白少元，许丹丹，张亚楠，张 琴，刘辉利，丁彦礼

(1.桂林理工大学 环境科学与工程学院，广西 桂林 541004;2.桂林理工大学 地球科学学院，广西 桂林 541004)

随着习近平总书记关于教育的重要论述和全国教育大会精神的深入贯彻落实，教育部于2019 年发布了《关于一流本科课程建设的实施意见》，利用2020—2022 年三年时间，建成万门国家级和万门省级一流本科课程，全面振兴本科教育。高等教育目标进一步向“以重大现实问题为主攻方向”的战略调整，这给工程人才的培养规格提出了更高要求。课程是人才培养的核心要素，课程质量直接决定着人才培养质量，如何在课堂上，让学生能够灵活地、综合地、创造性地运用所学的专业知识解决复杂工程问题，是高等教育目标调整对一线教师的教学能力提出的新挑战[1]。

根据布鲁姆认知模型，在课前预习和课堂教学活动中，最常开展的是围绕基础认知层次的记忆、理解、应用这三类低阶思维培养，而如何利用所学专业知识进行分析、评价及创造，属于高阶思维培养范畴，是发生在较高认知水平层次上的心智活动或认知能力，也是培养人才具备解决复杂工程问题能力的根本。但由于高阶思维成长的不易察觉性、难衡量性以及难记录性，在教学评价中难以体现。因此，探索可操作的高阶课程教学方法，培养学生的高阶思维，对于创建一流课程具有重要意义。

一、高阶思维培养

高阶思维能力(Higher Order Thinking Skills)一直是国内外人才培养的最高目标，也是教育领域研究的热点。美国、英国等国家课程框架文件中，都明确提出了要培养学生的创新能力、问题求解能力、决策力和批判性思维能力[2]。

高阶思维是创造性活动的基础，是定义的重释，知识结构的重组，是思维和想象的统一，是分析思维和直觉思维的统一，是逻辑性和非逻辑性的统一[3]。在形式上是发散性思维(Divergent Thinking)的“放”和收敛性思维(Convergent Thinking)的“收”的统一。发散思维是一种求异思维，是大脑在进行思维活动时，根据主体记忆的存储，呈现出一种视野宽广的多维发散状。它的认知方式是个体思维沿着多个方向扩展，将问题发散到各个相关方面，以精确修正的形式加工出多种可能的答案而不是唯一正确的答案，因而容易产生有创见的新颖观念。具体体现为大脑针对一个问题呈现出的多种解决途径，如“一题多解”“一事多办”“一物多用”等。心理学家认为发散思维是创造性思维最主要的特点，是衡量主体创造力的主要标志之一。

在教学过程中，发散性思维培养要注重其流畅性、变通性以及独特性。流畅性体现的是发散思维的速度与数量，体现了思维主体能否在尽可能短的时间内产生尽可能多的观念;变通性则需要克服主体主观意识上为自己设置的思维定式，按新方向来思考问题;独特性是发散思维的最高目标，是思维主体能否给出异于常人的新奇反应的能力。

发散性思维在数量上为思维主体提供了尽可能多的解题方案，而收敛性思维则是在获得的已知信息中产生逻辑结论，在多种解决途径中有方向性、条理性的寻求正确答案的思维方式。因此，收敛性思维是将广阔的思路汇聚成一个焦点，与发散性思维相对，它是一种降维求同的思维方式。在教学活动中，收敛性思维关键是培养学生思维环环相扣的连续性，将发散性思维产生的尚不成熟或不切实际的解决方案通过归纳、演绎和类比分析等手段进行有效筛选。在此过程中，学生会围绕一个问题反复思考，甚至停顿下来，将原有思维不断进行浓缩聚拢，让思维在纵向上到达一定深度及穿透力，遵循惟实原则，得到切实可行的方案，顺利解决问题。

二、五省吾思

国内外针对发散性与收敛性思维训练法主要包括5 why 法与5 So 法，一个向上追问，一个向下追问，来增加思维链条的长度，也称为“五问教学法”。这种方法通常是针对某个问题的深度探索，具有单向性的特点。但在教学活动中，难以将思维的发散度及纵深度灵活切换，让学生有意识地锻炼自己的高阶思维。

