科學教育與青少年創(chuàng)新思維培養(yǎng)實踐研究

摘要：科學教育是培養(yǎng)青少年創(chuàng)新思維的主要途徑，除了學科教學與實驗，還需要教師掌握馬克思主義唯物辯證法與世界觀，正確引導科學教育與青少年創(chuàng)新思維培養(yǎng)的方向。要培養(yǎng)青少年的創(chuàng)新思維，必須搞好各門具體學科的科學教育，其中，數(shù)學、科學實驗和技術(shù)設計，在各門學科教育實踐活動中的作用更加明顯。作為科學教師或科技輔導員，怎樣進行科學教育，如何在科技教育實踐活動中對學生進行創(chuàng)新思維培養(yǎng)，參與創(chuàng)造、發(fā)現(xiàn)與發(fā)明活動，是筆者在本文中將要回答的問題。

關鍵詞：科學教育 創(chuàng)新思維 觀念轉(zhuǎn)變 科技創(chuàng)新 串聯(lián)拓展法

一、前言

20世紀80年代，筆者參加了縣、市、省3級數(shù)學思維能力研究，閱讀了相關著作，積累了一些實踐經(jīng)驗。至今近40年，筆者經(jīng)歷了科學教育與創(chuàng)新思維在思想、理論、觀念和方法等方面的轉(zhuǎn)變，在邏輯思維、創(chuàng)新思維和動手思維3個方向上進行了激烈爭論和充分實踐，特別是應用演繹法和平面幾何證明開展邏輯思維培養(yǎng)，應用合情推理和歸納法開展創(chuàng)新思維培養(yǎng)，合理安排實踐活動，引導青少年加強動手動腦，使青少年不斷接受科學教育熏陶，進行創(chuàng)造發(fā)明，論證科學教育與青少年創(chuàng)新思維培養(yǎng)的實踐效果，實現(xiàn)科學教育方法創(chuàng)新，形成了串聯(lián)拓展教學法。

近40年的學習、工作經(jīng)歷，造就了筆者對科學態(tài)度和知識儲備觀念的認知，并促成了有利于創(chuàng)新思維培養(yǎng)的3次轉(zhuǎn)變。

（1）沒有增長知識的思想，就沒有接受創(chuàng)新思維的態(tài)度 在那個特殊的年代，筆者失學11年，沒有初中和高中的學習經(jīng)歷。由于看不懂圖紙，被震撼了心靈，使筆者明白了科學知識的重要性，知道了必須學習并且靠自己學習。

（2）沒有追求真才實學的愿望，就沒有接受科學教育持續(xù)提升創(chuàng)新思維的動力 恢復高考，筆者被師范學校錄取，學習困難是所有困難中的最大困難，唯有勤奮學習，不斷進修，才終于儲備了能夠從事科學教育的知識與技術(shù)。

（3）有了創(chuàng)新思維的品質(zhì)，就有發(fā)現(xiàn)與發(fā)明創(chuàng)新的意識 恢復高考被錄取的學生，普遍經(jīng)歷了入學后感到知識水平不足的自卑，久而久之，會形成一種得過且過的思想障礙。這種障礙，不利于培養(yǎng)青少年創(chuàng)新思維的品格，不利于科學教育的開展，更不利于創(chuàng)新思維培養(yǎng)。創(chuàng)新思維觀念的轉(zhuǎn)變，才是參加科學教育和發(fā)現(xiàn)與發(fā)明的巨大推力。

二、在科學教育中開展邏輯思維培養(yǎng)的實踐探索

1. 應用平面幾何的創(chuàng)新思維實踐

這個方法顯示了邏輯思維在解決平面幾何問題中的重要作用，也成為串聯(lián)拓展教學法形成的開端。在這種情況下，應用創(chuàng)新思維解決問題的嘗試，使筆者在創(chuàng)新思維的發(fā)展方向上邁出了第一步。經(jīng)過總結(jié)，形成了加倍拓展替換法：①建立角的等式；②乘以2；③用等量替換右邊的角；④除以2，得證。應用加倍拓展替換法，針對初一至高三不同年級學生進行幾何證明和邏輯思維培養(yǎng)入門訓練，效果很好。

2. 面對問題合理轉(zhuǎn)化得出證明的創(chuàng)新思維升華

鼓勵學生善于面對問題，從最基本的概念出發(fā)，化難為易，合理轉(zhuǎn)化，巧妙得出問題的求解與證明，促成學生創(chuàng)新思維不斷形成、升華與積累。

把參考答案與學生答案進行比較，教師和命題者都稱贊學生解答巧妙。不難看出，科學教育中培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維非常重要，這個問題求解，巧就巧在具有對問題進行合理轉(zhuǎn)化的創(chuàng)新性思維。

3. 敢于爭鳴支持問題正確結(jié)論的創(chuàng)新思維實踐

抓住問題的本質(zhì)，在不產(chǎn)生科學性錯誤的基礎上，應該引導學生敢于同教師和同學爭鳴，支持解決問題得出的正確結(jié)論，也是科學教育與創(chuàng)新思維培養(yǎng)實踐過程應該形成的素養(yǎng)。

