[摘? ?要]科學(xué)探究、設(shè)計(jì)思維、計(jì)算思維、工程思維已成為STEM教學(xué)的關(guān)鍵詞。準(zhǔn)確理解并實(shí)踐上述核心概念，是當(dāng)前STEM教學(xué)中的一類重要問(wèn)題。梳理概念內(nèi)涵，以形成便于廣泛傳播、利于實(shí)踐交流的共識(shí)，是解決這一問(wèn)題的前提;以各概念模型與核心特征為參考，形成操作流程、教學(xué)腳手架等實(shí)踐抓手，是支持這些概念在教學(xué)中準(zhǔn)確落地的關(guān)鍵和核心。

[關(guān)鍵詞]STEM教學(xué);科學(xué)探究;設(shè)計(jì)思維;計(jì)算思維;工程思維

一、引言

當(dāng)前，科學(xué)探究（Scientific Inquiry）、計(jì)算思維（Computational Thinking）、設(shè)計(jì)思維（Design Thinking）、工程思維（Engineering Thinking）已成為STEM教育的關(guān)鍵詞。然而，當(dāng)前的一些教學(xué)實(shí)踐表明，上述概念存在內(nèi)涵不明、理解泛化、形式主義乃至異化實(shí)踐的現(xiàn)象，這不僅偏離了其教育初衷，而且破壞了STEM教學(xué)的發(fā)展生態(tài)。為使這些概念有效落地，需做好兩方面工作：一是要對(duì)表述不盡統(tǒng)一的概念內(nèi)涵進(jìn)行梳理，以形成便于廣泛傳播、利于共同體實(shí)踐交流的內(nèi)涵共識(shí)標(biāo)本，這是引領(lǐng)概念落地的基礎(chǔ);二是以各概念教學(xué)模型為參考形成實(shí)踐操作流程，以易于理解、簡(jiǎn)化提煉的概念核心特征為實(shí)踐指南，生成各概念在實(shí)踐環(huán)節(jié)中的教學(xué)腳手架，這是確保各概念形神兼?zhèn)?、?zhǔn)確落地的實(shí)踐抓手，是支持概念落地的關(guān)鍵和核心。

二、實(shí)踐基礎(chǔ)：確定各概念的基本內(nèi)涵共識(shí)

科學(xué)探究、計(jì)算思維、設(shè)計(jì)思維、工程思維等概念，在理論層面有多種定義，其不盡統(tǒng)一的內(nèi)涵表述，客觀上為課程目標(biāo)設(shè)置與教學(xué)策略選擇等教學(xué)應(yīng)用制造了障礙。因此，有必要對(duì)這些概念追本溯源，從多樣化表述中厘清其基本內(nèi)涵。

1.科學(xué)探究

科學(xué)探究是教育領(lǐng)域一個(gè)相對(duì)成熟的概念。科學(xué)教育領(lǐng)域的經(jīng)典書(shū)目Teaching Secondary School Science將其定義為：“科學(xué)探究是一種系統(tǒng)的調(diào)查研究活動(dòng)，其目的在于發(fā)現(xiàn)并描述物體和事物之間的關(guān)系，其特點(diǎn)是采用有秩序的和可重復(fù)的過(guò)程;簡(jiǎn)化調(diào)查研究對(duì)象的規(guī)模和形式;運(yùn)用邏輯框架作解釋和預(yù)測(cè)。探究的操作活動(dòng)包括觀察、提問(wèn)、實(shí)驗(yàn)、比較、推理、概括、表達(dá)、運(yùn)用和其他活動(dòng)。[1]”科學(xué)探究原本是指科學(xué)家為生成、驗(yàn)證、發(fā)展科學(xué)知識(shí)而在科學(xué)研究過(guò)程中開(kāi)展的各種探究活動(dòng)，同時(shí)涉及一系列方法，其目的在于通過(guò)對(duì)人類所累積的知識(shí)進(jìn)行本質(zhì)的理解和反思，對(duì)后繼觀察有預(yù)測(cè)的解釋[2]?？茖W(xué)探究的本質(zhì)在于通過(guò)強(qiáng)邏輯性的系列證據(jù)完成對(duì)假設(shè)的驗(yàn)證。在教育領(lǐng)域，科學(xué)探究主要應(yīng)用于科學(xué)教育。在不同情境中，科學(xué)探究可以被理解為一種教學(xué)方法、一種教學(xué)活動(dòng)類型，或者一段教學(xué)過(guò)程。與科學(xué)家的科學(xué)探究相比，科學(xué)教學(xué)中的科學(xué)探究在對(duì)象、方法、結(jié)果等方面均存在差異[3]。具體而言，科學(xué)探究涉及到的具體科學(xué)方法包括：觀察;確定因變量、自變量并對(duì)其進(jìn)行測(cè)量、分類、記錄;對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析;使用圖表、表格等。

