五省吾思
——論工科院校一流課程建設過程中高階思維培養

白少元，許丹丹，張亞楠，張 琴，劉輝利，丁彥禮

(1.桂林理工大學 環境科學與工程學院，廣西 桂林 541004;2.桂林理工大學 地球科學學院，廣西 桂林 541004)

隨著習近平總書記關于教育的重要論述和全國教育大會精神的深入貫徹落實，教育部于2019 年發布了《關于一流本科課程建設的實施意見》，利用2020—2022 年三年時間，建成萬門國家級和萬門省級一流本科課程，全面振興本科教育。高等教育目標進一步向“以重大現實問題為主攻方向”的戰略調整，這給工程人才的培養規格提出了更高要求。課程是人才培養的核心要素，課程質量直接決定著人才培養質量，如何在課堂上，讓學生能夠靈活地、綜合地、創造性地運用所學的專業知識解決復雜工程問題，是高等教育目標調整對一線教師的教學能力提出的新挑戰[1]。

根據布魯姆認知模型，在課前預習和課堂教學活動中，最常開展的是圍繞基礎認知層次的記憶、理解、應用這三類低階思維培養，而如何利用所學專業知識進行分析、評價及創造，屬于高階思維培養范疇，是發生在較高認知水平層次上的心智活動或認知能力，也是培養人才具備解決復雜工程問題能力的根本。但由于高階思維成長的不易察覺性、難衡量性以及難記錄性，在教學評價中難以體現。因此，探索可操作的高階課程教學方法，培養學生的高階思維，對于創建一流課程具有重要意義。

一、高階思維培養

高階思維能力(Higher Order Thinking Skills)一直是國內外人才培養的最高目標，也是教育領域研究的熱點。美國、英國等國家課程框架文件中，都明確提出了要培養學生的創新能力、問題求解能力、決策力和批判性思維能力[2]。

高階思維是創造性活動的基礎，是定義的重釋，知識結構的重組，是思維和想象的統一，是分析思維和直覺思維的統一，是邏輯性和非邏輯性的統一[3]。在形式上是發散性思維(Divergent Thinking)的“放”和收斂性思維(Convergent Thinking)的“收”的統一。發散思維是一種求異思維，是大腦在進行思維活動時，根據主體記憶的存儲，呈現出一種視野寬廣的多維發散狀。它的認知方式是個體思維沿著多個方向擴展，將問題發散到各個相關方面，以精確修正的形式加工出多種可能的答案而不是唯一正確的答案，因而容易產生有創見的新穎觀念。具體體現為大腦針對一個問題呈現出的多種解決途徑，如“一題多解”“一事多辦”“一物多用”等。心理學家認為發散思維是創造性思維最主要的特點，是衡量主體創造力的主要標志之一。

在教學過程中，發散性思維培養要注重其流暢性、變通性以及獨特性。流暢性體現的是發散思維的速度與數量，體現了思維主體能否在盡可能短的時間內產生盡可能多的觀念;變通性則需要克服主體主觀意識上為自己設置的思維定式，按新方向來思考問題;獨特性是發散思維的最高目標，是思維主體能否給出異于常人的新奇反應的能力。

發散性思維在數量上為思維主體提供了盡可能多的解題方案，而收斂性思維則是在獲得的已知信息中產生邏輯結論，在多種解決途徑中有方向性、條理性的尋求正確答案的思維方式。因此，收斂性思維是將廣闊的思路匯聚成一個焦點，與發散性思維相對，它是一種降維求同的思維方式。在教學活動中，收斂性思維關鍵是培養學生思維環環相扣的連續性，將發散性思維產生的尚不成熟或不切實際的解決方案通過歸納、演繹和類比分析等手段進行有效篩選。在此過程中，學生會圍繞一個問題反復思考，甚至停頓下來，將原有思維不斷進行濃縮聚攏，讓思維在縱向上到達一定深度及穿透力，遵循惟實原則，得到切實可行的方案，順利解決問題。

二、五省吾思

國內外針對發散性與收斂性思維訓練法主要包括5 why 法與5 So 法，一個向上追問，一個向下追問，來增加思維鏈條的長度，也稱為“五問教學法”。這種方法通常是針對某個問題的深度探索，具有單向性的特點。但在教學活動中，難以將思維的發散度及縱深度靈活切換，讓學生有意識地鍛煉自己的高階思維。

