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

摘要：創(chuàng)新思維是指以新穎獨創(chuàng)的方法解決問題的思維過程。中學(xué)階段是青少年思維品質(zhì)發(fā)展的重要時期，學(xué)校的科技教育對于學(xué)生思維發(fā)展至關(guān)重要。本文基于筆者自身在科技教育領(lǐng)域的實踐，以案例形式分析了通過科技教育促進(jìn)青少年創(chuàng)新思維培養(yǎng)的相關(guān)策略，以期為校內(nèi)青少年創(chuàng)新素養(yǎng)的培養(yǎng)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新思維 科技教育 發(fā)散思維 類比思維 逆向思維

一、科技教育與青少年創(chuàng)新思維培養(yǎng)

科技教育包括校內(nèi)科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)等學(xué)科課程和校內(nèi)外跨學(xué)科的科技課程和活動?？萍冀逃械摹翱萍肌?，包括自然科學(xué)、技術(shù)、工程學(xué)、數(shù)學(xué)、社會學(xué)等?？萍冀逃哪繕?biāo)是激勵青少年樹立科學(xué)夢想創(chuàng)新思維、創(chuàng)造能力和社會責(zé)任感，其中創(chuàng)新思維直接參與并決定創(chuàng)新實踐水平的高低。在科技教育過程中，運用創(chuàng)新思維能夠更好地完成創(chuàng)新實踐活動;反過來，創(chuàng)新實踐活動的體驗也進(jìn)一步促進(jìn)了學(xué)生思維的形成。

創(chuàng)新思維是指以新穎獨創(chuàng)的方法解決問題的思維過程，通過這種思維能突破常規(guī)思維的界限，以超常規(guī)甚至反常規(guī)的方法、視角思考問題，提出與眾不同的解決方案，從而產(chǎn)生新穎的、獨到的、有社會意義的思維成果。對于創(chuàng)新思維所包含的因素，歷來有不同的理解?？肆_普里等研究專家認(rèn)為創(chuàng)新思維是由發(fā)散思維和聚合思維兩種有機結(jié)合而構(gòu)成的。朱一清等學(xué)者將創(chuàng)新思維分為形象思維、抽象思維、發(fā)散性思維和批判性思維。北京師范大學(xué)林崇德教授（1999）則提出，創(chuàng)造性人才在創(chuàng)造性思維的形式上是發(fā)散思維與聚合思維的統(tǒng)一;在思維意識的清晰性上，創(chuàng)造性是分析思維與直覺思維的統(tǒng)一。共同的是，學(xué)者們大都認(rèn)為兒童的思維發(fā)展是穩(wěn)定而漸進(jìn)的，不同階段學(xué)生體現(xiàn)出來的創(chuàng)新思維品質(zhì)是不同的。中學(xué)階段是青少年思維品質(zhì)發(fā)展的重要時期，學(xué)校的科技教育對于學(xué)生思維發(fā)展至關(guān)重要?；诠P者自身在科技教育實踐中與青少年創(chuàng)新思維培養(yǎng)相關(guān)的研究，下文以案例形式分析了科學(xué)教育促進(jìn)青少年創(chuàng)新思維培養(yǎng)的相關(guān)策略，以期為校內(nèi)青少年創(chuàng)新素養(yǎng)的培養(yǎng)提供依據(jù)。

二、科技教育促進(jìn)青少年創(chuàng)新思維培養(yǎng)案例

1.運用發(fā)散思維與聚合思維解決實際問題

簡單來說，發(fā)散思維（ divergent thinking）指的是能夠?qū)栴}探索出許多可能的解決方案，而聚合思維（convergent thinking）則是能夠?qū)⒅R、邏輯、概率和其他決策策略考慮在內(nèi)進(jìn)行評估，發(fā)現(xiàn)最佳解決問題的方案。在教學(xué)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(yǎng)發(fā)散思維。在發(fā)散思維的基礎(chǔ)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(jìn)，相互轉(zhuǎn)化。