2.設(shè)計(jì)思維

設(shè)計(jì)思維起源于設(shè)計(jì)學(xué)、管理學(xué)領(lǐng)域[4]，最早可追溯到1969年西蒙（Simon）《人工科學(xué)》一書(shū)。后因關(guān)注與應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，其內(nèi)涵不斷豐富。整體而言，對(duì)設(shè)計(jì)思維的理解大致可以分為三種：一是方法觀，認(rèn)為設(shè)計(jì)思維是一套幫助人們創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)化方法;二是過(guò)程觀，認(rèn)為設(shè)計(jì)思維是一種基于分析、構(gòu)想、創(chuàng)造、迭代等環(huán)節(jié)的解決問(wèn)題的過(guò)程;三是能力觀，認(rèn)為設(shè)計(jì)思維是設(shè)計(jì)師與他人相區(qū)別的一種復(fù)雜而高階的專業(yè)心理能力[5]。其中，能力觀因難以鑒定其概念的內(nèi)涵與結(jié)構(gòu)，且缺乏評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)實(shí)際教學(xué)的影響有限。目前，設(shè)計(jì)思維在STEM領(lǐng)域主要是以方法觀和過(guò)程觀結(jié)合的視角被理解和應(yīng)用的，具體表現(xiàn)為支持創(chuàng)新教育實(shí)踐的方法、策略、模型、框架等形式。

3.計(jì)算思維

2006年周以真教授發(fā)表了名為Computational Thinking的論文，標(biāo)志著計(jì)算思維的研究與實(shí)踐進(jìn)入了一個(gè)新的階段。在國(guó)內(nèi)，計(jì)算思維的研究是從高等教育向基礎(chǔ)教育拓展，從計(jì)算機(jī)科學(xué)向STEM等其他學(xué)科延伸。當(dāng)前，對(duì)計(jì)算思維的研究主要有三種視角：一是計(jì)算機(jī)科學(xué)的學(xué)科視角，以編程為核心內(nèi)容和培育方式，強(qiáng)調(diào)提高學(xué)科教育水平;二是問(wèn)題解決視角，強(qiáng)調(diào)計(jì)算思維的功能性和綜合性，能實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜問(wèn)題的求解;三是思維能力視角，認(rèn)為計(jì)算思維是信息時(shí)代一種重要的認(rèn)知思維方式[6-7]。整體上，在理解和應(yīng)用計(jì)算思維方面多為上述三種視角的整合，其中問(wèn)題解決視角更占主流。與此類似，代表了國(guó)內(nèi)權(quán)威的《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》，對(duì)計(jì)算思維的定義也突出了問(wèn)題解決的綜合視角，指出“計(jì)算思維是指?jìng)€(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法界定問(wèn)題、抽象特征、建立結(jié)構(gòu)模型、合理組織數(shù)據(jù)，通過(guò)判斷、分析與綜合各種信息資源，運(yùn)用合理算法形成解決問(wèn)題的方案，并遷移到與之相關(guān)的其他問(wèn)題解決中的一系列思維活動(dòng)。[8]”

