李云海

(江苏省科学技术馆，江苏 南京 210013)

一、初解高阶思维概念

虽然高阶思维没有公认一致的定义，但学界普遍认为，人们的思维过程分为记忆、理解、应用、分析、综合、评价与创造。其中记忆、理解、应用可划分为低阶思维，而高阶思维则是在低阶思维基础上的分析、综合、评价与创造。分析是把复杂的知识整体材料分解成各部分并且理解各部分间联系的能力，包括对部分的鉴别，以及分析部分之间的关系和认识其中的组织原理。综合是在分析上的晋级。它将所学知识的各部分重新组合，形成一个新的知识整体，强调的是创造能力，是形成新的模式或结构的能力。评价是对材料做价值判断的能力，是最高水平的认知结果。它要求超越原先的学习内容，并需要基于明确标准的价值判断[1]。由此可见，高阶思维核心是辩证思维和创新思维，主要涵盖创新能力、问题求解能力和批判性思维能力等较高的思维能力。因此，高阶思维是科学核心素养的关键部分，也是科学教育的重要目标[2]。

二、科技馆科学探究活动与高阶思维培养

(一)科技馆探究活动特点

当前，科技馆正开展形式多样、内容丰富的科学教育活动。这些科学教育活动包括面对展品的科普讲解、科学讲座、科学探究课、科学表演(科普剧)、动手类STEM拼装等。基于馆内展品开发的科学探究课程，通过操作、演示展品呈现出的各种现象，阐述展品所包含的科学原理，同时，设计相关的动手实验，帮助参与者经过手脑参与，真正理解、掌握所涉及的科学概念、原理。这类科学探究活动越来越受到参与者的青睐，愈发获得科技馆界的重视。与学校实验室的传统实验展示相比，科技馆演示的展品外观相对大型，有的配备相应辅助结构(如声、光控制辅助)，具有展示效果明显、科学现象突出、便于向参与者阐释相应科学原理等优点。另外，由于科技馆展品演示往往更具趣味性和视觉效果，对学生更有吸引力，能够帮助学生产生探究其中科学原理的热情。由此可见，基于科技馆展品展项设计开发的科学探究课程能够充分发挥展品资源优势，促使学生乐意参与相应的探究活动。

(二)科技馆探究活动与思维的联系

学校的教学过程通常是教师指导学生学习书本、黑板文字(板书)、PPT展示等提供的科学定理、公式，之后，学生利用已学的定理、公式进行练习解题。在学校，学生学习定理、公式推导过程，进而在习题练习中形成对公式的记忆和运用，体现的是演绎学习的方法[3]。因此，课堂学习内容是抽象的定理和公式，学习者获得的是间接经验而非直接经验，学生在学习过程中通过做习题增加熟练程度，提高解题速度。相比之下，科技馆科学探究活动则先从观察事物的现象出发，参与活动的学生进行初步假设，通过探究手段，在验证假设的过程中不断修正、完善最初的假设，最终形成自己的结论，获得直接经验，运用的是归纳学习法。学生在探究过程中需要从具体的体验认知中自己归纳出抽象的科学概念，这一探究过程涉及深入的思考过程和持久的思维活动。如果将学校正规教育和科技馆科学探究活动之间差异，通过学校课程与科技馆探究课对比表(表1)进行比较，从中可以清晰地看出科技馆的探究活动学习效果，最终会影响并促进思维能力的发展。

表1 学校课程与科技馆探究课比较

(三)科技馆探究活动促进高阶思维发展

在科技馆开展的科学探究活动中，学生面对具体的探究对象进行探究实践。由于学生不是从已知抽象的定理结论开始，而是从具体、真实的，可观可感、能体验的现象入手，在探究的过程中主动地获取生动真实的探索结果，这一探究过程强调直接经验的积累及其与间接经验的有效衔接。在获得直接经验的过程中，参与学生根据对探究现象的分析，综合自己原有的经验，进而形成自己的判断并得出结论。这样的分析、综合、评价判断和创造是高阶思维重要的组成与体现。学生在不断探索、改进、优化、完善实验方法的探究步骤中形成深刻的思考，养成正确的科学方法和思维习惯，逐步产生解决问题的能力，进而推动创造性思维、求异思维、发散思维的培养和形成。在具体的探究实践中，我们发现学生多次参加科学探究活动后，会逐渐学会通过观察、记录、对比实验现象和数据，分析、综合、概括探究现象，进而运用假设、类比、推理等方法解决问题，得出探究结论。学生在多次探究实践之后，会渐渐了解、掌握这些科学方法和思维过程，并逐渐形成运用这些方法的心理定势。这种探究形成的思维特征涵盖了高阶思维的基本要素，因此科学探究活动可有力地凸显学生高阶思维能力的培养过程。

