科技实践活动中专家思维的培养思路与策略

杜春燕

专家，是与新手相对应的一个词，专家思维即是与新手思维相对应的概念。专家思维是心理学领域的一个概念，起源于心理学家对国际象棋大师和新手进行的实验。综合不同研究，专家思维可以认为是具有系统的记忆技能和知识图谱，能够从深层次原理角度进行问题表征，以及灵活选择成功的问题解决策略的一种思维方式。

专家思维与新手思维的主要差别在于他们的知识和知识结构不同。专家具有本专业领域丰富的、结构化的知识，且熟知这些知识在现实世界的适用条件；而新手头脑中具有的更多的是零散的、碎片化的知识，且对于其适用情境并不了解。另外，专家和新手调用头脑中的知识选择解决问题的策略和程序也不一样。专家已形成“知识—情境—问题解决”高度关联的认知模型，且具有高度的反思和调控能力；而新手则关注的是单一问题的解决，不能随时调整认知和决策过程。换句话说，专家思维的典型特征是大概念，即专家的知识是通过大概念组织的，反映了专家对学科的理解深度和应用方式。

核心素养是学生在接受相应学段的教育过程中，逐步形成的适应个人终生发展和社会发展需要的必备品格与关键能力，而关键能力的一个重要方面就是培养学生的问题解决和技术应用能力。因此，专家思维是学生核心素养培育的基本内涵，是培养学生实际问题解决能力的关键。

在科技教育中，经常提到的一个说法是“像科学家一样思考”，那么科学家是如何思考的？怎么能够学习到科学家的思考方式？其实“像科学家一样思考”就是专家思维在科技教育中的具体体现，学生要学习的是科学家面对未知科学问题时，如何调用头脑中的知识，分析、解决问题的思维方法。因此，专家思维是学会学习、实践创新等核心素养的体现，每个学生都应该具有一定领域的专家思维，学校各学科教育中都要加强专家思维的培养。那么，如何通过学校课程培养专家思维呢？目前的学科教学中更多的是传授“专家结论”，大部分学生不了解这些知识结论是如何得到的，即使有些探究性学习，也由于学科限制等，涉及到的知识局限于具体学科具体单元，类似于“带着镣铐跳舞”，对于学生真正形成专家思维的帮助比较有限。

科技实践活动中专家思维的培养思路与策略

开展深度学习，激活惰性知识，奠定专家思维的知识基础

研究表明，与以识记、复述知识等为特征的浅层学习不同，深度学习是学生想要理解，以及从学习内容中提取意义这二者的结合。除了深度理解，深度学习还指向学生的实践应用和创造性解决问题能力的提升。因此，专家思维培养的第一步，就是要开展深度学习，激活学生已经学过的各种知识，让学生在头脑中形成系统概念性知识，在遇到新的问题情境时能够随时调用这些知识。

科技实践活动课程的开展，就是将学生在各学科中学习到的惰性知识激活，创立使用这些惰性知识的真实情境，让学生在真实情境中提取和整合头脑中相关的知识和技能，也就是说让学生知道在什么样的情境下应用学过的知识，在面对新的、陌生的情境时如何调节、修正头脑中的知识，真正能够学会将学过的知识和概念与真实世界情境建立关联，形成理解世界的新方式，让学习真正发生，奠定“像专家一样思考和解决问题”的知识基础。

以“新能源电池的设计与制作”项目为例，在发现制作的铝空气电池存在性能不稳定需要提高电池性能时，教师提出驱动问题，不是直接告诉学生哪些因素会影响电池的性能，而是设计了影响铝空气电池性能的因素的交流研讨，旨在引导学生根据以前学过的影响化学反应速率的因素，如反应物性质、反应温度、浓度、时间、压力等知识，提炼出可能影响铝空气电池性能的因素，然后让学生进行猜想并说明理由。在充分讨论的基础上，提炼出电解质类别及浓度、铝电极的形态、空气电极的形态、电池的组装方式等影响因素。这就是让学生将之前学过的知识应用到新的实际问题情境中，建立知识与真实世界的联系。

以大概念设计科技实践活动课程，构建优质知识结构，培养专家思维

如何设计科技实践活动课的主题内容与目标，对于能否实现培养专家思维的目标至关重要。在中学阶段，科技实践活动属于综合实践活动课程的一部分，没有国家规定的课程内容，可以参考的只有教育部发布的《中小学综合实践活动课程指导纲要》，其给出的总目标是“学生能从个体生活、社会生活及与大自然的接触中获得丰富的实践经验，形成并逐步提升对自然、社会和自我之内在联系的整体认识，具有价值体认、责任担当、问题解决、创意物化等方面的意识和能力。”这是个非常上位的目标，科技实践活动课程的目标与其中“问题解决”的目标更吻合，也就是“能在教师的引导下，结合学校、家庭生活中的现象，发现并提出自己感兴趣的问题。能将问题转化为研究小课题，体验课题研究的过程与方法，提出自己的想法，形成对问题的初步解释。”当然，这个目标也是比较上位的。具体教师如何引导，如何引导学生将问题转化为可以研究的小课题，笔者认为需要教师以大概念的理念设计课程（活动）主题。