4.工程思維

工程思維概念源起于21世紀(jì)初在高等教育領(lǐng)域興起的工程哲學(xué)，該領(lǐng)域提出了“科學(xué)技術(shù)工程三元論”，為進(jìn)一步辨析與把握工程的本質(zhì)與特殊內(nèi)涵，工程思維這一術(shù)語(yǔ)應(yīng)運(yùn)而生[9]。工程思維在基礎(chǔ)教育階段被廣泛熟知是源于《普通高中通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》將其作為學(xué)科核心素養(yǎng)之一，并對(duì)其定義進(jìn)行了具體描述：“工程思維是以系統(tǒng)分析和比較權(quán)衡為核心的一種籌劃性思維。學(xué)生能認(rèn)識(shí)系統(tǒng)與工程的多樣性和復(fù)雜性;運(yùn)用系統(tǒng)分析的方法，針對(duì)某一具體技術(shù)領(lǐng)域的問(wèn)題進(jìn)行要素分析、整體規(guī)劃，并運(yùn)用模擬和簡(jiǎn)易建模等方法進(jìn)行設(shè)計(jì);能領(lǐng)悟結(jié)構(gòu)、流程、系統(tǒng)、控制等基本思想和方法并加以運(yùn)用;能進(jìn)行簡(jiǎn)單的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和綜合決策。[10]”相較而言，工程教育是基礎(chǔ)教育中的后起之秀，聚焦工程思維，深入而系統(tǒng)的教學(xué)實(shí)踐仍不多見(jiàn)。整體而言，當(dāng)前相關(guān)教學(xué)對(duì)工程思維的理解與應(yīng)用，主要是出于凸顯教學(xué)具有工程教育的特質(zhì)以與其他教學(xué)形式相區(qū)分的目的，具有融合工程思維與工程素養(yǎng)且內(nèi)涵更接近素養(yǎng)的特點(diǎn)。

三、基于共識(shí)內(nèi)涵的各概念

在STEM教學(xué)中的定位比較

明晰概念內(nèi)涵，確定概念性質(zhì)，是教育概念得以準(zhǔn)確落地的前提。將關(guān)聯(lián)概念統(tǒng)一橫向比較，既益于識(shí)別日常被忽視或引發(fā)疑惑的各概念具微的屬性差異，有助于更準(zhǔn)確地理解概念內(nèi)涵，又能在差異化比較中，促進(jìn)理解各概念最本質(zhì)的核心特征。

各概念在內(nèi)涵方面具有一定的開(kāi)放性和豐富性。簡(jiǎn)而言之，在STEM教育中，科學(xué)探究既是實(shí)體教學(xué)環(huán)節(jié)，也是一種教學(xué)方法;設(shè)計(jì)思維是一個(gè)綜合性概念，在教學(xué)中多表現(xiàn)為一種教學(xué)策略，屬于方法論層面，旨在追求創(chuàng)新;計(jì)算思維融合多重視角內(nèi)涵，具有綜合性，是學(xué)科核心素養(yǎng)，屬于教學(xué)的目標(biāo)成分;工程思維是一種學(xué)科核心素養(yǎng)，其本質(zhì)是一種高階思維形式，屬于教學(xué)的目標(biāo)成分（見(jiàn)表1）。

四、實(shí)踐關(guān)鍵：以核心特征為引領(lǐng)，

基于教學(xué)模型流程，生成教學(xué)腳手架

以上概念已有部分被確立為課標(biāo)內(nèi)容，實(shí)踐落地勢(shì)在必行。教師作為實(shí)踐落地的主力軍，更關(guān)心概念的操作流程及其規(guī)范。本文認(rèn)為，操作流程與規(guī)范要求固然重要，它解決的是“如何做”的問(wèn)題，是概念落地的實(shí)踐之“形”，但在實(shí)踐中只懂得固守其“形”，不深究其規(guī)范何以形成的深層原因，只會(huì)使實(shí)踐走向機(jī)械與僵化。因此，教育概念落地時(shí)的操作流程還需思想理念引領(lǐng)變通。為便于專業(yè)反思和共同體交流，應(yīng)將概念的思想理念簡(jiǎn)化提煉為核心特征，這是概念實(shí)踐落地的“神”。如是，形神兼?zhèn)?，生成教師?shí)踐的教學(xué)腳手架，作為教育概念落地的實(shí)踐抓手。以核心特征為引領(lǐng)，基于教學(xué)模型流程，生成教學(xué)腳手架，三位一體，可增強(qiáng)概念落地操作的科學(xué)性和生命力，這是教育概念實(shí)踐落地的關(guān)鍵和核心。

