基于思维导图的STEM项目式教学模式探究
[摘 要]思维导图可以将较为复杂的主题或项目进行放射状的发散分解，从而形成基于主题项目的全景思维图谱。基于项目的STEM教学则具有路径复杂多变、子任务需要继续分解等特点，将思维导图应用于STEM项目，可增强教学效果，促进学生创新思维能力的发展。
[关键词]思维导图；STEM；项目式教学
在认知加工过程中，大量信息的涌入往往会“溢出”学习者的处理能力。使用思维导图，可以有效地将基于某个主题的纷繁杂乱的知识，科学地归类整理为更有利于大脑记忆的图谱形式。这种形式也使人更容易在解决相似问题时迅速提取信息乃至快速迁移。基于思维导图的教学过程将促进学生理解其他人的思维方式，从其他人的思考线路图中找到触发迭代演进的灵感，通过相互借鉴或模仿，在学习中学会学习。但从CNKI检索的情况看，思维导图更多地应用于人文学科，在STEM教育中较为少见。近年来，笔者在校本化STEM课程群的建构及实施中，特别关注了基于思维导图的STEM项目式教学模式的建构，并取得了一些经验。
一、思维导图的由来
世界记忆大师托尼·巴赞在研究大脑潜能的过程中，发现伟大的艺术家达·芬奇在笔记中使用了许多图画、代号和连线，并认为这是其拥有超级头脑的秘密。受此启发，托尼·巴赞发明了思维导图。思维导图起初只是为了改进笔记方法，后来逐渐成为发散性思维表达的工具，并在很多领域得到应用。在一个经典案例中，一份波音飞机设计手册被压缩成了一幅25英尺长的思维导图，使得100多名高级航空工程师在几个星期内学会了以往需要几年才能学会的东西，节约了一千多万美元。作为一种思维工具，思维导图真正的价值在于提升个体的学习力与创造力，它在不同领域的普遍应用所产生的价值是难以用金钱衡量的。
二、基于思维导图的STEM 项目式教学模式构建解析
思维导图是基于联想的逻辑发散，是非线性的跳跃性思维的再现。它能使个体从以时间为坐标轴的线性思维中跳出，转向基于中心图像（问题）的思考，并以放射状的形式链接各种相关的知识技能点，最终形成有关问题解决策略的图形化方案。这既有利于知识技能的有效内化，也有利于提升个体对于开放性问题的解决能力。下面将结合笔者的STEM及人工智能课程相关专著中的部分案例对此进行深度解析。
1.基于思维导图的组间互动交流，触发迭代演进程序的运行
“智能花房管家”项目要解决的实际问题是花房的无人化自动管理。教学互动的目标问题首先指向了及时浇灌，教师引导学生通过分组对任务初始分解、组内交流协作完成初图、组间交流完善形成了思维导图1.0版。各组方案中的共性是：将主要问题分解成土壤湿度传感器安装、继电器连接、电磁阀与供水管安装及S4A程序编制调试等。
在项目实施过程中，学生们发现植物的喜水程度不同，如果不能进行个性化的配置，可能导致一些植物烂根（如仙人掌）。因此，需要根据实践中出现的问题不断添加或修剪各分支，完善思维导图，使其升级到2.0版。于是有的学生添加了给不同植物设置不同口径出水口的分支（见图1）。
在各组完成项目后，就进入集体评价、互动修补的环节。各组在大屏幕上交流评价新版思维导图，介绍演示模拟装置及实验小结，接受其他组成员的询问质疑，由此产生将思维导图升级的动力。如果学生的批判性思维不够活跃，教师还可以给每组分派质疑指标，并对有效的质疑加分。在这个课例中，有质疑安全防控的（防止因失控连续供水），也有提出加入湿度、温度控制，并用二氧化碳传感器控制花房温湿度、二氧化碳含量的。于是各组根据质疑和建议，在基于主题项目的分支中又增加了新的内容，使思维导图进阶到3.0版。这样，随着思维导图的不断升级，解决问题的方案亦在同步演进完善。思维导图的逐渐演进，事实上就成为了最优化策略的求解过程。期间学生经历的迭代体验，将有利于促进他们在未来解决学习乃至工作中遇到的实际问题。
2.搭建项目主题为内核的知识技能架构，促使跨域能力自主内化
