基于思維導(dǎo)圖的STEM項(xiàng)目式教學(xué)模式探究

　　[摘 要]思維導(dǎo)圖可以將較為復(fù)雜的主題或項(xiàng)目進(jìn)行放射狀的發(fā)散分解，從而形成基于主題項(xiàng)目的全景思維圖譜?‍‌‍?‍‌‍‌‍?‍?‍‌‍?‍‌‍?‍?‍‌‍?‍‌??‍?‍?‍‌‍?‍?‍?‍‌‍‌‍‌‍‌‍?‍‌‍?‍???‍?‍?‍?‍?‍?‍?‍‌‍?‍‌‍?‍‌‍‌‍‌‍??；陧?xiàng)目的STEM教學(xué)則具有路徑復(fù)雜多變、子任務(wù)需要繼續(xù)分解等特點(diǎn)，將思維導(dǎo)圖應(yīng)用于STEM項(xiàng)目，可增強(qiáng)教學(xué)效果，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新思維能力的發(fā)展?‍‌‍?‍‌‍‌‍?‍?‍‌‍?‍‌‍?‍?‍‌‍?‍‌??‍?‍?‍‌‍?‍?‍?‍‌‍‌‍‌‍‌‍?‍‌‍?‍???‍?‍?‍?‍?‍?‍?‍‌‍?‍‌‍?‍‌‍‌‍‌‍?。

　　[關(guān)鍵詞]思維導(dǎo)圖；STEM；項(xiàng)目式教學(xué)

　　在認(rèn)知加工過程中，大量信息的涌入往往會(huì)“溢出”學(xué)習(xí)者的處理能力?‍‌‍?‍‌‍‌‍?‍?‍‌‍?‍‌‍?‍?‍‌‍?‍‌??‍?‍?‍‌‍?‍?‍?‍‌‍‌‍‌‍‌‍?‍‌‍?‍???‍?‍?‍?‍?‍?‍?‍‌‍?‍‌‍?‍‌‍‌‍‌‍?。使用思維導(dǎo)圖，可以有效地將基于某個(gè)主題的紛繁雜亂的知識(shí)，科學(xué)地歸類整理為更有利于大腦記憶的圖譜形式。這種形式也使人更容易在解決相似問題時(shí)迅速提取信息乃至快速遷移?；谒季S導(dǎo)圖的教學(xué)過程將促進(jìn)學(xué)生理解其他人的思維方式，從其他人的思考線路圖中找到觸發(fā)迭代演進(jìn)的靈感，通過相互借鑒或模仿，在學(xué)習(xí)中學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)。但從CNKI檢索的情況看，思維導(dǎo)圖更多地應(yīng)用于人文學(xué)科，在STEM教育中較為少見。近年來，筆者在校本化STEM課程群的建構(gòu)及實(shí)施中，特別關(guān)注了基于思維導(dǎo)圖的STEM項(xiàng)目式教學(xué)模式的建構(gòu)，并取得了一些經(jīng)驗(yàn)。

　　一、思維導(dǎo)圖的由來

　　世界記憶大師托尼·巴贊在研究大腦潛能的過程中，發(fā)現(xiàn)偉大的藝術(shù)家達(dá)·芬奇在筆記中使用了許多圖畫、代號(hào)和連線，并認(rèn)為這是其擁有超級(jí)頭腦的秘密。受此啟發(fā)，托尼·巴贊發(fā)明了思維導(dǎo)圖。思維導(dǎo)圖起初只是為了改進(jìn)筆記方法，后來逐漸成為發(fā)散性思維表達(dá)的工具，并在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用。在一個(gè)經(jīng)典案例中，一份波音飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)被壓縮成了一幅25英尺長的思維導(dǎo)圖，使得100多名高級(jí)航空工程師在幾個(gè)星期內(nèi)學(xué)會(huì)了以往需要幾年才能學(xué)會(huì)的東西，節(jié)約了一千多萬美元。作為一種思維工具，思維導(dǎo)圖真正的價(jià)值在于提升個(gè)體的學(xué)習(xí)力與創(chuàng)造力，它在不同領(lǐng)域的普遍應(yīng)用所產(chǎn)生的價(jià)值是難以用金錢衡量的。

　　二、基于思維導(dǎo)圖的STEM 項(xiàng)目式教學(xué)模式構(gòu)建解析

　　思維導(dǎo)圖是基于聯(lián)想的邏輯發(fā)散，是非線性的跳躍性思維的再現(xiàn)。它能使個(gè)體從以時(shí)間為坐標(biāo)軸的線性思維中跳出，轉(zhuǎn)向基于中心圖像（問題）的思考，并以放射狀的形式鏈接各種相關(guān)的知識(shí)技能點(diǎn)，最終形成有關(guān)問題解決策略的圖形化方案。這既有利于知識(shí)技能的有效內(nèi)化，也有利于提升個(gè)體對(duì)于開放性問題的解決能力。下面將結(jié)合筆者的STEM及人工智能課程相關(guān)專著中的部分案例對(duì)此進(jìn)行深度解析。

