促進青少年創新思維培養的科技教育案例及策略

本期文章選自2019年舉辦的第27屆全國青少年科技輔導員論文征集活動中的一等獎獲獎論文。本屆論文征集活動主題為“科技教育與青少年創新思維培養”。

摘要：創新思維是指以新穎獨創的方法解決問題的思維過程。中學階段是青少年思維品質發展的重要時期，學校的科技教育對于學生思維發展至關重要。本文基于筆者自身在科技教育領域的實踐，以案例形式分析了通過科技教育促進青少年創新思維培養的相關策略，以期為校內青少年創新素養的培養提供依據。

關鍵詞：創新思維 科技教育 發散思維 類比思維 逆向思維

一、科技教育與青少年創新思維培養

科技教育包括校內科學、技術、數學等學科課程和校內外跨學科的科技課程和活動。科技教育中的“科技”，包括自然科學、技術、工程學、數學、社會學等。科技教育的目標是激勵青少年樹立科學夢想創新思維、創造能力和社會責任感，其中創新思維直接參與并決定創新實踐水平的高低。在科技教育過程中，運用創新思維能夠更好地完成創新實踐活動;反過來，創新實踐活動的體驗也進一步促進了學生思維的形成。

創新思維是指以新穎獨創的方法解決問題的思維過程，通過這種思維能突破常規思維的界限，以超常規甚至反常規的方法、視角思考問題，提出與眾不同的解決方案，從而產生新穎的、獨到的、有社會意義的思維成果。對于創新思維所包含的因素，歷來有不同的理解。克羅普里等研究專家認為創新思維是由發散思維和聚合思維兩種有機結合而構成的。朱一清等學者將創新思維分為形象思維、抽象思維、發散性思維和批判性思維。北京師范大學林崇德教授（1999）則提出，創造性人才在創造性思維的形式上是發散思維與聚合思維的統一;在思維意識的清晰性上，創造性是分析思維與直覺思維的統一。共同的是，學者們大都認為兒童的思維發展是穩定而漸進的，不同階段學生體現出來的創新思維品質是不同的。中學階段是青少年思維品質發展的重要時期，學校的科技教育對于學生思維發展至關重要。基于筆者自身在科技教育實踐中與青少年創新思維培養相關的研究，下文以案例形式分析了科學教育促進青少年創新思維培養的相關策略，以期為校內青少年創新素養的培養提供依據。

二、科技教育促進青少年創新思維培養案例

1.運用發散思維與聚合思維解決實際問題

簡單來說，發散思維（ divergent thinking）指的是能夠對問題探索出許多可能的解決方案，而聚合思維（convergent thinking）則是能夠將知識、邏輯、概率和其他決策策略考慮在內進行評估，發現最佳解決問題的方案。在教學過程中，我們常使用“一題多解”

“一事多寫”“一物多用”等方式，培養發散思維。在發散思維的基礎上找到最佳的解決方案，則是聚合思維。在實際思維活動中，二者互為前提，相互促進，相互轉化。

案例1：解斜三角形的應用（高二，常規數學學科教學）

常規教學方法中，常通過練習應用題學會解斜三角形的應用。改進教學方法：通過用1張A4紙作為唯一的測量工具測量建筑的高度。讓學生拿著A4紙走到戶外，在真實情境中調用自己所學的任何知識進行數學建模和求解。通過小組合作和探討的方式比較各種方法的優劣，并進行小組匯報和評價，比一比誰的做法更有創意（聚合思維）。通過改進的活動給學生一個來自現實的挑戰，真實情境的問題會充分調動學生的發散思維，激發學生的興趣和動力，綜合運用知識思考問題，解決問題。4人為1個小組團隊合作，進行思維的碰撞，實踐與創新并重，寓教于樂，在數學建模的過程中體會數學的應用性和創造性。

