與學校實驗室的傳統實驗展示相比，科技館演示的展品外觀相對大型，有的配備相應輔助結構(如聲、光控制輔助)，具有展示效果明顯、科學現象突出、便于向參與者闡釋相應科學原理等優點。另外，由于科技館展品演示往往更具趣味性和視覺效果，對學生更有吸引力，能夠幫助學生產生探究其中科學原理的熱情。由此可見，基于科技館展品展項設計開發的科學探究課程能夠充分發揮展品資源優勢，促使學生樂意參與相應的探究活動。

(二)科技館探究活動與思維的聯系

學校的教學過程通常是教師指導學生學習書本、黑板文字(板書)、PPT展示等提供的科學定理、公式，之后，學生利用已學的定理、公式進行練習解題。在學校，學生學習定理、公式推導過程，進而在習題練習中形成對公式的記憶和運用，體現的是演繹學習的方法[3]。因此，課堂學習內容是抽象的定理和公式，學習者獲得的是間接經驗而非直接經驗，學生在學習過程中通過做習題增加熟練程度，提高解題速度。相比之下，科技館科學探究活動則先從觀察事物的現象出發，參與活動的學生進行初步假設，通過探究手段，在驗證假設的過程中不斷修正、完善最初的假設，最終形成自己的結論，獲得直接經驗，運用的是歸納學習法。學生在探究過程中需要從具體的體驗認知中自己歸納出抽象的科學概念，這一探究過程涉及深入的思考過程和持久的思維活動。如果將學校正規教育和科技館科學探究活動之間差異，通過學校課程與科技館探究課對比表(表1)進行比較，從中可以清晰地看出科技館的探究活動學習效果，最終會影響并促進思維能力的發展。

表1 學校課程與科技館探究課比較

(三)科技館探究活動促進高階思維發展

在科技館開展的科學探究活動中，學生面對具體的探究對象進行探究實踐。由于學生不是從已知抽象的定理結論開始，而是從具體、真實的，可觀可感、能體驗的現象入手，在探究的過程中主動地獲取生動真實的探索結果，這一探究過程強調直接經驗的積累及其與間接經驗的有效銜接。在獲得直接經驗的過程中，參與學生根據對探究現象的分析，綜合自己原有的經驗，進而形成自己的判斷并得出結論。這樣的分析、綜合、評價判斷和創造是高階思維重要的組成與體現。學生在不斷探索、改進、優化、完善實驗方法的探究步驟中形成深刻的思考，養成正確的科學方法和思維習慣，逐步產生解決問題的能力，進而推動創造性思維、求異思維、發散思維的培養和形成。在具體的探究實踐中，我們發現學生多次參加科學探究活動后，會逐漸學會通過觀察、記錄、對比實驗現象和數據，分析、綜合、概括探究現象，進而運用假設、類比、推理等方法解決問題，得出探究結論。學生在多次探究實踐之后，會漸漸了解、掌握這些科學方法和思維過程，并逐漸形成運用這些方法的心理定勢。這種探究形成的思維特征涵蓋了高階思維的基本要素，因此科學探究活動可有力地凸顯學生高階思維能力的培養過程。

三、探究活動中高階思維設計建議

(一)設置問題情境展開設計

展品設計科學探究活動可運用多種設計方法，其中設置具體的問題情境是設計探究活動多樣化方案中較為行之有效的方法之一。該方法是利用相關展品，以展示科學原理或科學概念為探究目標，根據演示、實驗等探究對象與探究目標設置出參與者需要完成的探究任務，而這項探究任務又隱藏在巧設的問題情境當中。學生面對設置的問題情境，將通過動手操作、實驗等探究的方式去解決問題，逐步解決問題的過程也是科學探究不斷展開的過程。學生在展開的探究進程中獲得正確的科學方法，培養高階思維能力。另外，設置問題情境可以幫助學生“沉浸”到具體的探究環境中，使探究目標變得具體、鮮活和生動，引發學生完成探究的興趣和欲望。