“五省吾思”是參照儒家修身之法“吾日三省吾身”模式提出的一種高階思維培養方法。“三省吾身”是在為人處世的動態過程中不向外求，反求諸己，與思維培養的內求，完善自身知識結構的指向性一致。五省吾思是針對新知識點設定五個問題，通過新知識喚起已有相關的舊知識，并將二者銜接起來，利用自省記錄的方式，完成理解、應用、分析、評價、創造五個過程，從而將新知識點變成自身知識系統中一個存貯單元，在需要時靈活調用，幫助學生解決復雜工程問題[4]。五省的范圍靈活，可以是針對某次課、某個章節、某個知識單元，也可以是某門課、某個領域進行思考，問題設置如下。

“一省”，在本次課/本單位/本門課中最讓我觸動的知識點是什么？

第一個問題，主要是幫助學生鎖定一個新知識點。而在眾多知識點中，能引發學生思考的，通常是與本身已有知識體系沖突較大的知識點，也是發散性思考過程中，改變固有思維定式所必須的。只有多發現更多的矛盾點，才能表達出盡可能多的思維觀念，給問題的解決途徑提供多種可能。

“二省”，對于這個知識點，我之前是怎么理解的？

這個問題的提出，幫助學生喚起已有知識體系，幫助學生鎖定矛盾點，完成知識點的理解過程，同時建立思維的連接性。

“三省”，學習這個知識點之后，我的認知有哪些變化？

通過對這個問題的思考，完成對新知識的分析過程，同時化解新知識與已有知識體系的矛盾點。

“四省”，我現在覺得，對于這個知識點應該如何考慮才對？

對這個問題的回答，屬于知識點的評價，通過對相關知識的比較分析，幫助學生完善知識體系，將新知識點變為思維體系中的一個存儲單元。

“五省”，未來這個知識點可以怎么應用？

通過假設，嘗試創造，服務于創造性思維所需要的“靈感”“頓悟”。創造性思維的產生帶有突然性，常常被稱為靈感，而靈感屬于“頓悟”。而“靈感”并非憑空而來，一般需要經歷準備期、醞釀期、豁朗期和驗證期四個階段，因此在接觸新知識點時，思維主體提出假設，為將來成為“靈感”提供可能。

五省吾思就是通過五個簡單問題搭建起來的聯動性思維，按照“發散→聚合→再發散→再聚合”的方式，讓思考主體在問題思考的過程中激發情感，啟發智慧，提出獨特性的方法，遵循“感性認識→理性認識→實踐”的認知過程，培養學生的高階創造能力。

三、五省吾思在課堂上的組織實施

環境工程專業課程體系主要由陳述類課程、非陳述類課程及實踐類課程組成，五省吾思實施方式有所差異。

(一)陳述類專業課程

環境工程概論、環境工程微生物學等陳述性課程，是個人根據一定的線索能夠陳述，用于說明事物“是什么”“怎么樣”“為什么”的專業課程。在此類課程的教學過程中，通過設計由淺入深、循序漸進的階梯化教學內容和教學資源，采用團隊學習式教學法，將學生進行分組，依托教學內容的延展對每組進行命題，團隊分工進行資料查閱、內容歸類、梳理匯總、形成報告、結合五省吾思進行小組匯報，達到寬口徑知識面的拓展方法，滿足學生差異化、個性化的學習需求，在專業領域為學生提供自由探索的學習途徑。

以環境工程導論課程為例，該課程作為環境工程專業新生入門級專業課程，涵蓋的內容廣泛，包括保護環境工程技術學、環境工程規劃管理和環境工程監測評價等方面，根據環境領域實際問題，知識點更新速度快，如何在有限的課時內，傳遞給學生更多的知識點、教會學生自主學習、學會自己思考至關重要。教學過程采用團隊式教學法，將學生進行分組，每個小組結合新興環境問題進行命題，內容包括我國農村污水處理、海洋污染、微塑料、抗生素、PPCPs 等新興污染物、土壤重金屬污染、生態城市建設、高標準農田建設與面源污染等等。學生在查閱資料，撰寫調研報告時，根據五省吾思進行反思。