1992年春，達縣召開物理教學研究會，碑廟中學主任提問：“冰在熔解過程中熱能怎樣變化？”之前，筆者回答學生提出的相同問題，做實驗，查閱小學自然課本和從初中到大學的物理教材，找到理論根據(jù)，給出“冰在熔解過程中熱能不變”的結(jié)論。與會全體物理教師應用內(nèi)能守恒定律，一致反對筆者的意見，引起激烈爭論，持續(xù)數(shù)年。1995年，四川省中考物理試題就有這個題目，答案與筆者觀點相同，使對這個問題的爭論升級。西南師范大學和四川大學的物理學專家會同四川省教育考試院的專家討論，最后確定了“熱能不變”的結(jié)論。有個學生當年參加考試，選擇“熱能增加”，丟失3分，最終差2.5分上線，深刻體會了人云亦云之苦，表示今后對問題一定要認真思辨，堅持真理。其實這個問題并不復雜，冰熔解后不叫冰，0℃的冰狀態(tài)未變，熱能不變；冰吸熱熔解，冰水混合物的熱能增加，實質(zhì)是冰水混合物中水的熱能增加。眾多物理教師出錯的根源，就是邏輯思維和創(chuàng)新思維受內(nèi)能守恒干擾，沒有區(qū)分冰與冰水的同溫狀態(tài)而出錯。這個問題值得在創(chuàng)新思維培養(yǎng)中作為案例應用與重視。近年，學校物理教學再次出現(xiàn)這個問題，同樣發(fā)生了教師出錯的現(xiàn)象，表明了培養(yǎng)學生邏輯思維和創(chuàng)新思維的重要性。

4. 創(chuàng)建數(shù)學模型促進科學教育和創(chuàng)新思維培養(yǎng)

四色定理、3x+1猜想和哥德巴赫猜想是中小學數(shù)學教材上介紹的3個國際數(shù)學難題，筆者采取創(chuàng)建數(shù)學模型的思維方式開展科學研究，應用數(shù)學模型促進學校科學教育，加強對青少年創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

（1）發(fā)明四色地球儀模型教學，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維 2003年高考理科數(shù)學試題：在花臺上5塊區(qū)域栽4種不同顏色的花，有多少種方法？由此發(fā)明四色地圖著色方法。應用著色方法，計算世界地圖上各國的顏色，發(fā)明四色地圖地球儀模型，參加全國青少年科技創(chuàng)新大賽獲獎；發(fā)明四色地圖玩具計算器和算盤計算器，取得專利；用來教學四色定理，在小學、初中、高中和大學分別實驗，有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維。從而把大多數(shù)教師畏避的四色定理國際數(shù)學難題，轉(zhuǎn)變成人們積極思維、踴躍參與學習的科學技術(shù)普及活動。

（2）研究3x+1猜想運算結(jié)果的規(guī)律，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維 3x+1猜想是華東師范大學版7年級數(shù)學教材上介紹的數(shù)學問題，也是《10 000個科學難題》一書中的數(shù)學科學骨干難題：任選1個正整數(shù)，如是偶數(shù)則除以2，如是奇數(shù)則乘3加1，經(jīng)過若干次變換后，最終結(jié)果為1。研究3x+1猜想運算過程，實現(xiàn)了創(chuàng)新思維培養(yǎng)的飛躍。根據(jù)3x+1猜想的運算結(jié)果，筆者與學生探索出描述標準運算規(guī)律的100多個數(shù)學定理，構(gòu)建顯示3x+1猜想的空間數(shù)學模型，參加2010年全國青少年科技創(chuàng)新大賽獲獎，并取得發(fā)明專利。

（3）運用哥德巴赫猜想教學合情推理，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維 哥德巴赫猜想是西師版小學5年級數(shù)學教材和人教版高二數(shù)學教材中介紹的數(shù)學問題。哥德巴赫猜想的證明難度干擾了教學，科學教育存在的問題是人們不能讀懂關于哥德巴赫猜想的概念，可以在培養(yǎng)創(chuàng)新思維過程中，引導讀者觀察分析數(shù)學模型演示的結(jié)果予以化解。2013年11月，筆者在《中小學數(shù)學》雜志高中版發(fā)表了《教學哥德巴赫猜想的見解》[2]一文，2017年5月，筆者在《中小學數(shù)學》雜志高中版上發(fā)表了《用陳景潤猜想和哥德巴赫猜想教學合情推理的見解》[3]一文。創(chuàng)新定義陳景潤猜想，簡化創(chuàng)新思維途徑，便于讀者理解與思考，增強了哥德巴赫猜想在科學教育中的應用性，拓展了創(chuàng)新思維培養(yǎng)的范圍，提升了推廣應用的效果。