學生在具體的問題情境中，會專注探究展品和相關實驗帶來的真實現象，面對問題，會運用科學的探究方法，尋找正確的探究思路，最終加以解決。在解決問題的過程中，科技館輔導人員會不斷為學生提供探究工具和探究方法，引導學生手腦合作去分析、選擇探究工具和探究方法，觀察對比探究中產生的各種現象，進而得出結論。在這一過程中，創造性思維、多樣性思維等高階思維的培養水到渠成。由于參與科技館探究活動的學生來自不同學校、年級，因而設計探究任務和設置問題情境要綜合考慮參與者的認知水平和探究實踐過程的難度，如實驗操作的難度、探究中參與者理解的難度、探究中科學方法運用的難度等。因此，問題情境可以采取分層次、分階段、組合嵌套等多種安排設計，使參與者能夠有效地完成探究活動。

(二)借助“三鏡效應”優化設計

1.分解探究問題

正如棱鏡可將通過的普通白光分解成美麗的七種色光，科學教育活動在設計上也可以采用“棱鏡分解效應”，即先選取科技館內能展現、可體驗明顯現象的展品、實驗，將其變為科學探究問題，并將探究問題分解成若干小任務，然后將每個任務設計轉變為具體的問題情境，讓學生面對具體情境去分析問題并著手解決問題。這些問題情境設計上要避免彼此孤立，要建立一條邏輯主線構成一個有機的整體，且能逐層遞進。學生在解決初步問題情境后，能進一步解決下一個問題情境。如我館有“拱橋”展項，參與者將七塊大小不一的大型積木拼搭成拱橋，并可在拱橋上行走以體驗和學習拱形的特殊力學構造。我們將原先學生搭建拱橋的環節，按照高階思維角度重新設計，巧妙變成問題情境：讓參與學生“化身”為一千年前為中國趙州橋施工的小工匠。七塊大積木作為建橋的“石料”。小工匠們以小組為單位用這七塊“石料”搭建起“趙州橋”。學生首先要考慮如何使用工具將最大的“石料”從“山溝”(活動特制的塑料凹槽)里取出。通過輔導員講解展品“大秤”，學生從杠桿原理受到啟發，從工具箱中選取長木棍和小木塊做支點，撬出“石料”。接下來他們將遇到第二個問題，即如何將“石料”搬運到有一定高度的“施工現場”。學生再通過體驗科技館展品“自己拉自己”，了解到動滑輪可以省力，定滑輪可以改變力的方向，包含動滑輪和定滑輪的滑輪組既可以省力又可以改變力的方向。于是，經過討論合作，從工具箱中選取滑輪、籃球筐和跳繩，將跳繩拆成繩索繞過滑輪制成滑輪組，順利地提升起裝有“石料”的籃球筐，成功地完成了拱橋的搭建。這些被分解的問題情境不僅將任務具體化、趣味化，而且生動地展示了學生面對問題的分析能力和應變能力，將傳統參觀體驗展品展項轉化成對問題的綜合分析，把杠桿的定義、杠桿的平衡條件等科學原理變為滑輪和杠桿在問題情境中的靈活運用。

分解任務設計的問題情境比較適合參加科學探究活動的中低年齡段的學生。對于高年級學生，可以在搭建“拱橋”的基礎上繼續探究拱形結構受力原理。針對低年齡段設計的探究活動，有時為了增加問題情境設計的趣味性，可以事先將問題情境描述在一張張任務卡片上，封裝在檔案袋里，活動開始時由孩子開啟，提高任務的神秘感和儀式感。需要指出的是，“棱鏡分解效應”的目的不是為了分解任務而分解，而是巧妙利用問題情境之間的邏輯和學生認知過程的規律，形成一個有序的科學探究活動結構。