“五省吾思”是参照儒家修身之法“吾日三省吾身”模式提出的一种高阶思维培养方法。“三省吾身”是在为人处世的动态过程中不向外求，反求诸己，与思维培养的内求，完善自身知识结构的指向性一致。五省吾思是针对新知识点设定五个问题，通过新知识唤起已有相关的旧知识，并将二者衔接起来，利用自省记录的方式，完成理解、应用、分析、评价、创造五个过程，从而将新知识点变成自身知识系统中一个存贮单元，在需要时灵活调用，帮助学生解决复杂工程问题[4]。五省的范围灵活，可以是针对某次课、某个章节、某个知识单元，也可以是某门课、某个领域进行思考，问题设置如下。

“一省”，在本次课/本单位/本门课中最让我触动的知识点是什么？

第一个问题，主要是帮助学生锁定一个新知识点。而在众多知识点中，能引发学生思考的，通常是与本身已有知识体系冲突较大的知识点，也是发散性思考过程中，改变固有思维定式所必须的。只有多发现更多的矛盾点，才能表达出尽可能多的思维观念，给问题的解决途径提供多种可能。

“二省”，对于这个知识点，我之前是怎么理解的？

这个问题的提出，帮助学生唤起已有知识体系，帮助学生锁定矛盾点，完成知识点的理解过程，同时建立思维的连接性。

“三省”，学习这个知识点之后，我的认知有哪些变化？

通过对这个问题的思考，完成对新知识的分析过程，同时化解新知识与已有知识体系的矛盾点。

“四省”，我现在觉得，对于这个知识点应该如何考虑才对？

对这个问题的回答，属于知识点的评价，通过对相关知识的比较分析，帮助学生完善知识体系，将新知识点变为思维体系中的一个存储单元。

“五省”，未来这个知识点可以怎么应用？

通过假设，尝试创造，服务于创造性思维所需要的“灵感”“顿悟”。创造性思维的产生带有突然性，常常被称为灵感，而灵感属于“顿悟”。而“灵感”并非凭空而来，一般需要经历准备期、酝酿期、豁朗期和验证期四个阶段，因此在接触新知识点时，思维主体提出假设，为将来成为“灵感”提供可能。

五省吾思就是通过五个简单问题搭建起来的联动性思维，按照“发散→聚合→再发散→再聚合”的方式，让思考主体在问题思考的过程中激发情感，启发智慧，提出独特性的方法，遵循“感性认识→理性认识→实践”的认知过程，培养学生的高阶创造能力。

三、五省吾思在课堂上的组织实施

环境工程专业课程体系主要由陈述类课程、非陈述类课程及实践类课程组成，五省吾思实施方式有所差异。

(一)陈述类专业课程

环境工程概论、环境工程微生物学等陈述性课程，是个人根据一定的线索能够陈述，用于说明事物“是什么”“怎么样”“为什么”的专业课程。在此类课程的教学过程中，通过设计由浅入深、循序渐进的阶梯化教学内容和教学资源，采用团队学习式教学法，将学生进行分组，依托教学内容的延展对每组进行命题，团队分工进行资料查阅、内容归类、梳理汇总、形成报告、结合五省吾思进行小组汇报，达到宽口径知识面的拓展方法，满足学生差异化、个性化的学习需求，在专业领域为学生提供自由探索的学习途径。

以环境工程导论课程为例，该课程作为环境工程专业新生入门级专业课程，涵盖的内容广泛，包括保护环境工程技术学、环境工程规划管理和环境工程监测评价等方面，根据环境领域实际问题，知识点更新速度快，如何在有限的课时内，传递给学生更多的知识点、教会学生自主学习、学会自己思考至关重要。教学过程采用团队式教学法，将学生进行分组，每个小组结合新兴环境问题进行命题，内容包括我国农村污水处理、海洋污染、微塑料、抗生素、PPCPs 等新兴污染物、土壤重金属污染、生态城市建设、高标准农田建设与面源污染等等。学生在查阅资料，撰写调研报告时，根据五省吾思进行反思。