案例1：解斜三角形的應(yīng)用（高二，常規(guī)數(shù)學(xué)學(xué)科教學(xué)）

常規(guī)教學(xué)方法中，常通過練習(xí)應(yīng)用題學(xué)會解斜三角形的應(yīng)用。改進(jìn)教學(xué)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(xué)生拿著A4紙走到戶外，在真實情境中調(diào)用自己所學(xué)的任何知識進(jìn)行數(shù)學(xué)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(yōu)劣，并進(jìn)行小組匯報和評價，比一比誰的做法更有創(chuàng)意（聚合思維）。通過改進(jìn)的活動給學(xué)生一個來自現(xiàn)實的挑戰(zhàn)，真實情境的問題會充分調(diào)動學(xué)生的發(fā)散思維，激發(fā)學(xué)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(tuán)隊合作，進(jìn)行思維的碰撞，實踐與創(chuàng)新并重，寓教于樂，在數(shù)學(xué)建模的過程中體會數(shù)學(xué)的應(yīng)用性和創(chuàng)造性。

案例2：水體中菌落總數(shù)測定探究（高二，研究性學(xué)習(xí)）

在研究性學(xué)習(xí)時，教師應(yīng)當(dāng)多設(shè)置情境，鼓勵學(xué)生利用多種方法解決實際生活中的問題，促進(jìn)其發(fā)散思維的培養(yǎng)。這個過程可以由學(xué)生思考后提出解決方案，也可以進(jìn)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(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行方案的改進(jìn)和創(chuàng)新，尋找出最佳方案。以下就以自身指導(dǎo)的一個STEM課題研究為例加以分析。

（1）教師設(shè)置情境：水的質(zhì)量與安全向來是人們關(guān)心的重要問題，當(dāng)今社會水質(zhì)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(shù)呢？同時分析各種方法的優(yōu)缺點。

（2）學(xué)生文獻(xiàn)檢索后提出多種可能性方案（發(fā)散思維）：微生物培養(yǎng)計數(shù)法、顯微鏡觀察計數(shù)法、檢測細(xì)菌代謝產(chǎn)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(xì)菌進(jìn)行一定時間的培養(yǎng)，使細(xì)菌數(shù)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(fā)生明顯變化所需時長，根據(jù)菌落生長規(guī)律計算式，可反向推出細(xì)菌總數(shù)初始值。在檢索的基礎(chǔ)上，學(xué)生了解到各種方法大多都需要微生物培養(yǎng)，操作復(fù)雜、測量時間長（一般至少需要2～3天時間）。

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

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

2.使用類比思維實現(xiàn)創(chuàng)新

類比思維（analogical thinking）是根據(jù)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(yīng)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(shè)計思路或者是研究對象。比如在STEM教育實踐過程中，曾經(jīng)提及“學(xué)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(guān)的課題研究。通過鼓勵類比相似的設(shè)計思路，一些學(xué)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(xué)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(jìn)行了研究。此項課題獲得了第30屆上海市青少年科技創(chuàng)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?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)新。

案例3：尋找日常生活中的抑菌物質(zhì)（高二，研究性學(xué)習(xí)）

教師介紹研究案例和研究方法，學(xué)生發(fā)現(xiàn)芥末能夠抑菌，而芥末來自十字花科植物。類比后學(xué)生選擇了5種十字花科不同屬的植物種子（相關(guān)假設(shè)：同屬的植物可能具有相同或相似的抑菌物質(zhì)，從而具有相同的功能），利用抑菌圈實驗發(fā)現(xiàn)其均有抑菌防霉效果。在此基礎(chǔ)上，鼓勵學(xué)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(zhì)，進(jìn)行課題研究。表l是學(xué)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(dǎo)青少年通過想象和類比等創(chuàng)新思維形式實現(xiàn)自己腦海中的“創(chuàng)意”，并將創(chuàng)意落實為創(chuàng)新成果。使學(xué)生體會到類比的重要性，并在反復(fù)訓(xùn)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(yīng)當(dāng)在科學(xué)教育過程中，一定程度上引導(dǎo)學(xué)生打破思維定勢，尋找別的切入點思考問題。

案例4：關(guān)于細(xì)菌的逆向思維案例（高二，研究性學(xué)習(xí)）

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

學(xué)生發(fā)現(xiàn)一些細(xì)菌會污染水體，但是一些細(xì)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(xì)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(xì)菌對水質(zhì)的改善效果。并將其制作成凈水球達(dá)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(chuàng)新大賽一等獎。