1.科學(xué)探究的核心特征

科學(xué)探究的核心特征是基于證據(jù)的思辨、大膽質(zhì)疑、嚴(yán)謹(jǐn)求證?？茖W(xué)探究在科學(xué)教育中不可或缺，其意義在于使科學(xué)教育擺脫原有的將科學(xué)知識(shí)與結(jié)論向?qū)W生直接灌輸?shù)姆强茖W(xué)式教學(xué)方式，能夠?qū)⒖茖W(xué)好奇、科學(xué)質(zhì)疑、主動(dòng)思辨、批判創(chuàng)新的主體還給學(xué)生，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究的嚴(yán)謹(jǐn)求證過(guò)程最大程度地“活”學(xué)科學(xué)，批判性、主動(dòng)性、建構(gòu)性地理解科學(xué)思想。科學(xué)探究作為探求問(wèn)題的一類方法，在科學(xué)教育中的一般過(guò)程包括以下六步。

一是提出問(wèn)題，是指科學(xué)探究的出發(fā)點(diǎn)是一個(gè)科學(xué)問(wèn)題，以問(wèn)題喚醒學(xué)生的好奇心，激發(fā)其探究的興趣;二是作出假設(shè)，即通過(guò)日常經(jīng)驗(yàn)、觀察與思考，歸納出可能對(duì)探究問(wèn)題產(chǎn)生影響的因素，對(duì)這些因素與問(wèn)題進(jìn)行相關(guān)的肯定或否定的猜想（如“物體的穩(wěn)定性與支撐面的大小有關(guān)”），并以命題的方式呈現(xiàn);三是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，即根據(jù)假設(shè)，在滿足一定信度、效度、實(shí)驗(yàn)誤差等條件下，通過(guò)控制變量，設(shè)計(jì)觀察并記錄實(shí)驗(yàn)自變量與因變量的互動(dòng)變化關(guān)系的方法或途徑，以最終判斷假設(shè)是否成立;四是實(shí)驗(yàn)實(shí)施，即根據(jù)上一步的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，依靠必要的材料、工具、方法等開(kāi)展真實(shí)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，并在科學(xué)規(guī)范的操作中記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);五是得出結(jié)論，即對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析，形成對(duì)假設(shè)的明確的支持與否定的判斷，進(jìn)而依據(jù)假設(shè)給出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，如“物體的穩(wěn)定性與支撐面大小有關(guān)，且支撐面越大物體的穩(wěn)定性越好”;六是表達(dá)交流，即向自己的共同體清晰表達(dá)自己的實(shí)驗(yàn)邏輯、數(shù)據(jù)與結(jié)果，并進(jìn)行建設(shè)性對(duì)話，促進(jìn)對(duì)這一問(wèn)題的再認(rèn)識(shí)與新發(fā)現(xiàn)。

為支持教師對(duì)科學(xué)探究類學(xué)習(xí)活動(dòng)的教學(xué)反思與改進(jìn)，可以參考如表2所示的科學(xué)探究類教學(xué)的腳手架。

2.設(shè)計(jì)思維

設(shè)計(jì)思維的核心特征是以人為本、創(chuàng)新。設(shè)計(jì)思維倡導(dǎo)面對(duì)問(wèn)題，要從需求的主體即用戶出發(fā)，設(shè)計(jì)者要切換到用戶視角，通過(guò)捕捉用戶的背景信息、個(gè)人習(xí)慣、事件場(chǎng)景等與該問(wèn)題產(chǎn)生與依附相關(guān)聯(lián)的盡可能多的信息，獲得更多高價(jià)值的問(wèn)題解決線索，進(jìn)而支持最終創(chuàng)造性地提出具有私人定制特征的解決方案，以站在用戶的角度更好地達(dá)成問(wèn)題解決。

設(shè)計(jì)思維已經(jīng)成為研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)之一，過(guò)程框架的模型眾多。雖不同模型略有差異，但主要都包含“啟發(fā)—構(gòu)思—實(shí)現(xiàn)”三大步驟[12]。為更具指導(dǎo)性，在此以應(yīng)用最多、影響力最大的斯坦福大學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)院的五環(huán)節(jié)模型為例[13]，介紹設(shè)計(jì)思維的典型教學(xué)過(guò)程。