“猫尾机器人”项目的创意来自日本的猫尾机器人，目标任务是制作一个能够语音识别主人“暗号”，并能自动摆尾、摇耳、发声的智能机器人。这一项目叠加了自动化控制、人工智能等诸多元素，从项目主题发射的分支概览来看，需要学生掌握3D建模打印、激光雕刻等快速制作原型的技能，也需要学生整合语音识别、自动化工程设计、程序编制调试等相关思维，还要对市面上能买到的猫叫装置进行相应的改装，甚至还渗透了电路的一般原理等，需要诸多领域的技术整合，才能造就这样一个猫尾机器人。在造物过程中，学生的思维导图也从不确定发展到确定，并越来越清晰。特别是一些分支之间的关系，因思维导图的使用而一目了然，比如猫叫装置的触发与离猫身最近的一号舵机转向的协同等（见图2）。
3.起自目标任务的发散分解，促进创造性思维的培养
美国心理学家吉尔福特认为，创造性思维即发散思维。也有学者认为，创造性思维可以分解为发散思维和收敛思维。思维导图有利于思维的发散和收敛。如在“智能分拣装置”的课例中，要求学生模拟物流公司的包裹分拣智能装置，运用学过的机器人知识与技能制作一个能辨别“货物”种类的自动实现分拣的装置。任务发布后，由于其中尚有许多细节没有明确，或者说目标域的自主拓展空间较大，每个学生会有不同的解读，因此提出的方案五花八门。比如，有科学幻想型的，有自主创意型的，也有网络搜索复制模型的，甚至有的学生提出了多个不同的方案。教师不应制止或批评学生产生这些天马行空甚至愚蠢荒谬的想法，因为它们可以帮助学生跳出自我中心的思维模式，从中获得改进思维导图的灵感，进而体验到思维的灵活性和原创性。
由于思维导图有效压缩了解决方案中的主要信息，因此能更有效地在短时间内传递给他人，从而引发更多的发散。“智能分拣装置”思维导图的最终版本如图3所示，分为3D建模打印、激光雕刻、硬件安装及程序编制调试等子项目，每个子项目又有若干分叉。个体在制作中还须对各分支之间的关系进行协调适配，以最优化地完成目标任务，因此思维的发散和集聚交替发生。类似这样能给学生带来发现喜悦的项目化制作，每一次物化的实现过程，都是培养学生创造性思维的良好契机。
4.源于真实情境的问题解决路径绘制，促进认知策略顺应迁移
“智能识别序号机器人”项目要求机器人能识别集装箱序号，并且搬运到相应的仓库位置。在观看了某大型超市的机器人搬运视频后，学生们都跃跃欲试。学生基于已学过的mBlcok机器人编程经验，先讨论并罗列了器材准备清单，包括集装箱建模打印、铲车建模打印、场地设计打印等；此后，教师引导学生进行路口识别及集装箱识别的子程序调试；在完成最后主程序的编制调试后，要求学生回顾研究经历，用MindMaster软件创建思维导图，把项目中的各项分支展示在“思维树”上，此时的回顾和反思将使研究的曲折经历重新在学生头脑中演绎（见图4）。学生将基于目标任务，找寻关键节点，绘制节点间的相互联系；将置身于相对宏观的角度，即基于中心任务本身的发散，围绕各子任务进行分解。期间，困顿不解、重新定向、策略改进的过程将多次演绎，初始版本的思维导图将不断升级。学生可能经历反复失败但最终走向成功，这段经历将培养他们的坚韧品格。那些以压缩形式摆放在“认知货架”上的图形化解决方案，将在学生遇到类似问题时被再次提取。
三、结语
“想象”在拉丁语中的含义是“大脑在画图”，思维导图就是对这种脑中图画的真实再现。它能更好地展现思维的全景，表现个体深思熟虑的结果，集成个体不同时间对问题的思考。实践证明，将思维导图应用于STEM项目，不仅可以让复杂的问题变得清晰，还可以根据问题的发展而不断延伸，有效引领学生提升创新思维能力。
周迎春
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《基于思维导图的STEM项目式教学模式探究》
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