4.借助思維工具提升思維品質(zhì)

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(dǎo)圖就是常用的思維工具之一。在國外，思維工具在科學(xué)教育中應(yīng)用非常廣泛。借鑒國外考察經(jīng)驗，以下通過案例具體介紹思維工具在科學(xué)研究中的應(yīng)用。

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

通過關(guān)系圈能夠幫助學(xué)生找到解決問題的關(guān)鍵詞，并試圖找到不同關(guān)鍵詞之間的聯(lián)系，同時可以尋找出解決問題的最關(guān)鍵因素（連線最密集的點）。教師首先提出問題：以“環(huán)境”“工程”和“能源”3個關(guān)鍵詞中的2個為主題提出1個問題。學(xué)生從日常生活中觀察到的現(xiàn)象入手，提出“夏天戶外如何實現(xiàn)節(jié)能降溫”的問題。通過關(guān)系圈工具（如圖1）可以發(fā)現(xiàn)：經(jīng)濟(jì)成本、市場需求、開發(fā)新設(shè)備、節(jié)能新技術(shù)和使用清潔能源都與問題的解決有關(guān)，而其中如何使用清潔能源、開發(fā)新的設(shè)備或許是解決問題的關(guān)鍵。然后教師引導(dǎo)學(xué)生利用發(fā)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(shè)計隔熱裝置，戶外放置冰塊，實現(xiàn)防暑降溫;設(shè)計小型人造噴霧降溫系統(tǒng);電驅(qū)動半導(dǎo)體制冷片（新技術(shù)）降溫;光伏驅(qū)動戶外電扇實現(xiàn)降溫等。討論后提出創(chuàng)新點：在已有的戶外傘上安裝太陽能電池板驅(qū)動半導(dǎo)體制冷片實現(xiàn)太陽能空調(diào)傘的制作。圖2為制作的太陽能空調(diào)傘成品，此項課題申請了發(fā)明專利。

三、結(jié)語

青少年創(chuàng)新思維的培養(yǎng)是科技教育的重要方面。指導(dǎo)教師應(yīng)當(dāng)首先明確創(chuàng)新思維所包含的各個要素，在科技教育中，教師通過設(shè)置情境、問題和任務(wù)能夠很好地幫助學(xué)生形成創(chuàng)新思維。同時教師應(yīng)當(dāng)借助案例和思維工具引導(dǎo)學(xué)生將其進(jìn)一步應(yīng)用在常規(guī)學(xué)科教學(xué)和研究性學(xué)習(xí)中，提高創(chuàng)新實踐能力。

作者簡介

馮碧薇，上海市建平中學(xué)，科技輔導(dǎo)員，電子信箱：bw_feng@126.com。

點評

創(chuàng)新是推動國家發(fā)展和人類社會進(jìn)步的動力，學(xué)生的創(chuàng)新思維培養(yǎng)是科技教育的重要目標(biāo)之一，也是科技教育領(lǐng)域研究的熱點話題。本文作者聚焦科技教育實踐中的創(chuàng)新思維培養(yǎng)，首先探討了創(chuàng)新思維的內(nèi)涵，其次結(jié)合相關(guān)案例，提出了在科技教育中培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散思維與聚合思維、類比思維、逆向思維等創(chuàng)新思維的具體策略和方法，并結(jié)合案例介紹了思維工具在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維中的應(yīng)用。案例代表性強，深入淺出，對當(dāng)前我國青少年的創(chuàng)新思維培養(yǎng)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?qū)?chuàng)新思維的本質(zhì)特征及青少年創(chuàng)新思維的特點和表現(xiàn)有更深入的理解，并基于創(chuàng)新思維的核心特征，在引用相關(guān)案例進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步凸顯青少年創(chuàng)新思維在培養(yǎng)過程中的體現(xiàn)，剖析與其培養(yǎng)策略之間的關(guān)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(dǎo)員協(xié)會常務(wù)理事，北京師范大學(xué)教育學(xué)部課程與教學(xué)研究院副院長，教授，博士生導(dǎo)師。第27屆全國青少年科技輔導(dǎo)員論文征集活動評審委員會主任委員）