一是共情（Empathize）。設(shè)計(jì)思維的一個(gè)重要理念是“以人為中心”，為深度理解用戶，需要開(kāi)發(fā)者設(shè)身處地地站在用戶的視角，通過(guò)觀察、訪談、融入等多種方法獲取用戶的第一手資料，對(duì)“人”的需求進(jìn)行深度、系統(tǒng)、個(gè)性化的分析，為后續(xù)解決問(wèn)題選擇突破點(diǎn)、方法、工具奠定實(shí)情基礎(chǔ)。比如，自動(dòng)取票機(jī)放置身份證的臺(tái)面采用了傾斜設(shè)計(jì)，乘客需要始終手扶身份證以免滑落，這樣就能有效避免在匆忙中遺失身份證。這一設(shè)計(jì)的成功之處在于對(duì)用戶的深度共情，精準(zhǔn)捕捉到了在擁擠的火車站場(chǎng)景中乘客容易在匆忙中遺失證件的特征。

二是定義（Define）。定義是指對(duì)問(wèn)題的進(jìn)一步描述。因?yàn)樽铋_(kāi)始接觸和發(fā)掘的原始信息可能是冗雜的，需要對(duì)原始資料進(jìn)行二次梳理。可以根據(jù)用戶需求、現(xiàn)實(shí)支持條件等各方面信息綜合確定設(shè)計(jì)方案應(yīng)聚焦解決的子問(wèn)題。簡(jiǎn)言之，這是對(duì)復(fù)雜問(wèn)題進(jìn)行歸納分類，并確定問(wèn)題解決功能指向性的重要一步。

三是構(gòu)想（Ideate）。通過(guò)采用類比、歸納、想象等方法，積極調(diào)動(dòng)發(fā)散思維、聚合思維、直覺(jué)等形式，提出問(wèn)題的解決方案。構(gòu)想的外部方法或形式包括“頭腦風(fēng)暴”“九宮格”“六頂帽子”等。

四是原型（Prototype）。根據(jù)構(gòu)想階段的方案，依據(jù)具體的材料、工具，應(yīng)用必要的技術(shù)與工程方法與技術(shù)，完成概念方案的物理模型實(shí)現(xiàn)。

五是測(cè)試（Test）?；谠紗?wèn)題，將產(chǎn)品置于情境中進(jìn)行問(wèn)題解決實(shí)效檢驗(yàn)。根據(jù)實(shí)際檢測(cè)的效果與用戶需求，進(jìn)一步優(yōu)化作品。

設(shè)計(jì)思維作為一種復(fù)雜的方法論，其有力促進(jìn)與發(fā)展創(chuàng)新的主旨并不會(huì)在教學(xué)中自然地發(fā)生。高質(zhì)量創(chuàng)新學(xué)習(xí)的發(fā)生，其必要條件之一是學(xué)習(xí)者與恰當(dāng)教學(xué)環(huán)境的合理互動(dòng)，這有賴于教師精心與專業(yè)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)思維在各教學(xué)環(huán)節(jié)有其獨(dú)特的學(xué)習(xí)路徑喜好或要求，因而，課程開(kāi)發(fā)與教學(xué)的專業(yè)設(shè)計(jì)，應(yīng)確保以匹配的教學(xué)策略與方法組織相應(yīng)的學(xué)習(xí)活動(dòng)。也只有在這樣設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)環(huán)境中，學(xué)生才能在參與學(xué)習(xí)活動(dòng)時(shí)，真正作為主體，建構(gòu)性地體驗(yàn)、參與、發(fā)展設(shè)計(jì)思維的概念意義與教育價(jià)值。設(shè)計(jì)思維類學(xué)習(xí)活動(dòng)的操作方法如表3所示。