“一省”：我們小組選擇的主題是什么？

“二省”：對于這個主題，我之前是怎么理解的？

“三省”：調查之后，對這個主題的認知有哪些變化？

“四省”：前后對比，我現在覺得，這個主題應該怎么考慮才對？

“五省”：未來在這個主題方向上可能會怎么做？

五省吾思方法的加入，能夠充分挖掘小組作業完成前后自己的專業知識收獲及思維成長過程，通過這個鍛煉過程，讓學生在掌握對未知問題的探索、分析、研究方法的同時，對環境問題進行深入思考，并激發其熱愛環境事業的職業擔當。

(二)非陳述類專業課程

水污染控制工程、大氣污染控制工程、固體廢物處理處置工程和環境工程CAD 等非陳述類課程，屬于程序性知識范疇，是“做什么”“怎么做”，傳授從已知狀態向目標狀態轉化的知識。在此類課程中，引入“以案例為基礎”的高縱深知識單元教授方法，以新興污染問題、先進的治理技術、新型設備開發為授課案例，提高課程的高階性、創新性與挑戰度。在這一過程中，教師成為案例講述者、設計者和激勵者，引導學生利用五省吾思思考方式，充分運用基礎理論、專業知識和技術標準規范，提出解決方案的能力，并在此過程中，教會學生對待工程問題的惟實、取舍的工程哲學精神。

以環境工程CAD 課程為例，該課程是環境工程專業一門實踐性很強的專業課程，學生在開課前已經學過環境工程導論、大氣污染控制和固體廢物處理處置等專業課程，了解污染處理的基本工藝流程，也已經參加完認識實習，現場參觀了污水處理廠、垃圾填埋場及各類工廠里的廢氣、污水、固廢等污染物的處理處置。但在教學過程中發現，學生雖然懂原理、會計算、能臨摹，但長期以來，獨立設計出圖能力一直不佳。

圖紙是整體設計思想的直觀體現，需要在圖紙上體現的工程細節，如污水處理廠構筑物的進、出水管的管徑是否有差異，安裝位置是在地上還是在地下等，涉及到排水工程、流體力學、環境工程原理與設備等多門專業課中學到的知識。因此，學生獨立設計能力差的原因歸結起來，就在于各門專業課中的知識在學生腦海中是孤立的，彼此間缺少銜接性，難以在解決實際工程問題時靈活調用。

環境工程CAD 內容主要包括污染控制工程平面布局圖、管線圖、高程(流程)圖、單體構筑物圖、場地圖的繪制方法與要點。為提高課程的“兩性一度”，課程目標不局限于教會學生使用繪圖軟件，臨摹出圖，更重要的是，要以圖形為載體，幫學生串聯起其他專業課上學到的知識，如平面圖布局中各構筑物的位置擺放要點，直線布局原則，氣、液、固管線的交叉與走向，高程圖管線連接的力學設計、壓力/水頭損失，單體圖的工藝原理與運行過程，以及設計構圖中蘊含的工程倫理學及職業素養等等。

學生在學習過程中思維的變化過程采用五省吾思進行記錄及評價，讓學生對每個問題進行思考，同時分享其他同學的想法。利用圖紙給學生搭建發散性-收斂性思維鍛煉平臺，讓學生基于圖紙，重新審視專業知識。環境工程CAD 的五省吾思報告(下稱“五省”報告)安排在每一幅圖紙作業完成后及課程結束后進行。以課程結束后的題目為例，“五省”內容如下。

題目：我們的課程主要講解并練習了污染控制工程平面圖、管線圖、高程圖、單體圖、場地圖的畫法要點和注意事項等，請在下面幾個學習環節中，選擇一個自己印象深刻的單元，進行學習總結。可選學習單元：(1)平面圖及管線圖;(2)高程圖;(3)單體圖;(4)場地圖;(5)圖形設計考試。