三、探究活动中高阶思维设计建议

(一)设置问题情境展开设计

展品设计科学探究活动可运用多种设计方法，其中设置具体的问题情境是设计探究活动多样化方案中较为行之有效的方法之一。该方法是利用相关展品，以展示科学原理或科学概念为探究目标，根据演示、实验等探究对象与探究目标设置出参与者需要完成的探究任务，而这项探究任务又隐藏在巧设的问题情境当中。学生面对设置的问题情境，将通过动手操作、实验等探究的方式去解决问题，逐步解决问题的过程也是科学探究不断展开的过程。学生在展开的探究进程中获得正确的科学方法，培养高阶思维能力。另外，设置问题情境可以帮助学生“沉浸”到具体的探究环境中，使探究目标变得具体、鲜活和生动，引发学生完成探究的兴趣和欲望。

学生在具体的问题情境中，会专注探究展品和相关实验带来的真实现象，面对问题，会运用科学的探究方法，寻找正确的探究思路，最终加以解决。在解决问题的过程中，科技馆辅导人员会不断为学生提供探究工具和探究方法，引导学生手脑合作去分析、选择探究工具和探究方法，观察对比探究中产生的各种现象，进而得出结论。在这一过程中，创造性思维、多样性思维等高阶思维的培养水到渠成。由于参与科技馆探究活动的学生来自不同学校、年级，因而设计探究任务和设置问题情境要综合考虑参与者的认知水平和探究实践过程的难度，如实验操作的难度、探究中参与者理解的难度、探究中科学方法运用的难度等。因此，问题情境可以采取分层次、分阶段、组合嵌套等多种安排设计，使参与者能够有效地完成探究活动。

(二)借助“三镜效应”优化设计

1.分解探究问题

正如棱镜可将通过的普通白光分解成美丽的七种色光，科学教育活动在设计上也可以采用“棱镜分解效应”，即先选取科技馆内能展现、可体验明显现象的展品、实验，将其变为科学探究问题，并将探究问题分解成若干小任务，然后将每个任务设计转变为具体的问题情境，让学生面对具体情境去分析问题并着手解决问题。这些问题情境设计上要避免彼此孤立，要建立一条逻辑主线构成一个有机的整体，且能逐层递进。学生在解决初步问题情境后，能进一步解决下一个问题情境。如我馆有“拱桥”展项，参与者将七块大小不一的大型积木拼搭成拱桥，并可在拱桥上行走以体验和学习拱形的特殊力学构造。我们将原先学生搭建拱桥的环节，按照高阶思维角度重新设计，巧妙变成问题情境：让参与学生“化身”为一千年前为中国赵州桥施工的小工匠。七块大积木作为建桥的“石料”。小工匠们以小组为单位用这七块“石料”搭建起“赵州桥”。学生首先要考虑如何使用工具将最大的“石料”从“山沟”(活动特制的塑料凹槽)里取出。通过辅导员讲解展品“大秤”，学生从杠杆原理受到启发，从工具箱中选取长木棍和小木块做支点，撬出“石料”。接下来他们将遇到第二个问题，即如何将“石料”搬运到有一定高度的“施工现场”。学生再通过体验科技馆展品“自己拉自己”，了解到动滑轮可以省力，定滑轮可以改变力的方向，包含动滑轮和定滑轮的滑轮组既可以省力又可以改变力的方向。于是，经过讨论合作，从工具箱中选取滑轮、篮球筐和跳绳，将跳绳拆成绳索绕过滑轮制成滑轮组，顺利地提升起装有“石料”的篮球筐，成功地完成了拱桥的搭建。这些被分解的问题情境不仅将任务具体化、趣味化，而且生动地展示了学生面对问题的分析能力和应变能力，将传统参观体验展品展项转化成对问题的综合分析，把杠杆的定义、杠杆的平衡条件等科学原理变为滑轮和杠杆在问题情境中的灵活运用。