案例2：水體中菌落總數測定探究（高二，研究性學習）

在研究性學習時，教師應當多設置情境，鼓勵學生利用多種方法解決實際生活中的問題，促進其發散思維的培養。這個過程可以由學生思考后提出解決方案，也可以進一步在檢索資料后提出解決方案。更重要的是在討論的過程中，教師應當引導學生進行方案的改進和創新，尋找出最佳方案。以下就以自身指導的一個STEM課題研究為例加以分析。

（1）教師設置情境：水的質量與安全向來是人們關心的重要問題，當今社會水質引起的事件越來越多。那么有哪些方法可以測定水體中菌落總數呢？同時分析各種方法的優缺點。

（2）學生文獻檢索后提出多種可能性方案（發散思維）：微生物培養計數法、顯微鏡觀察計數法、檢測細菌代謝產物、物理阻抗法測量等方式。其中阻抗法指的是對水體中的細菌進行一定時間的培養，使細菌數量增殖，隨后利用阻抗法檢測溶液中電容值的變化，再計算檢測起始時刻到發生明顯變化所需時長，根據菌落生長規律計算式，可反向推出細菌總數初始值。在檢索的基礎上，學生了解到各種方法大多都需要微生物培養，操作復雜、測量時間長（一般至少需要2～3天時間）。

（3）學生討論后提出改進方案（聚合思維）：飲用水中菌落總數很少，直接使用以上方法很難檢測，培養時間長、成本高。是否可以將水體過濾使細菌富集在濾膜上，利用阻抗測量設備測量濾膜的電容值。在方案基礎上，設計過濾濃縮裝置與阻抗測量設備連接。實驗證實，新原理和方法具備可行性，可在30分鐘內實現3～5升待測液的超快速檢測。

此項研究結果獲得了第30屆上海市青少年科技創新大賽一等獎，并申請國家發明專利1項。

2.使用類比思維實現創新

類比思維（analogical thinking）是根據兩個具有相同或相似特征的事物間的對比，從某一事物的某些已知特征推測另一事物的相應特征存在的思維活動。

所謂的“類比”可以是類比相似的研究手段、設計思路或者是研究對象。比如在STEM教育實踐過程中，曾經提及“學生好奇市面上為什么只有綠豆芽卻沒有赤豆芽”從而做了一個相關的課題研究。通過鼓勵類比相似的設計思路，一些學生馬上提出“為什么日常生活中，只有酸牛奶卻沒有酸豆奶？”通過實驗，學生成功地從酸奶中分離獲得了不同的乳酸菌，并且制得了酸豆奶，并且對酸豆奶口感的提升進行了研究。此項課題獲得了第30屆上海市青少年科技創新大賽二等獎。使用同樣的方法、相似的研究對象，研究不同的對象，解決不同的問題，很多時候也能夠實現創新。

案例3：尋找日常生活中的抑菌物質（高二，研究性學習）

教師介紹研究案例和研究方法，學生發現芥末能夠抑菌，而芥末來自十字花科植物。類比后學生選擇了5種十字花科不同屬的植物種子（相關假設：同屬的植物可能具有相同或相似的抑菌物質，從而具有相同的功能），利用抑菌圈實驗發現其均有抑菌防霉效果。在此基礎上，鼓勵學生通過類比相似的研究思路和手段，尋找日常生活中的抑菌物質，進行課題研究。表l是學生基于抑菌圈法完成的課題研究和獲獎情況。

利用已有的成果案例，引導青少年通過想象和類比等創新思維形式實現自己腦海中的“創意”，并將創意落實為創新成果。使學生體會到類比的重要性，并在反復訓練的過程中，能夠常用類比的思維模式解決問題。

3.巧用逆向思維（conversethinking）打破思維定勢

逆向思維，也稱求異思維，它是對司空見慣的似乎已成定論的事物或觀點反過來思考的一種思維方式。教師應當在科學教育過程中，一定程度上引導學生打破思維定勢，尋找別的切入點思考問題。