3.計(jì)算思維

計(jì)算思維是信息時(shí)代人人必備的通識(shí)素養(yǎng)，其理念在于培育人以信息可計(jì)算的方式去解決問(wèn)題，通過(guò)一個(gè)特定問(wèn)題實(shí)現(xiàn)一類問(wèn)題的自動(dòng)化解決、創(chuàng)新問(wèn)題解決的意識(shí)和能力。在現(xiàn)有文獻(xiàn)中，談及計(jì)算思維要素核心特征最多的詞匯是抽象、自動(dòng)化、形式化、建模、算法等[14-16]。概括而言，計(jì)算思維的核心特征是抽象。本文認(rèn)為，上述其他特征僅僅是計(jì)算思維在問(wèn)題解決的不同環(huán)節(jié)中“抽象”這一核心特征在處理形式上的差異化表達(dá)。例如，形式化是對(duì)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)象以特定標(biāo)識(shí)轉(zhuǎn)為信息的過(guò)程，是對(duì)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的抽象處理的直接結(jié)果;建模是基于形式化所得結(jié)果，進(jìn)一步對(duì)所涉及信息以結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的形式呈現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上抽象出信息流輸入輸出的完整共相模型;而算法則是基于該模型解決問(wèn)題的完整過(guò)程的分解，更清晰并可驗(yàn)證地達(dá)成每一步的結(jié)果，進(jìn)而完成完整的問(wèn)題求解;而自動(dòng)化則是算法實(shí)現(xiàn)的運(yùn)行方式，通常有機(jī)器運(yùn)行而非使用人力的含義。以計(jì)算機(jī)為例，計(jì)算機(jī)之所以能夠處理海量信息，是因?yàn)槠渌幚淼男畔⒈闅v了上述信息形式化、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化、建立共相模型、算法實(shí)現(xiàn)、自動(dòng)化的從原始現(xiàn)象到結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)的抽象過(guò)程。反過(guò)來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)仍有很多不能處理的信息，也正是因?yàn)橛?jì)算機(jī)對(duì)上述過(guò)程尚未完全抽象遍歷的結(jié)果?？偠灾?，抽象是計(jì)算思維的本質(zhì)。

基于課標(biāo)中的定義，可梳理出計(jì)算思維的一般流程共八個(gè)步驟，它們都是抽象的階段性關(guān)鍵表達(dá)，可完整呈現(xiàn)計(jì)算思維的問(wèn)題解決邏輯。

一是界定問(wèn)題。包含兩層含義。其一，要從自然環(huán)境、復(fù)雜情境中剝離出要解決的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)從客觀世界問(wèn)題到可解決問(wèn)題的轉(zhuǎn)化;其二，要對(duì)這個(gè)可解決的問(wèn)題是否適宜采用計(jì)算思維加以解決進(jìn)行可行性判斷。不是所有的問(wèn)題都適宜以計(jì)算思維解決，計(jì)算思維更傾向于通過(guò)對(duì)特例問(wèn)題的一次性建模以達(dá)到對(duì)同一類問(wèn)題自動(dòng)化求解的情況。如，通過(guò)對(duì)一元二次方程ax2+bx+c=0進(jìn)行一次性程序建模，對(duì)任意確定的一組參數(shù)a、b、c都可以求得x的解。

二是抽象特征。基于界定的要解決的問(wèn)題，首先需要甄別出涉及該問(wèn)題的對(duì)象、屬性等關(guān)鍵要素或特征，以概括的方式將原始的復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)化，使人更容易理解和把握問(wèn)題的本質(zhì)。

三是結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。根據(jù)上一步關(guān)鍵特征或要素的性質(zhì)，選擇合適的數(shù)據(jù)表征方式完成原始信息的數(shù)據(jù)映射表達(dá)，最終確保各關(guān)鍵信息以合理的方式完整、準(zhǔn)確地被存儲(chǔ)和組織。

四是建立模型。根據(jù)先前的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，對(duì)所有參與問(wèn)題解決的變量進(jìn)行完整的因果關(guān)系或相關(guān)關(guān)系的系統(tǒng)描述，使所有關(guān)鍵特征具有明確的輸入輸出關(guān)系。模型的方式可以是程序、認(rèn)知策略模型、函數(shù)、編碼規(guī)范等。

五是算法分解。根據(jù)所建立的問(wèn)題解決模型，設(shè)計(jì)一套問(wèn)題解決的完整流程，該流程要細(xì)分為若干更小的步驟。而每一個(gè)步驟都需要用清晰的概念表達(dá)，而且每一步的執(zhí)行結(jié)果成敗可以被明確檢驗(yàn)。這樣，算法分解就是一個(gè)使問(wèn)題解決的過(guò)程細(xì)化、清晰、完整化的步驟。

六是調(diào)試優(yōu)化。即對(duì)先前建立的模型與具體算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中檢驗(yàn)該模型或算法的功能性、穩(wěn)定性，根據(jù)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)歷的失敗、問(wèn)題等進(jìn)行迭代優(yōu)化，追求最優(yōu)解的過(guò)程。

