在師范教育中落實“科學探究與創新意識”

郝向英 劉平 陳志勝

摘要：在師范教育中滲透和指導創新方法十分必要，也是在本科師范教育中落實驗化學核心素養之“科學探究與創新意識”的重要措施。本文以中學化學知識及師范生教學設計中的創新實驗為例，介紹了思維方式創新及操作方式創新的幾種具體方法，為師范院校相關學科教師將這些方法滲透到專業課教學和師范生教學設計、模擬授課的指導中去提供參考。

關鍵詞：創新方法;思維方式創新;操作方式創新;師范生;教學設計

創新是一個民族進步的靈魂，是一個國家興旺發達的不竭動力。提高我們國家的自主創新能力、建設創新型國家，這是我國發展戰略的核心，是提高我國綜合國力的關鍵。教育部2016年公布了化學學科的核心素養，其中的“科學探究與創新意識”，就是旨在培養具有創新性和世界競爭力的社會主義接班人。師范教育是教育的“前教育”，是培養師資的工作“母機”，師范專業的學生具有創新精神和創新能力，才可能在未來的教師崗位上培養出具有創新精神和能力的學生。所以，我們應該在師范教育中滲透“科學探究與創新意識”。

如果在師范生的專業課程開設、教學設計、模擬授課和教學技能大賽時給以創新方法的滲透和指導，對他們形成創新意識和創新能力將更直接有效。創新的方法可以歸納為思維方式創新法、操作方法創新法、思維形式創新法，本文以化學師范生的教學設計為例，談談這幾種創新方法。

一、思維方式創新法

思維方式創新法是在推理的方式上進行變換而產生的創新。可分為聚合思維法、發散思維法、逆向思維法和類推法。

1.聚合思維法。聚合思維法又稱為求同思維法、集中思維法、輻合思維法、收斂思維和同一思維法等。聚合思維法是把廣闊的思路聚集成一個焦點的方法。它是一種有方向、有范圍、有條理的收斂性思維方式。如多個知識點的共性、多題同解的核心步驟、多儀一用核心功能（多種儀器共同的用途），多物一性（多種元素、多種物質具有相似的性質和具相似的規律）等。

例如：人教版《高中化學必修1》“氧化還原”一節。可以建議在教學給出以下反應：H2 + CuO△H2O+Cu、2Na+Cl2點燃2NaCl、CO+CuO△Cu+CO2、2KClO3△2KCl+3O2↑，NaCl+AgNO3AgCl↓+NaNO3、NH4HCO3△NH3↑+CO2↑+H2O，要求學生找出前四個反應與后兩個反應有什么不同（提示從化合價角度）。通過思考或小組討論，前四個反應元素有化合價升降，后兩個沒有;進一步提示元素化合價有升降的本質是什么？請學生閱讀教材P36并看“圖2-10”“圖2-11”回答。在教師引導下最后得出“前四個反應有電子得失或電子轉移”，從而引出“氧化還原反應”的概念。

在進行其他的教學設計時，只要適合找共性及共同本質的內容，都可指導師范學生以用同樣方式設計教學，以訓練學生的聚合思維。

2.發散思維法。發散思維又稱求異思維、輻射思維。它是從一個目標或思維起點出發，沿著不同方向、不同角度，提出各種設想，尋找各種途徑，從而達到解決具體問題的思維方法。如一題多解、一儀多用（同一儀器、同一裝置多種用途）和一性多儀（用多種儀器做同一實驗）等。

例如：在人教版《高中化學選修4》第三章第一節“弱電解質的電離”的教學設計時，一般都安排了演示或讓學生做強弱電解質的導電實驗。在指導學生選擇實驗裝置時，讓他們想一想哪些裝置可以做為導電性強弱的演示實驗或分組實驗，既方便、又能讓全班學生有直觀感受。在電解質濃度確定并相同情況下，同學們可以通過發散思維羅列出：電源可以是220V整流電源（變為直流電、降壓至12V）和用干電池組或其他電池;電極可以是電源線、粗銅絲、組鐵絲、干電池石墨電極等，顯示器可以是電流表、電壓表、小燈泡、LED燈泡、賀年卡音樂發聲器、小風扇等。其中有同學通過試驗選用“整流電源+石墨電極+小燈泡”，另外同學選用“干電池組+粗銅絲+賀年卡音樂發聲器”。原因是電極太小導電性差，電流表電壓表太小后排學生看不清楚，LED燈泡試驗弱電解質時電流太小可能不發光;整流電源電流強勁，但體積大而重，不方便攜帶，用做演示實驗比較好;干電池組電量弱一些，多用幾次電壓下降快，但體積小、重量輕方便攜帶，用做學生分組實驗比較好。