“一省”：我们小组选择的主题是什么？

“二省”：对于这个主题，我之前是怎么理解的？

“三省”：调查之后，对这个主题的认知有哪些变化？

“四省”：前后对比，我现在觉得，这个主题应该怎么考虑才对？

“五省”：未来在这个主题方向上可能会怎么做？

五省吾思方法的加入，能够充分挖掘小组作业完成前后自己的专业知识收获及思维成长过程，通过这个锻炼过程，让学生在掌握对未知问题的探索、分析、研究方法的同时，对环境问题进行深入思考，并激发其热爱环境事业的职业担当。

(二)非陈述类专业课程

水污染控制工程、大气污染控制工程、固体废物处理处置工程和环境工程CAD 等非陈述类课程，属于程序性知识范畴，是“做什么”“怎么做”，传授从已知状态向目标状态转化的知识。在此类课程中，引入“以案例为基础”的高纵深知识单元教授方法，以新兴污染问题、先进的治理技术、新型设备开发为授课案例，提高课程的高阶性、创新性与挑战度。在这一过程中，教师成为案例讲述者、设计者和激励者，引导学生利用五省吾思思考方式，充分运用基础理论、专业知识和技术标准规范，提出解决方案的能力，并在此过程中，教会学生对待工程问题的惟实、取舍的工程哲学精神。

以环境工程CAD 课程为例，该课程是环境工程专业一门实践性很强的专业课程，学生在开课前已经学过环境工程导论、大气污染控制和固体废物处理处置等专业课程，了解污染处理的基本工艺流程，也已经参加完认识实习，现场参观了污水处理厂、垃圾填埋场及各类工厂里的废气、污水、固废等污染物的处理处置。但在教学过程中发现，学生虽然懂原理、会计算、能临摹，但长期以来，独立设计出图能力一直不佳。

图纸是整体设计思想的直观体现，需要在图纸上体现的工程细节，如污水处理厂构筑物的进、出水管的管径是否有差异，安装位置是在地上还是在地下等，涉及到排水工程、流体力学、环境工程原理与设备等多门专业课中学到的知识。因此，学生独立设计能力差的原因归结起来，就在于各门专业课中的知识在学生脑海中是孤立的，彼此间缺少衔接性，难以在解决实际工程问题时灵活调用。

环境工程CAD 内容主要包括污染控制工程平面布局图、管线图、高程(流程)图、单体构筑物图、场地图的绘制方法与要点。为提高课程的“两性一度”，课程目标不局限于教会学生使用绘图软件，临摹出图，更重要的是，要以图形为载体，帮学生串联起其他专业课上学到的知识，如平面图布局中各构筑物的位置摆放要点，直线布局原则，气、液、固管线的交叉与走向，高程图管线连接的力学设计、压力/水头损失，单体图的工艺原理与运行过程，以及设计构图中蕴含的工程伦理学及职业素养等等。

学生在学习过程中思维的变化过程采用五省吾思进行记录及评价，让学生对每个问题进行思考，同时分享其他同学的想法。利用图纸给学生搭建发散性-收敛性思维锻炼平台，让学生基于图纸，重新审视专业知识。环境工程CAD 的五省吾思报告(下称“五省”报告)安排在每一幅图纸作业完成后及课程结束后进行。以课程结束后的题目为例，“五省”内容如下。

题目：我们的课程主要讲解并练习了污染控制工程平面图、管线图、高程图、单体图、场地图的画法要点和注意事项等，请在下面几个学习环节中，选择一个自己印象深刻的单元，进行学习总结。可选学习单元：(1)平面图及管线图;(2)高程图;(3)单体图;(4)场地图;(5)图形设计考试。