项目式课程或者STEAM 课程等其实更多是一种课程的组织形式，再继续挖掘，大概念其实是其他学科一直在倡导的大单元、整体教学的更高阶的表达。布鲁纳曾指出：“无论教师教授哪类学科，一定要使学生理解该学科的基本结构，有助于学生解决课堂内外所遇到的各类问题。掌握事物的基本结构，就是以允许许多别的东西与它有意义地联系起来的方式理解它，学习这种基本结构就是学习事物之间是怎样相互关联起来的。”专家为什么能够解释并解决问题？学习理论认为，专家之所以不同于新手，不是他们积累的知识量有多大，更重要的是他们掌握知识与知识之间的关系，以及知识与现象、与情境的关系。由于掌握了这些关联性，科学家能够更深刻地理解知识的意义，清楚知识可使用的情境。当面临新问题时，专家能熟練提取与具体任务相关的知识，也就是科学家的知识能方便调取、组合与应用。因此，研究认为，科学家头脑中结构化的知识是“围绕重要概念而联系和组织起来的”，也就是我们说的大概念。

基于上述背景，我们可以看出，科技实践活动课程是特别适合让学生学习“如何像专家一样思考解决问题”、培养专家思维的一门课程，面对生产生活实际情境中的真问题，教师要引导学生首先提取头脑中已有的概念和知识，然后围绕核心问题将相关概念与知识串联起来，综合解决这个问题。

科技实践活动的大概念不同于某学科的大概念，涉及到更多跨学科领域，因此需要教师掌握更高层次的大概念及相关概念的关系。比如关于新能源的主题，其背后的大概念就是“当事物发生变化或者被改变时，会发生能量的转化，但是在宇宙中能量的总量总是不变的”，也就是物质与能量的大概念。基于这个大概念，学生才能够真正理解为何要发展新能源、如何发展新能源等问题，再具体到详细的子概念，引申到学生化学上学习的电化学，物理上学到的电路、万用电表等相关知识和工具，学生才可能真正理解如何设计一个新型电池并测试其性能。

重视学生的交流与表达，培养故事力，实现专家思维的转化

故事力被认为是决胜未来的能力，其包含了逻辑结构、语言组织、人生经历、情商、人际交往能力、想象力等六大多种因素的综合性能力，这种能力不仅在文学作品创作中具有重要意义，对于科学的传播和普及也非常重要。我们听过很多讲座，有些讲座的专家讲得非常好，可以深入浅出地将高深的科学研究用通俗易懂的话讲出来；也有些讲座人只能就事论事，听起来就有些枯燥。真正具有专家思维的人，其实都有很强的故事力，能够将科学研究发现的过程与涉及的科学原理深入浅出地讲出来，需要调用储存的系统知识结构，这也是专家思维的体现。

因此，在科学实践活动中，我们要重视学生的交流与输出，培养学生的故事力。中学生参加的科技实践活动和探究项目，除了按部就班的实验操作和技能外，最重要的是让学生学到科学研究的思路与方法，也就是如何解决一个问题的方法。只有让学生用自己的语言讲述出来，我们才能知道学生到底掌握了多少。在结题汇报之前，学生更多输出的形式是提交论文、实验记录等文字材料，只有一部分参加比赛需要答辩的学生才作了口头报告，而大部分学生没有口头报告，所以导致结题阶段学生进行预答辩时完全是对着报告读，不能够转化成自己的语言。指导教师需要重新带领学生回顾一遍研究过程，学生才能慢慢理解为什么要做这个研究，选择的什么原理和方法，具体如何做的，取得了哪些结果，又如何解释这些结果等。

对于学生来说，參加科技活动不仅仅是学一些相关的知识和技能，更重要的是学习如何在现有知识基础上学习新概念、新知识，并将这些新概念和知识应用到解决一个具体的实际问题上。如何将学生这个学习的过程固化为自身本能，将科学家的问题解决思路转化成自己的问题解决思路，从新手思维转化为专家思维，需要学生不断地输出，说白了就是要不断写下来，用自己的话说出来。这也是我们要重视科技实践活动课程中学生的研究笔记、重视学生汇报的根本原因。

（本文为北京市西城区普通高中新课程新教材实施国家级示范区建设专项“基于项目式学习的科技类综合实践活动课程资源建设与案例研究”（SX2021Y142）课题成果）