分解任务设计的问题情境比较适合参加科学探究活动的中低年龄段的学生。对于高年级学生，可以在搭建“拱桥”的基础上继续探究拱形结构受力原理。针对低年龄段设计的探究活动，有时为了增加问题情境设计的趣味性，可以事先将问题情境描述在一张张任务卡片上，封装在档案袋里，活动开始时由孩子开启，提高任务的神秘感和仪式感。需要指出的是，“棱镜分解效应”的目的不是为了分解任务而分解，而是巧妙利用问题情境之间的逻辑和学生认知过程的规律，形成一个有序的科学探究活动结构。

2.“放大”探究体验和思考分析过程

放大探究体验体现为设计中的“放大镜效应”，即设计中强调感官冲击和感官体验，增强学生感性认识。人在认识客观事物时存在知觉优先的倾向，如果探究设计中能提供并巧妙“放大”学生感性体验和直观观察体会，进而有效地“诱发”思维分析的过程，可以促进学生在探究中将直观感受上升到理性概括，彰显出培养高阶思维的过程。因此，活动设计上可设法将解决问题所关联的科学概念、科学原理与科技馆大型的演示展品、专门设计的实验、制作的探究道具结合起来，通过这些演示、实验和学生动手实践，将活动涉及的科学现象“放大”呈现出来，使学生探究体验更深刻。在体验中将辩证思维过程放大，显示思辨过程[5]。许多科技馆都有关于伯努利原理和风洞原理的展品，利用这些展品可以开展飞机飞行方面的科学探究活动。以开展折纸飞机活动为例，设计上可以让学生扮演未来飞机设计师的角色，让学生解决如何让纸飞机飞行更远的问题。学生一般会认为纸飞机的机翼面积会影响飞行距离，因而可组织学生折叠机翼面积不同的纸飞机，现场投掷纸飞机进行试验。学生试验后发现有的纸飞机机翼大飞得远，有的却飞得近。这时，科技馆辅导老师就要提醒学生考虑纸飞机的初始状态应当一致，询问大家有没有考虑飞机的质量应该一样，投掷纸飞机的力度和角度是否大致相同。学生们经过思考，选择大小、厚薄相同的纸张重新折叠，并用牛皮筋拉伸大致相等的长度，以相同角度弹射出去。学生们试验后又发现，开始时纸飞机机翼面积越大，飞行距离越远，但机翼增大到一定面积后，面积大反而飞得近了。这时候，可以顺势引导学生思考讨论刚刚发现的问题，及时组织他们观看展品“风洞”的演示，观察风洞中模型战斗机机翼迎风角度增加后，比较机翼面积的改变与机翼压力的变化关系。学生从中了解到，开始时机翼面积增加会获得较大的升力，但是机翼面积超过一定数值后机翼受到的阻力会增加得更快，阻力超过升力，就会影响纸飞机飞行。学生们通过对比及思考、分析后，辩证思维能力将获得提高。

3.过滤无关因素，突出主要信息

探究设计可借鉴手机滤镜美化拍摄主体的“滤镜效应”。首先，活动应舍弃各种“灌输”式讲解，避免科学探究活动成为科技馆辅导老师“唱主角”式的解说和演示活动，而应突出学生的活动，学生在这类活动中是主动思考者、探究亲历者、结论发现者、学习构建者。科技馆辅导老师则是活动中现象的启发者、探究工具的提供者、思考的点拨者、活动的陪伴者。高阶思维表现为学习者对探究对象进行科学的抽象与概括，进而形成知识和科学概念。学生对现象的充分感知则是获取知识和科学概念的前提。因此，活动构思上应有目的地去引导学生对现象正确观察，有意识地指导学生探求引发现象的主要因素，帮助学生排除探究中各种次要因素甚至是错误信息的干扰，寻找关键信息。设计上应突出学生从实验现象中获得充分的感知，让参与学生在聚焦探究过程的同时，聚焦探究中运用的科学方法，进而协助学生搭建抽象概括的阶梯和“脚手架”。其次，高阶思维是建立在低阶思维基础之上的，因此活动开展可遵循低阶思维和高阶思维“共建”的方法，从低阶思维的角度引入，循序渐进地深入。活动中所需完成的探究目标不能超过参与学生思考和分析能力，活动在设计上力求和学生思维能力与背景知识相匹配，遵循学生的认知规律，帮助学生在思考的过程中不断联系生活经验、课堂知识、书本知识，引领思维的升华，促进分析、综合、比较、判断、推理等思维能力的提高[4]。最后，由于活动对象是中小学生，活动导入可加以趣味化，但不能过于强调趣味性而使活动泛娱乐化、形式化，有所变味。所以，在活动的形式设计上只能将趣味性作为“点缀”，过多的趣味桥段应当舍去。