七是問(wèn)題解決。根據(jù)先前的模型、算法及優(yōu)化調(diào)試，得到相對(duì)滿意的解決方案后，回應(yīng)并解決最初界定待解決的問(wèn)題。這是該問(wèn)題是否被解決的一個(gè)結(jié)果呈現(xiàn)步驟。

八是歸納遷移。將解決該問(wèn)題所形成的方案，通過(guò)歸納分析，遷移應(yīng)用到同類問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)舉一反三的效果，這也是計(jì)算思維與其他概念問(wèn)題解決的最大差異。歸納遷移也使計(jì)算思維實(shí)現(xiàn)了從特殊到一般，再?gòu)囊话愕教厥獾某橄筮M(jìn)階。

計(jì)算思維在實(shí)踐中靈活性較大，為此，可用關(guān)鍵反思問(wèn)題作為教學(xué)腳手架，以支持教師反思教學(xué)實(shí)施（見(jiàn)表4）。

4.工程思維

工程思維是工程領(lǐng)域思考方式獨(dú)特性的體現(xiàn)，其核心特征是實(shí)踐性、綜合性和系統(tǒng)性。實(shí)踐性是指工程思維必須為真實(shí)的問(wèn)題解決過(guò)程服務(wù)，并最終以實(shí)體作品的形式作為成果。實(shí)踐性是工程思維的靈魂，也是其本質(zhì)特色。綜合性包含兩層含義，一是工程思維需要匯集多個(gè)學(xué)科，包括但不限于科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)、藝術(shù)、經(jīng)濟(jì)等;二是工程的各環(huán)節(jié)同樣需要多種工藝、技巧、方法等。系統(tǒng)性是指工程的所有環(huán)節(jié)應(yīng)該經(jīng)過(guò)理性的統(tǒng)一規(guī)劃、設(shè)計(jì)、管理、實(shí)施，避免管理失序和實(shí)施混亂，以降低成本、提高效率。

工程思維分為兩個(gè)類別：流程類和思維能力品質(zhì)類。遵循便于實(shí)踐的原則，本研究以流程類為例介紹工程思維的一般流程，共分為以下四大階段。

一是工程決策。主要涉及調(diào)查探索、分析問(wèn)題、確定目標(biāo)等，是工程活動(dòng)的首要環(huán)節(jié)。通過(guò)工程決策可為后期的方案設(shè)計(jì)等確定實(shí)情依據(jù)與方案方向。

二是工程設(shè)計(jì)。主要涉及功能篩選、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)、美觀設(shè)計(jì)等，其目標(biāo)是針對(duì)要解決的工程問(wèn)題確定工程方案，為后續(xù)工程實(shí)踐進(jìn)行科學(xué)、理性的規(guī)劃。

三是工程實(shí)施。主要涉及器材選擇、產(chǎn)品搭建、程序設(shè)計(jì)、美藝處理、測(cè)試與迭代優(yōu)化等。作品原型與最終形式將在這一階段產(chǎn)出。該階段一般采用項(xiàng)目合作的方式進(jìn)行，教師應(yīng)特別注意學(xué)生在該階段所表現(xiàn)出的工程管理意識(shí)和能力，它涉及分工合作、材料監(jiān)管、程序軟件與硬件搭建、項(xiàng)目耗時(shí)的階段性監(jiān)管、遇到困難挑戰(zhàn)時(shí)的問(wèn)題解決等一系列現(xiàn)實(shí)要素，直接關(guān)系項(xiàng)目最后的成敗與質(zhì)量。

四是工程評(píng)價(jià)。主要涉及作品展示、總結(jié)反思兩個(gè)子維度。

為了支持教師不斷優(yōu)化教學(xué)實(shí)踐，本文對(duì)STEM教學(xué)中工程思維的實(shí)踐操作要點(diǎn)和反思問(wèn)題進(jìn)行了歸納（見(jiàn)表5）。此外，工程思維還具有目標(biāo)成分，高中相關(guān)課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)工程思維進(jìn)行了5個(gè)層次水平的區(qū)分，值得借鑒（見(jiàn)表6）。這些內(nèi)容將有助于STEM教師進(jìn)一步打磨出具有個(gè)人特色的教學(xué)腳手架。