2.“放大”探究體驗和思考分析過程

放大探究體驗體現為設計中的“放大鏡效應”，即設計中強調感官沖擊和感官體驗，增強學生感性認識。人在認識客觀事物時存在知覺優先的傾向，如果探究設計中能提供并巧妙“放大”學生感性體驗和直觀觀察體會，進而有效地“誘發”思維分析的過程，可以促進學生在探究中將直觀感受上升到理性概括，彰顯出培養高階思維的過程。因此，活動設計上可設法將解決問題所關聯的科學概念、科學原理與科技館大型的演示展品、專門設計的實驗、制作的探究道具結合起來，通過這些演示、實驗和學生動手實踐，將活動涉及的科學現象“放大”呈現出來，使學生探究體驗更深刻。在體驗中將辯證思維過程放大，顯示思辨過程[5]。許多科技館都有關于伯努利原理和風洞原理的展品，利用這些展品可以開展飛機飛行方面的科學探究活動。以開展折紙飛機活動為例，設計上可以讓學生扮演未來飛機設計師的角色，讓學生解決如何讓紙飛機飛行更遠的問題。學生一般會認為紙飛機的機翼面積會影響飛行距離，因而可組織學生折疊機翼面積不同的紙飛機，現場投擲紙飛機進行試驗。學生試驗后發現有的紙飛機機翼大飛得遠，有的卻飛得近。這時，科技館輔導老師就要提醒學生考慮紙飛機的初始狀態應當一致，詢問大家有沒有考慮飛機的質量應該一樣，投擲紙飛機的力度和角度是否大致相同。學生們經過思考，選擇大小、厚薄相同的紙張重新折疊，并用牛皮筋拉伸大致相等的長度，以相同角度彈射出去。學生們試驗后又發現，開始時紙飛機機翼面積越大，飛行距離越遠，但機翼增大到一定面積后，面積大反而飛得近了。這時候，可以順勢引導學生思考討論剛剛發現的問題，及時組織他們觀看展品“風洞”的演示，觀察風洞中模型戰斗機機翼迎風角度增加后，比較機翼面積的改變與機翼壓力的變化關系。學生從中了解到，開始時機翼面積增加會獲得較大的升力，但是機翼面積超過一定數值后機翼受到的阻力會增加得更快，阻力超過升力，就會影響紙飛機飛行。學生們通過對比及思考、分析后，辯證思維能力將獲得提高。

3.過濾無關因素，突出主要信息

探究設計可借鑒手機濾鏡美化拍攝主體的“濾鏡效應”。首先，活動應舍棄各種“灌輸”式講解，避免科學探究活動成為科技館輔導老師“唱主角”式的解說和演示活動，而應突出學生的活動，學生在這類活動中是主動思考者、探究親歷者、結論發現者、學習構建者。科技館輔導老師則是活動中現象的啟發者、探究工具的提供者、思考的點撥者、活動的陪伴者。高階思維表現為學習者對探究對象進行科學的抽象與概括，進而形成知識和科學概念。學生對現象的充分感知則是獲取知識和科學概念的前提。因此，活動構思上應有目的地去引導學生對現象正確觀察，有意識地指導學生探求引發現象的主要因素，幫助學生排除探究中各種次要因素甚至是錯誤信息的干擾，尋找關鍵信息。設計上應突出學生從實驗現象中獲得充分的感知，讓參與學生在聚焦探究過程的同時，聚焦探究中運用的科學方法，進而協助學生搭建抽象概括的階梯和“腳手架”。其次，高階思維是建立在低階思維基礎之上的，因此活動開展可遵循低階思維和高階思維“共建”的方法，從低階思維的角度引入，循序漸進地深入。活動中所需完成的探究目標不能超過參與學生思考和分析能力，活動在設計上力求和學生思維能力與背景知識相匹配，遵循學生的認知規律，幫助學生在思考的過程中不斷聯系生活經驗、課堂知識、書本知識，引領思維的升華，促進分析、綜合、比較、判斷、推理等思維能力的提高[4]。最后，由于活動對象是中小學生，活動導入可加以趣味化，但不能過于強調趣味性而使活動泛娛樂化、形式化，有所變味。所以，在活動的形式設計上只能將趣味性作為“點綴”，過多的趣味橋段應當舍去。