四、关注科学，引导求异思维

求异思维是创新思维的重要组成部分，鼓励学生提出全新问题，激发学生的创造灵感是创新思维发展的基石。在科学探究活动设计上，可启发、引导学生从不同角度、不同方向、不同路径去完成任务，鼓励学生在探究过程中寻找到更合理、更便捷的实验步骤。求异思维不是让学生凭空设想，随意想象，而是结合探究过程中的发现，基于对探究中科学概念的理解，运用自己的认知和推理去全新设想。笔者在活动实践中发现在启发学生求异思维时，小学高年级学生思维常表现为直觉思维，他们思维活跃但常常未对问题进行逐步分析，仅依据内因的感知就迅速地对问题答案、选择方案作出设想判断。这时，学生的思维、设想往往比较新颖别致，但缺乏与探究对象科学原理的合理联系。因此，辅导老师在鼓励学生求异求新思维的同时，要引导学生在探究观察现象与分析问题关联属性的基础上，寻找新的思考角度[6]。

江苏省科技馆展品“手蓄电池”，参与者将双手分别接触铜板与铝板后，铜板与铝板之间连接的电流表指针会发生转动，演示电流的形成。根据该展品设计科学探究活动——制作原电池，要求学生在体验展品“手蓄电池”后，参与“厨房电池发明家”活动，即学生设法从家庭冰箱中选择材料制作简易原电池，使小发光二极管发光。我们事先在科学教室放置小冰柜模拟家庭冰箱，里面摆放柠檬、糖水、盐水、可乐、咖啡、矿泉水等物品。学生大多数选择柠檬作为实验材料，插入铜和锌片后顺利完成了任务。我们启发学生，除了利用水果作电池材料，冰箱里还有哪些也可以用来制作原电池？有的学生发现，在体验展品“手蓄电池”时，手掌带有汗液越多，指针偏转角度越大，从中得到启发：盐水可以作为原电池的材料。于是，我们要引导学生在盐水实验成功的基础上，继续推测还有哪些材料可以输导电流？有的学生认为饮料也能导电，比如可乐、糖水。辅导老师组织学生用实验验证推测，发现二极管在可乐中能发光，而在糖水中不发光。这时，辅导老师结合柠檬、盐水能导电的实验现象，从微观角度解析原电池的工作原理，使学生认识到制作原电池所需材质应具有导电性能，酸碱盐成分可以导电。学生由此推测出柠檬含有酸性物质、可乐含有碳酸所以能导电，而糖水不含酸碱成分，所以不能导电。辅导老师还可继续启发学生思考：“冰箱中咖啡、糖水、矿泉水是不是都不能成为制作原电池的材料？”有的学生将知识有效总结后进行发散思考，创新地提出可以在这些物质中添加食醋或者食盐，就能成为制作原电池的材料。这种思维则从选择材料的角度转变为改变材料的性质，体现出创新思维，辅导老师可及时予以表扬和鼓励。

在探究活动设计上培育求异思维，科技馆可以鼓励学生不受既成经验和已有知识的束缚，将各种现象和科学知识融合、交叉，引导学生在探究中合理利用直觉思维。直觉思维是一种非线性思维，具有不受“时间顺序”“逻辑顺序”束缚的特点。在探究活动中，可适当运用直觉思维，鼓励学生从新角度思考问题，有计划、有目的地引导学生从事物整体联系出发，用发散、跳跃的思考方式去寻找解决问题的答案，为学生创设广阔的思维空间提供条件，促进学生在科学探究活动中培养、提升自己的高阶思维。

五、结束语

面向青少年开展培养高阶思维的科学探究活动，目前在科技馆界仍处于探索阶段。培养高阶思维是一个动态变化的过程，科技馆界对培养高阶思维的认识也是一个不断发展、不断深入的过程。这种科学探究活动的设计，没有固定模式和方法可循，是一个不断创新发展的过程，这要求科技馆不能固化设计形式和结构，要勇于实践，善于学习，在不断探索中推陈出新。