五、各概念在STEM教學(xué)中的特質(zhì)與作用

概念特質(zhì)是不同概念獨(dú)特本質(zhì)的差異化內(nèi)涵表達(dá)，是各概念教育思想與教育理念的重要載體。準(zhǔn)確把握各概念內(nèi)涵特質(zhì)，有助于各概念在復(fù)雜多變的教學(xué)實(shí)踐中因地制宜地實(shí)現(xiàn)各概念教學(xué)實(shí)踐的準(zhǔn)確落地，是在教學(xué)中充分發(fā)揮概念的特色與教育價(jià)值的關(guān)鍵（見(jiàn)表7）。

科學(xué)探究的特質(zhì)是求真，是基于證據(jù)的思辨、大膽質(zhì)疑、嚴(yán)謹(jǐn)求證。在STEM教學(xué)中，科學(xué)探究可作為其中的一個(gè)環(huán)節(jié)，讓具有不同想法的學(xué)生都能有足夠的主動(dòng)嘗試、科學(xué)試錯(cuò)的機(jī)會(huì)，充分探究各具特色、充滿想象力與創(chuàng)新性的想法，以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)思考式的問(wèn)題解決?？茖W(xué)探究的價(jià)值還在于發(fā)現(xiàn)和驗(yàn)證“是什么”“為什么”。因而，應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生在發(fā)現(xiàn)和選擇后續(xù)問(wèn)題解決方法的過(guò)程中，基于科學(xué)探究采用準(zhǔn)科學(xué)式的、比較的、量化實(shí)驗(yàn)分析的方法，甄別不同問(wèn)題解決方法的科學(xué)原理、技術(shù)與工程技藝的優(yōu)劣，進(jìn)而在方法選擇中從基于經(jīng)驗(yàn)的簡(jiǎn)單感性逐漸趨向基于科學(xué)原理的證據(jù)理性。

設(shè)計(jì)思維的核心特質(zhì)是共情、創(chuàng)新。共情與創(chuàng)新緊密聯(lián)系，以深度理解用戶的方式實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新式問(wèn)題解決。在STEM教學(xué)中，共情是手段，創(chuàng)新是結(jié)果。用戶需求可分為核心需求和個(gè)性需求，在依據(jù)功能指向選擇問(wèn)題解決技術(shù)路徑時(shí)，核心需求起主導(dǎo)功能，但個(gè)性需求發(fā)揮著問(wèn)題解決技術(shù)方法差異化、豐富化、個(gè)性化的作用，能使問(wèn)題解決具有私人定制的專屬特點(diǎn)，是深度共情的著力表現(xiàn)點(diǎn)，也是影響作品創(chuàng)新水平的重要突破口。簡(jiǎn)言之，集深度共情與創(chuàng)新的設(shè)計(jì)思維，重在“做什么”“怎么做”兩個(gè)方面充分展現(xiàn)個(gè)性和創(chuàng)意。

計(jì)算思維的核心特質(zhì)是抽象。在STEM教學(xué)中，其核心價(jià)值在于提供具有遷移功能的問(wèn)題解決模型，其本質(zhì)是“怎么做”“如何做”的方法選擇問(wèn)題。在STEM教學(xué)中，應(yīng)有意識(shí)地幫助學(xué)生從單個(gè)問(wèn)題解決積極反思同類問(wèn)題的遷移現(xiàn)象，增強(qiáng)學(xué)生“從特殊到一般，再?gòu)囊话愕教厥狻钡某橄笏季S能力。

工程思維的核心特質(zhì)是實(shí)踐性、綜合性、系統(tǒng)性。在STEM教學(xué)中，要注重系統(tǒng)籌劃、工程管理、科學(xué)技術(shù)等跨學(xué)科知識(shí)整合等屬性，以實(shí)踐為核心，真正動(dòng)手操作，而且要做成，追求特定限制條件下的最優(yōu)解。

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作者簡(jiǎn)介：曹峰，陜西省西安高新第一中學(xué)初中校區(qū)教師，E-mail：cf2012bsd@126.com（陜西西安，710075）

基金項(xiàng)目：中央電化教育館全國(guó)教育信息技術(shù)研究2018年度重點(diǎn)課題“證據(jù)導(dǎo)向的STEM教育模式研究”（編號(hào)：181120019-0009）;陜西省STEM教育（2020—2023）行動(dòng)計(jì)劃專項(xiàng)課題“一致性導(dǎo)向的STEM課程評(píng)價(jià)研究”（編號(hào)：STEM2020-125）