案例4：關于細菌的逆向思維案例（高二，研究性學習）

在前文中介紹了許多學生利用類比思維完成的抑菌案例，在此基礎上，教師還可以鼓勵學生利用逆向思維，明白創新不僅是“抑菌”，其實細菌也可以造福人類，讓學生通過資料檢索嘗試利用細菌解決日常生活中的問題。

學生發現一些細菌會污染水體，但是一些細菌卻能夠起到凈水作用。于是通過課題研究篩選具有凈水能力的細菌，通過檢測水體中的氨氮、亞硝酸鹽氮、磷酸鹽、溶解氧及銅、總鐵、六價鉻的含量研究所選細菌對水質的改善效果。并將其制作成凈水球達到凈水的效果。

此項課題獲得了第34屆上海市青少年科技創新大賽一等獎。

4.借助思維工具提升思維品質

思維工具是指那些能有效影響思維抽象活動、提高思維效能、延伸思維深度，能把抽象思維過程具體可視化的一類方法技能總稱。思維導圖就是常用的思維工具之一。在國外，思維工具在科學教育中應用非常廣泛。借鑒國外考察經驗，以下通過案例具體介紹思維工具在科學研究中的應用。

案例5：關系圈工具（connection circle）——尋找解決問題的關鍵點

通過關系圈能夠幫助學生找到解決問題的關鍵詞，并試圖找到不同關鍵詞之間的聯系，同時可以尋找出解決問題的最關鍵因素（連線最密集的點）。教師首先提出問題：以“環境”“工程”和“能源”3個關鍵詞中的2個為主題提出1個問題。學生從日常生活中觀察到的現象入手，提出“夏天戶外如何實現節能降溫”的問題。通過關系圈工具（如圖1）可以發現：經濟成本、市場需求、開發新設備、節能新技術和使用清潔能源都與問題的解決有關，而其中如何使用清潔能源、開發新的設備或許是解決問題的關鍵。然后教師引導學生利用發散性思維通過小組討論提出各種解決方案，比如改造戶外遮陽傘;設計隔熱裝置，戶外放置冰塊，實現防暑降溫;設計小型人造噴霧降溫系統;電驅動半導體制冷片（新技術）降溫;光伏驅動戶外電扇實現降溫等。討論后提出創新點：在已有的戶外傘上安裝太陽能電池板驅動半導體制冷片實現太陽能空調傘的制作。圖2為制作的太陽能空調傘成品，此項課題申請了發明專利。

三、結語

青少年創新思維的培養是科技教育的重要方面。指導教師應當首先明確創新思維所包含的各個要素，在科技教育中，教師通過設置情境、問題和任務能夠很好地幫助學生形成創新思維。同時教師應當借助案例和思維工具引導學生將其進一步應用在常規學科教學和研究性學習中，提高創新實踐能力。

作者簡介

馮碧薇，上海市建平中學，科技輔導員，電子信箱：bw_feng@126.com。

點評

創新是推動國家發展和人類社會進步的動力，學生的創新思維培養是科技教育的重要目標之一，也是科技教育領域研究的熱點話題。本文作者聚焦科技教育實踐中的創新思維培養，首先探討了創新思維的內涵，其次結合相關案例，提出了在科技教育中培養學生發散思維與聚合思維、類比思維、逆向思維等創新思維的具體策略和方法，并結合案例介紹了思維工具在培養學生創新思維中的應用。案例代表性強，深入淺出，對當前我國青少年的創新思維培養及科技教育實踐具有一定的借鑒意義和參考價值。

如果作者能夠對創新思維的本質特征及青少年創新思維的特點和表現有更深入的理解，并基于創新思維的核心特征，在引用相關案例進行介紹的基礎上，進一步凸顯青少年創新思維在培養過程中的體現，剖析與其培養策略之間的關系，則對科技實踐工作者的借鑒價值更為突出。

——高瀟怡（中國青少年科技輔導員協會常務理事，北京師范大學教育學部課程與教學研究院副院長，教授，博士生導師。第27屆全國青少年科技輔導員論文征集活動評審委員會主任委員）