3.逆向思維法

逆向思維就是反方向思考，從一般方法或問題的對立面反方向思考和探索。逆向思維具有普遍性（符合對立統的規律）、批判性（反判常規、常識和慣例）和新穎性（打破僵化、刻板、司空見慣的答案，出人意料和給人耳目一背后之感）。

在教學設計中可引導學生用于理論和性質逆推、反應實驗過程的引入、追蹤化學實驗中的反常現象;逆推物質流程圖、有機合成線路和復雜計算題等。

例如：學生在設計人教版《高中化學選修1》第四章第4節“探究氨氣的性質”時，氨氣的噴泉實驗的引入，就可以這樣設問：“大家回憶初中化學‘燃燒與滅火中用碳酸鈉與稀酸反應制作的滅火器，為什么里邊的液體會噴出來呢（見圖1）？”同學會回答“瓶里產生CO2氣體壓強增大了。”這時引導學生的逆向思維：“可不可以讓外邊的液體向瓶的里邊噴呢？”讓同學們思考討論后抽問，總結出：一是增大外面液體的壓強（如礦泉水塑料瓶導管插入單孔塞錐形瓶，擠壓礦泉水瓶），二是減小瓶內壓強，如圖2是林育群同學設計的裝置（獲2019年第七屆廣東省師范生教學技能大賽獲二等獎），松開鐵夾，擠壓裝水的礦泉水瓶，使少量水進入裝氨氣的瓶，氨溶于水使右瓶形成負壓，左瓶的水在大氣壓作用下在右瓶形成噴泉。教學中可以讓學觀看噴泉實驗后再解釋原理。

4.類推思維法

類推法也稱類比法，是利用不同事物的某些相似性類推出其他的相似性，從而預測出它們在其他方面存在類似的可能性的方法。在師范生進行教學設計時，理論、性質、實驗部分內容和習題講評等都可以用類推思維法引導或讓學生自學。

例如：人教版《高中化學必修2》第一章第1節元素周期律，做了鈉的燃燒和與水反應實驗后，可以讓學生自學教材，類比出原子最外層電子都是1個電子的鋰、鉀、銣、銫的化學性質，再從原子半徑不同推斷性質與鈉的不同點，其他主族元素性質也可以采取相似的方法。

二、操作方式的創新

操作方式創新可以分為模擬法、分解法、組合法、替換法和改變角度法，這在師范生進行教學設計時的實驗改進，或到了一線教學指導學生“科技創新”或“小發明”中用得較多。

1.模擬法。百度百科寫著“模擬法是指以一定的假設條件和數據為前提，借助仿真技術來估算任務的工作”。本文這里主要是指受原型啟發，模擬出新的原型，或模擬出有所改進、用于別的方面新事物。如方法模擬、形狀模擬、功能模擬等。

在指導師范生教學設計中，模擬一線教師或前幾屆師范生大賽作品的授課方法再行改進;用Flash模擬危險實驗、工業生產或微觀粒子的行為動畫，如2019年在第七屆廣東省師范生教學能力大賽的教學設計中，劉惠同學（獲總分第一名）使用了Flash動畫翹翹板來模擬氧化還原電子得失的本質（見圖3）。在實驗設計中可以用其它物品進行形狀模擬和功能模擬，如模擬啟普發生器原理設計出其他可使反應隨時發生與停止的裝置（見圖4）;第七屆廣東省師范生教學能力大賽的教學設計中，賴秀芳同學模擬試管反應設計出利用密封西藥的塑料板中的做溶液反應的實驗（圖5）。