三、科學教育活動中創(chuàng)新思維的實踐探索

2010年以來，筆者面向全體學生設計開展了治水、治“牛皮癬”、治塑料污染3個方面的科技教育活動，讓廣大青少年通過實踐探索，“手動促思維，手勤心智靈，勤勞出智慧”，培養(yǎng)青少年創(chuàng)新思維。

1. 研究坡面水土流失的創(chuàng)新思維

觀察江河洪水，研究泥沙含量與來源，張云帆、李遨宇等學生持續(xù)參與長江第四級支流明月江流域水土流失治理，在實踐、試驗和實驗的創(chuàng)新思維中進行創(chuàng)造發(fā)明與技術(shù)設計，取得坡地蓄水保土船形橫溝、荒坡截流攔砂螺旋船形橫溝、雙溝三墻截流攔砂護渠船形橫溝等專利和技術(shù)方法，形成了軍民融合的《軍民共建治理坡面水土流失的船形和螺旋橫溝工程》[4]，登記了2項科學技術(shù)成果，是把荒山荒坡建成坡面河流和坡底河前濕地進行水土保持的治水工程。

2. 實踐治理“牛皮癬”頑疾的創(chuàng)新思維探索

從2018年開始，組織學生實踐活動，治理城鎮(zhèn)各社區(qū)“牛皮癬”頑疾，利用這種社會實踐活動，進行技術(shù)和工具創(chuàng)新的創(chuàng)新思維培養(yǎng)方法探索。對城市“牛皮癬”的生成進行逆向思維，研究制造“牛皮癬”的思維方式和行為方式，對張貼與印刷進行治理創(chuàng)新，采取洗、刮、砂、擦、銼、蓋等方式，發(fā)明和改進相應工具，由實踐形成有效的方法和有用的工具，從而形成發(fā)明工具和方法的創(chuàng)新思維。

3. 收集塑料垃圾保護凈土的創(chuàng)新思維探索

清除塑料垃圾，保護凈土，建設綠水青山環(huán)境任重道遠。國內(nèi)大城市倡議開展從收集塑料吸管開始限塑的社會活動，清除分散在城鄉(xiāng)土地中的塑料垃圾、塑料碎片、塑料吸管等，全國各地都需要青少年學生廣泛參與。

筆者認為，在大巴山持續(xù)開展治水、治“牛皮癬”、治塑料污染的創(chuàng)新思維，可以面向全國推廣，形成一種生產(chǎn)力，堅持開展相關科技實踐活動，有利于當?shù)鼐G水青山環(huán)境保護。

四、結(jié)論

筆者40年來進行科學教育與創(chuàng)新思維培養(yǎng)實踐探索的經(jīng)驗，可以概括成串聯(lián)拓展教學法，是串聯(lián)復習舊知識，拓展發(fā)現(xiàn)新知識，完成科學教育任務的方法。串聯(lián)是科學教育具有綜合性思維的活動過程；拓展是不斷發(fā)現(xiàn)形成創(chuàng)新思維的探索過程。串聯(lián)拓展教學法的應用推廣具有面向各個學科的廣泛性，要搞好科學教育，促進青少年創(chuàng)新思維培養(yǎng)，培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維的后備人才，必須對引進的國外教學法展開廣泛深入研究，創(chuàng)造符合中國青少年認知規(guī)律的教學方法，筆者在數(shù)學、物理、歷史、地理等課程教學中習慣使用串聯(lián)拓展教學法，科學教育效果好。

參考文獻

[1] 李中平.平面幾何分類證明[M].重慶：西南師范大學出版社，2015

[2] 李中平.教學哥德巴赫猜想的見解[J].中小學數(shù)學（高中版），2013（12）

[3] 李中平.用哥德巴赫猜想和陳景潤猜想教學合情推理的見解[J].中小學數(shù)學（高中版），2017（5）

[4] 錢丹凝.第八屆四川省博士專家論壇優(yōu)秀論文集[M].成都：四川科學技術(shù)出版社，2016

作者簡介

李中平，四川省達州中學，高級教師，電子信箱：3576554821@qq.com。

點評

作者是一位扎根實踐、勤于思考的科技輔導員，本文采用隨筆式的寫法，講述了自身對青少年科學教育和創(chuàng)新思維培養(yǎng)觀念的轉(zhuǎn)變過程，所提出的串聯(lián)拓展教學法具有一定的實踐探索價值，體現(xiàn)了作者在科學教育與青少年創(chuàng)新思維培養(yǎng)方面的實踐成果，對學生的創(chuàng)新思維培養(yǎng)具有一定的啟發(fā)意義。

作者在通過案例介紹對學生進行創(chuàng)新思維培養(yǎng)的經(jīng)驗的基礎上，如果能夠結(jié)合相關理論對學生創(chuàng)新思維培養(yǎng)的方法進行進一步的總結(jié)與提煉，并對串聯(lián)拓展教學法有更細致深入的介紹與分析，增強文章的規(guī)范性，則對一線科技教育工作者的借鑒價值會更為突出。

——高瀟怡（中國青少年科技輔導員協(xié)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）