　　1.基于思維導(dǎo)圖的組間互動(dòng)交流，觸發(fā)迭代演進(jìn)程序的運(yùn)行

　　“智能花房管家”項(xiàng)目要解決的實(shí)際問題是花房的無人化自動(dòng)管理。教學(xué)互動(dòng)的目標(biāo)問題首先指向了及時(shí)澆灌，教師引導(dǎo)學(xué)生通過分組對(duì)任務(wù)初始分解、組內(nèi)交流協(xié)作完成初圖、組間交流完善形成了思維導(dǎo)圖1.0版。各組方案中的共性是：將主要問題分解成土壤濕度傳感器安裝、繼電器連接、電磁閥與供水管安裝及S4A程序編制調(diào)試等。

　　在項(xiàng)目實(shí)施過程中，學(xué)生們發(fā)現(xiàn)植物的喜水程度不同，如果不能進(jìn)行個(gè)性化的配置，可能導(dǎo)致一些植物爛根（如仙人掌）。因此，需要根據(jù)實(shí)踐中出現(xiàn)的問題不斷添加或修剪各分支，完善思維導(dǎo)圖，使其升級(jí)到2.0版。于是有的學(xué)生添加了給不同植物設(shè)置不同口徑出水口的分支（見圖1）。

　　在各組完成項(xiàng)目后，就進(jìn)入集體評(píng)價(jià)、互動(dòng)修補(bǔ)的環(huán)節(jié)。各組在大屏幕上交流評(píng)價(jià)新版思維導(dǎo)圖，介紹演示模擬裝置及實(shí)驗(yàn)小結(jié)，接受其他組成員的詢問質(zhì)疑，由此產(chǎn)生將思維導(dǎo)圖升級(jí)的動(dòng)力。如果學(xué)生的批判性思維不夠活躍，教師還可以給每組分派質(zhì)疑指標(biāo)，并對(duì)有效的質(zhì)疑加分。在這個(gè)課例中，有質(zhì)疑安全防控的（防止因失控連續(xù)供水），也有提出加入濕度、溫度控制，并用二氧化碳傳感器控制花房溫濕度、二氧化碳含量的。于是各組根據(jù)質(zhì)疑和建議，在基于主題項(xiàng)目的分支中又增加了新的內(nèi)容，使思維導(dǎo)圖進(jìn)階到3.0版。這樣，隨著思維導(dǎo)圖的不斷升級(jí)，解決問題的方案亦在同步演進(jìn)完善。思維導(dǎo)圖的逐漸演進(jìn)，事實(shí)上就成為了最優(yōu)化策略的求解過程。期間學(xué)生經(jīng)歷的迭代體驗(yàn)，將有利于促進(jìn)他們?cè)谖磥斫鉀Q學(xué)習(xí)乃至工作中遇到的實(shí)際問題。

　　2.搭建項(xiàng)目主題為內(nèi)核的知識(shí)技能架構(gòu)，促使跨域能力自主內(nèi)化

　　“貓尾機(jī)器人”項(xiàng)目的創(chuàng)意來自日本的貓尾機(jī)器人，目標(biāo)任務(wù)是制作一個(gè)能夠語音識(shí)別主人“暗號(hào)”，并能自動(dòng)擺尾、搖耳、發(fā)聲的智能機(jī)器人。這一項(xiàng)目疊加了自動(dòng)化控制、人工智能等諸多元素，從項(xiàng)目主題發(fā)射的分支概覽來看，需要學(xué)生掌握3D建模打印、激光雕刻等快速制作原型的技能，也需要學(xué)生整合語音識(shí)別、自動(dòng)化工程設(shè)計(jì)、程序編制調(diào)試等相關(guān)思維，還要對(duì)市面上能買到的貓叫裝置進(jìn)行相應(yīng)的改裝，甚至還滲透了電路的一般原理等，需要諸多領(lǐng)域的技術(shù)整合，才能造就這樣一個(gè)貓尾機(jī)器人。在造物過程中，學(xué)生的思維導(dǎo)圖也從不確定發(fā)展到確定，并越來越清晰。特別是一些分支之間的關(guān)系，因思維導(dǎo)圖的使用而一目了然，比如貓叫裝置的觸發(fā)與離貓身最近的一號(hào)舵機(jī)轉(zhuǎn)向的協(xié)同等（見圖2）。

　　3.起自目標(biāo)任務(wù)的發(fā)散分解，促進(jìn)創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)