2.分解法。分解法是將某一事物拆分成幾個部分，直接利用單一功能及特性的方法。化學實驗的加熱分解、電解、光譜分析、復雜功能的儀器拆分為單一功能的小型儀器等都是分解法。在教學中把一個較難的知識點拆分為幾個小問題設問，以達到突破難點的方法也是分解法。

例如：人教版《高中化學選修4》第四章第1節“原電池”，師范生在進行教學設計時往往復習了《高中化學必修2》形成原電池的條件后，由單池電池直接過渡到鹽橋雙池電池，對為什么要改為雙池電池的難點沒有突破，學生對原因是迷茫的。我們可以引導他們利用分解法，將這個難點拆分為幾個小步驟設置問題串：（1）銅-鋅原電池（CuSO4溶液或稀硫酸）連電流表，過一會兒電流怎樣變化？鋅片上有什么現象（溶液濃度不能太小）？（2）出現這種現象的原因是什么？（3）怎樣避免氧化劑與還原劑直接接觸？（4）與鋅片氧化劑Cu2+或H+分開后，電流表無電流，原因是什么？（5）如何使氧化劑Cu2+或H+不會擴散到放鋅片的池，又能使兩池電中性？

學生觀察現象，受教師啟發引導、討論依次得出結論是：（1）1分鐘后電流開始不斷下降，鋅片上有少量銅析出或氣泡放出;（2）有副反應發生，原因是鋅片直接接觸到氧化劑Cu2+或H+直接發生了氧化還原反應，故而造成總反應削弱使電流減小，且氧化劑濃度在下降也使電流減小;（3）將還原劑鋅片與氧化劑分離，變為兩個池;（4）當鋅片上電子流向銅片，鋅片池帶上正電荷、銅片池帶上負電荷，阻礙了電子進一步流動（或阻礙了氧化還原進一步進行）所以無電流;（5）將兩池連通。但直接連通因擴散仍然會跑到鋅片池，只好口從上面連，用裝含電解質的瓊膠鹽橋，鹽橋中的陽離子移向銅片池、陰離子移向鋅片池從而保持兩池電中性使氧化還原反應（電流）持續發生。

任何學科的知識難點，都可以用這種分解法拆分為幾個小步驟，遞進式沒置問題串來予以突破。

3.組合法。組合法與分解法是思路剛好相反的兩種方法，這種方法則是將某幾個簡單事物組合成多種功能的事物，如發光二極管加在球鞋成為發光鞋、把多種功能的軟件裝入通話的手機成為現在的智能手機等。在教學設計組合法主要應用在教學方法的組合、實驗裝置組合式創新方面。

例如《高中化學選修4》第四章第1節原電池的教學設計，從復習必修1知識、引入、新課、小結、練習，整個過程可以是：復習法、情境法、設問法、實驗法、討論法、練習法等教學方法的組合。其實每課包含了幾個的教學環節，不同教學環節就應該采用不同的教學方法穿插組合，才可能使課堂更加生動活潑。

4.替代法。替代法在教學中可以是師生角色互換、演示實驗改為學生實驗等。如抽學生上臺代替教師演示實驗、某些難點知識讓成績好的學生代替教師講;又如溶液酸堿性測試、焰色反應，本來安排是演示實驗，可以抽學生上臺演示，還可以設計為學生實驗。在實驗儀器的改進中，可以用其它物品替代常規儀器，如用礦泉水瓶和青霉素瓶替代集氣瓶和反應容器，用一次性注射器替代滴管，用V形管、W管替代試管或玻璃管。

還有一類“思維形式創新法”包括抽象思維法、形象思維法、靈感思維法，主要用在科研和發明創造中，本文不再此討論。

要在師范教育中落實核心素養的“科學探究和創新意識”，可以把思維方式創新法、操作方法創新法、思維形式創新法滲透到專業課教學中，還可以應用到師范生的教學設計和模擬授課之中，使他們少走彎路、形成習慣，應用到今后的教學各項活動之中，對創新型人才培養盡一點綿薄之力。

參考文獻：

[1]丁潤生.現代思維科學[M].重慶：重慶出版社，1992.

[2]錢學森.關于思維科學[M].上海：上海人民出版社，1986.

[3]蔣伍星，秦重慶，劉冰.出點子的技巧[M].北京：農村讀物出版社，1994.

責任編輯 錢昭君