“一省”：我選的學習單元是哪個，這個環節中用到哪些以前哪門課上學過的哪些知識點？

“二省”：對于這些專業知識點，我之前是怎么理解的？

“三省”：CAD 課程學過之后，對這些知識點的認知有哪些變化？

“四省”：我現在覺得，這些知識點應該怎么考慮才對？

“五省”：以后這些知識點可能會怎么用？

報告收上來之后，根據學生選擇的知識單元進行分組，將“五省”報告在組內與組間進行互讀分享，教師總結并點評學生反思內容。

(三)實踐類課程

針對畢業設計、實習及各種技能競賽等實踐類環節，主要采用“問題導向式”教學方法，讓學生居于主體地位，鼓勵學生采用五省吾思方法探索實踐，教師引導學生將解決問題的過程進行總結與反思，拓展問題的深度和廣度，鍛煉學生解決復雜工程問題的能力。同時幫助學生樹立嚴謹工作作風和實事求是的科學精神，并從中體會到作為一名卓越工程師應當具備的工程倫理、職業道德和社會主義核心價值觀。

四、五省吾思與課程思政教育元素挖掘

專業課程內容的思想政治教育資源主要有兩種呈現方式：一是挖掘課程本身蘊含的思想政治教育素材，融入教學過程的各環節;二是將知識體系之外的思政素材通過一定的教學方式，融入到教學過程中，使二者有機結合。

在講授環境工程CAD 課程中污水處理廠消毒環節設計時，思想政治教育素材是結合新冠肺炎疫情期間環保工作者如何通過自己的努力，將污水中可能殘存的新冠病毒有效消殺，保護水環境安全，這一實際情況自然凝練而來的。在此過程中，利用五省吾思思維訓練法，讓學生喚起水污染控制及微生物課程中對病毒生理特征及消毒知識單元的記憶，污水消毒有哪幾種工藝？次氯酸、紫外、臭氧消毒這些工藝有何優缺點？結合病毒特征，哪種方法對新冠病毒的殺滅更有效？設計中的關鍵參數及控制指標是什么？讓學生形成“五省”報告，對于新冠病毒和消毒工藝，我之前是怎么理解的？現在我對這些知識點的認知有哪些變化？我現在覺得，這些知識點應該怎么考慮才對？在設計畫圖中這些關鍵點應該怎么把控？據此，幫助學生建立起強烈的責任感、使命感，讓學生具有以人為本，人民之上的時代精神。

五、實施效果

五省吾思在課程中實施后，學生針對具體問題呈現出的設計能力顯著提高，這在學生創新創業大賽參與的數量及質量上、學生畢業設計水平上均有所體現。學生畢業設計作品在2019、2020 年連續兩年獲全國高校環境類專業本科優秀畢業設計。

除了知識技能的掌握及提升之外，“五省”報告也體現出學生萌發出較好的工程倫理學、職業道德等人文思想，以及對待工程問題的惟實、取舍、擔當精神。如學生在針對污水處理工程平面布局的“五省”報告中寫到：“污水處理構筑物設計不能做的過大，造成閑置浪費，也不能設計過小，難以達到預期效果，如果未來需要做決定，寧愿保守也不能冒進，務必保證出水的穩定達標排放……”;“污水處理廠設施的布置，要考慮實際的氣味、噪聲、衛生環境等，未來的污水廠要建成讓人感覺是去寫字樓上班一樣的污水廠，能安全、舒適的工作……”;“工程的設計需要考慮的因素很多、很零碎，工程中做出的每一個決定都是綜合性的，需要有所取舍、有所側重，為此，今后我會注重培養自己的綜合判斷能力，并且加強專業知識的細微點學習，越是要做好一個決定，自己的見識應該越廣，才能考慮的越周全……”。

六、結束語

采用五省吾思法對思維進行訓練后，開始會發現學生的思維能力顯著提升，但隨著課程的深入，學生會進入瓶頸期，五省吾思無法幫助學生解決問題，發散度及縱深度均很難再延展開來。出現這一現象，并非是思維本身的瓶頸期，不是思維能力無法延展，而是到了知識的瓶頸期。思維與知識之間的關系是交互影響的，一切思維都是建立在知識的基礎上，一般思維能力的局限往往是知識的匱乏引起的。此時，應提醒學生加強專業知識的學習和拓展，同時利用五省吾思將新知識不斷累加到原有知識體系中，讓思維與知識互相促進，才能成為社會主義新時代建設的卓越人才。