　　美國心理學(xué)家吉爾福特認(rèn)為，創(chuàng)造性思維即發(fā)散思維。也有學(xué)者認(rèn)為，創(chuàng)造性思維可以分解為發(fā)散思維和收斂思維。思維導(dǎo)圖有利于思維的發(fā)散和收斂。如在“智能分揀裝置”的課例中，要求學(xué)生模擬物流公司的包裹分揀智能裝置，運(yùn)用學(xué)過的機(jī)器人知識(shí)與技能制作一個(gè)能辨別“貨物”種類的自動(dòng)實(shí)現(xiàn)分揀的裝置。任務(wù)發(fā)布后，由于其中尚有許多細(xì)節(jié)沒有明確，或者說目標(biāo)域的自主拓展空間較大，每個(gè)學(xué)生會(huì)有不同的解讀，因此提出的方案五花八門。比如，有科學(xué)幻想型的，有自主創(chuàng)意型的，也有網(wǎng)絡(luò)搜索復(fù)制模型的，甚至有的學(xué)生提出了多個(gè)不同的方案。教師不應(yīng)制止或批評(píng)學(xué)生產(chǎn)生這些天馬行空甚至愚蠢荒謬的想法，因?yàn)樗鼈兛梢詭椭鷮W(xué)生跳出自我中心的思維模式，從中獲得改進(jìn)思維導(dǎo)圖的靈感，進(jìn)而體驗(yàn)到思維的靈活性和原創(chuàng)性。

　　由于思維導(dǎo)圖有效壓縮了解決方案中的主要信息，因此能更有效地在短時(shí)間內(nèi)傳遞給他人，從而引發(fā)更多的發(fā)散。“智能分揀裝置”思維導(dǎo)圖的最終版本如圖3所示，分為3D建模打印、激光雕刻、硬件安裝及程序編制調(diào)試等子項(xiàng)目，每個(gè)子項(xiàng)目又有若干分叉。個(gè)體在制作中還須對(duì)各分支之間的關(guān)系進(jìn)行協(xié)調(diào)適配，以最優(yōu)化地完成目標(biāo)任務(wù)，因此思維的發(fā)散和集聚交替發(fā)生。類似這樣能給學(xué)生帶來發(fā)現(xiàn)喜悅的項(xiàng)目化制作，每一次物化的實(shí)現(xiàn)過程，都是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維的良好契機(jī)。

　　4.源于真實(shí)情境的問題解決路徑繪制，促進(jìn)認(rèn)知策略順應(yīng)遷移

　　“智能識(shí)別序號(hào)機(jī)器人”項(xiàng)目要求機(jī)器人能識(shí)別集裝箱序號(hào)，并且搬運(yùn)到相應(yīng)的倉庫位置。在觀看了某大型超市的機(jī)器人搬運(yùn)視頻后，學(xué)生們都躍躍欲試。學(xué)生基于已學(xué)過的mBlcok機(jī)器人編程經(jīng)驗(yàn)，先討論并羅列了器材準(zhǔn)備清單，包括集裝箱建模打印、鏟車建模打印、場(chǎng)地設(shè)計(jì)打印等；此后，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行路口識(shí)別及集裝箱識(shí)別的子程序調(diào)試；在完成最后主程序的編制調(diào)試后，要求學(xué)生回顧研究經(jīng)歷，用MindMaster軟件創(chuàng)建思維導(dǎo)圖，把項(xiàng)目中的各項(xiàng)分支展示在“思維樹”上，此時(shí)的回顧和反思將使研究的曲折經(jīng)歷重新在學(xué)生頭腦中演繹（見圖4）。學(xué)生將基于目標(biāo)任務(wù)，找尋關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，繪制節(jié)點(diǎn)間的相互聯(lián)系；將置身于相對(duì)宏觀的角度，即基于中心任務(wù)本身的發(fā)散，圍繞各子任務(wù)進(jìn)行分解?‍‌‍?‍‌‍‌‍?‍?‍‌‍?‍‌‍?‍?‍‌‍?‍‌??‍?‍?‍‌‍?‍?‍?‍‌‍‌‍‌‍‌‍?‍‌‍?‍???‍?‍?‍?‍?‍?‍?‍‌‍?‍‌‍?‍‌‍‌‍‌‍?。期間，困頓不解、重新定向、策略改進(jìn)的過程將多次演繹，初始版本的思維導(dǎo)圖將不斷升級(jí)。學(xué)生可能經(jīng)歷反復(fù)失敗但最終走向成功，這段經(jīng)歷將培養(yǎng)他們的堅(jiān)韌品格。那些以壓縮形式擺放在“認(rèn)知貨架”上的圖形化解決方案，將在學(xué)生遇到類似問題時(shí)被再次提取。

　　三、結(jié)語

　　“想象”在拉丁語中的含義是“大腦在畫圖”，思維導(dǎo)圖就是對(duì)這種腦中圖畫的真實(shí)再現(xiàn)。它能更好地展現(xiàn)思維的全景，表現(xiàn)個(gè)體深思熟慮的結(jié)果，集成個(gè)體不同時(shí)間對(duì)問題的思考。實(shí)踐證明，將思維導(dǎo)圖應(yīng)用于STEM項(xiàng)目，不僅可以讓復(fù)雜的問題變得清晰，還可以根據(jù)問題的發(fā)展而不斷延伸，有效引領(lǐng)學(xué)生提升創(chuàng)新思維能力。

　　周迎春

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