“一省”：我选的学习单元是哪个，这个环节中用到哪些以前哪门课上学过的哪些知识点？

“二省”：对于这些专业知识点，我之前是怎么理解的？

“三省”：CAD 课程学过之后，对这些知识点的认知有哪些变化？

“四省”：我现在觉得，这些知识点应该怎么考虑才对？

“五省”：以后这些知识点可能会怎么用？

报告收上来之后，根据学生选择的知识单元进行分组，将“五省”报告在组内与组间进行互读分享，教师总结并点评学生反思内容。

(三)实践类课程

针对毕业设计、实习及各种技能竞赛等实践类环节，主要采用“问题导向式”教学方法，让学生居于主体地位，鼓励学生采用五省吾思方法探索实践，教师引导学生将解决问题的过程进行总结与反思，拓展问题的深度和广度，锻炼学生解决复杂工程问题的能力。同时帮助学生树立严谨工作作风和实事求是的科学精神，并从中体会到作为一名卓越工程师应当具备的工程伦理、职业道德和社会主义核心价值观。

四、五省吾思与课程思政教育元素挖掘

专业课程内容的思想政治教育资源主要有两种呈现方式：一是挖掘课程本身蕴含的思想政治教育素材，融入教学过程的各环节;二是将知识体系之外的思政素材通过一定的教学方式，融入到教学过程中，使二者有机结合。

在讲授环境工程CAD 课程中污水处理厂消毒环节设计时，思想政治教育素材是结合新冠肺炎疫情期间环保工作者如何通过自己的努力，将污水中可能残存的新冠病毒有效消杀，保护水环境安全，这一实际情况自然凝练而来的。在此过程中，利用五省吾思思维训练法，让学生唤起水污染控制及微生物课程中对病毒生理特征及消毒知识单元的记忆，污水消毒有哪几种工艺？次氯酸、紫外、臭氧消毒这些工艺有何优缺点？结合病毒特征，哪种方法对新冠病毒的杀灭更有效？设计中的关键参数及控制指标是什么？让学生形成“五省”报告，对于新冠病毒和消毒工艺，我之前是怎么理解的？现在我对这些知识点的认知有哪些变化？我现在觉得，这些知识点应该怎么考虑才对？在设计画图中这些关键点应该怎么把控？据此，帮助学生建立起强烈的责任感、使命感，让学生具有以人为本，人民之上的时代精神。

五、实施效果

五省吾思在课程中实施后，学生针对具体问题呈现出的设计能力显著提高，这在学生创新创业大赛参与的数量及质量上、学生毕业设计水平上均有所体现。学生毕业设计作品在2019、2020 年连续两年获全国高校环境类专业本科优秀毕业设计。

除了知识技能的掌握及提升之外，“五省”报告也体现出学生萌发出较好的工程伦理学、职业道德等人文思想，以及对待工程问题的惟实、取舍、担当精神。如学生在针对污水处理工程平面布局的“五省”报告中写到：“污水处理构筑物设计不能做的过大，造成闲置浪费，也不能设计过小，难以达到预期效果，如果未来需要做决定，宁愿保守也不能冒进，务必保证出水的稳定达标排放……”;“污水处理厂设施的布置，要考虑实际的气味、噪声、卫生环境等，未来的污水厂要建成让人感觉是去写字楼上班一样的污水厂，能安全、舒适的工作……”;“工程的设计需要考虑的因素很多、很零碎，工程中做出的每一个决定都是综合性的，需要有所取舍、有所侧重，为此，今后我会注重培养自己的综合判断能力，并且加强专业知识的细微点学习，越是要做好一个决定，自己的见识应该越广，才能考虑的越周全……”。

六、结束语

采用五省吾思法对思维进行训练后，开始会发现学生的思维能力显著提升，但随着课程的深入，学生会进入瓶颈期，五省吾思无法帮助学生解决问题，发散度及纵深度均很难再延展开来。出现这一现象，并非是思维本身的瓶颈期，不是思维能力无法延展，而是到了知识的瓶颈期。思维与知识之间的关系是交互影响的，一切思维都是建立在知识的基础上，一般思维能力的局限往往是知识的匮乏引起的。此时，应提醒学生加强专业知识的学习和拓展，同时利用五省吾思将新知识不断累加到原有知识体系中，让思维与知识互相促进，才能成为社会主义新时代建设的卓越人才。