四、關注科學，引導求異思維

求異思維是創新思維的重要組成部分，鼓勵學生提出全新問題，激發學生的創造靈感是創新思維發展的基石。在科學探究活動設計上，可啟發、引導學生從不同角度、不同方向、不同路徑去完成任務，鼓勵學生在探究過程中尋找到更合理、更便捷的實驗步驟。求異思維不是讓學生憑空設想，隨意想象，而是結合探究過程中的發現，基于對探究中科學概念的理解，運用自己的認知和推理去全新設想。筆者在活動實踐中發現在啟發學生求異思維時，小學高年級學生思維常表現為直覺思維，他們思維活躍但常常未對問題進行逐步分析，僅依據內因的感知就迅速地對問題答案、選擇方案作出設想判斷。這時，學生的思維、設想往往比較新穎別致，但缺乏與探究對象科學原理的合理聯系。因此，輔導老師在鼓勵學生求異求新思維的同時，要引導學生在探究觀察現象與分析問題關聯屬性的基礎上，尋找新的思考角度[6]。

江蘇省科技館展品“手蓄電池”，參與者將雙手分別接觸銅板與鋁板后，銅板與鋁板之間連接的電流表指針會發生轉動，演示電流的形成。根據該展品設計科學探究活動——制作原電池，要求學生在體驗展品“手蓄電池”后，參與“廚房電池發明家”活動，即學生設法從家庭冰箱中選擇材料制作簡易原電池，使小發光二極管發光。我們事先在科學教室放置小冰柜模擬家庭冰箱，里面擺放檸檬、糖水、鹽水、可樂、咖啡、礦泉水等物品。學生大多數選擇檸檬作為實驗材料，插入銅和鋅片后順利完成了任務。我們啟發學生，除了利用水果作電池材料，冰箱里還有哪些也可以用來制作原電池？有的學生發現，在體驗展品“手蓄電池”時，手掌帶有汗液越多，指針偏轉角度越大，從中得到啟發：鹽水可以作為原電池的材料。于是，我們要引導學生在鹽水實驗成功的基礎上，繼續推測還有哪些材料可以輸導電流？有的學生認為飲料也能導電，比如可樂、糖水。輔導老師組織學生用實驗驗證推測，發現二極管在可樂中能發光，而在糖水中不發光。這時，輔導老師結合檸檬、鹽水能導電的實驗現象，從微觀角度解析原電池的工作原理，使學生認識到制作原電池所需材質應具有導電性能，酸堿鹽成分可以導電。學生由此推測出檸檬含有酸性物質、可樂含有碳酸所以能導電，而糖水不含酸堿成分，所以不能導電。輔導老師還可繼續啟發學生思考：“冰箱中咖啡、糖水、礦泉水是不是都不能成為制作原電池的材料？”有的學生將知識有效總結后進行發散思考，創新地提出可以在這些物質中添加食醋或者食鹽，就能成為制作原電池的材料。這種思維則從選擇材料的角度轉變為改變材料的性質，體現出創新思維，輔導老師可及時予以表揚和鼓勵。

在探究活動設計上培育求異思維，科技館可以鼓勵學生不受既成經驗和已有知識的束縛，將各種現象和科學知識融合、交叉，引導學生在探究中合理利用直覺思維。直覺思維是一種非線性思維，具有不受“時間順序”“邏輯順序”束縛的特點。在探究活動中，可適當運用直覺思維，鼓勵學生從新角度思考問題，有計劃、有目的地引導學生從事物整體聯系出發，用發散、跳躍的思考方式去尋找解決問題的答案，為學生創設廣闊的思維空間提供條件，促進學生在科學探究活動中培養、提升自己的高階思維。

五、結束語

面向青少年開展培養高階思維的科學探究活動，目前在科技館界仍處于探索階段。培養高階思維是一個動態變化的過程，科技館界對培養高階思維的認識也是一個不斷發展、不斷深入的過程。這種科學探究活動的設計，沒有固定模式和方法可循，是一個不斷創新發展的過程，這要求科技館不能固化設計形式和結構，要勇于實踐，善于學習，在不斷探索中推陳出新。