科學精神引領下的創新思維培養

魏爍佳

隨著世界多極化、經濟全球化、文化多樣化、社會信息化的深入發展，在如何讓學生成功適應未來社會這一前瞻性問題上，人文、科學、創新幾個關鍵詞成為許多教育人士討論的焦點。人文情懷是促使一個人長久、健康發展的精神動力和精神支撐。一個具有人文情懷的人，心智是豁達的，情感是純凈的，意志是經得起磨礪的。一流的科學家往往擁有豐厚的人文情懷，是科學精神與人文情懷結合的典范?？茖W精神作為一種追求真理的精神氣質，也是民族創新的基礎和源泉?！吨袊鴮W生發展核心素養》樹立了學生成長的“標桿”，人文底蘊、科學精神、實踐創新為孩子們指明了成長的方向。在信息時代，唯有具有豐厚的人文底蘊，秉持科學精神，勇于創新的人才能立于不敗之地。

● 人文情懷、科學精神與創新思維在教育上的統一

科學精神本身是一種人文精神，一直以來被世人用來標榜和歌頌科學家的品質、素養、信念，其內涵主要體現在崇尚真理、合理批判、勇于探究、敢于創新等方面?？茖W精神的內涵和外延隨著社會的發展不斷豐富，其中有一種觀點頗能引起人們共鳴：科學精神是真、善、美“三位一體”的和諧統一，三個字道盡科學精神的人文內涵。從教育的角度看，科學精神主要是學生在學習、理解、運用科學知識和技能等方面所形成的價值標準、思維方式和行為表現。

科學精神是探索實踐的范疇，敢于創新是科學精神的本質要求。科學之所以具有活力、之所以為科學，就在于人類將創新的意識和創新的精神注入到認識世界和改造世界的活動中。培養學生的科學精神和培養學生實踐創新的素養在求真和求新的目標上是相統一的。有學者指出，大凡科技的發明創造，首先是思維方法的勝利。所以，培養學生實踐創新的素養，在學科教學上的落腳點是培養學生的創新思維。

在人文精神的引領下培養學生實踐創新的素養，也是對學生創新人格的塑造——追求真理，自主學習；敢于質疑，善于發現；勇于探究，面對困難與失敗，百折不撓；淡薄名利，讓創新向善的一面發展。

● 科學精神、創新思維和程序設計在教學上的結合

程序設計的過程是一個實驗和創造的過程。心理學對創新思維在解決問題中的活動過程做過大量的研究，比較有代表性的是英國心理學家華萊士（G.Wallas）所提出的四階段論，即準備、醞釀、明朗和驗證四個階段。程序設計的一般過程是：問題分析、任務分解—抽象模型、形成算法—明確流程、編寫代碼—反復調試、不斷改進，此過程正是華萊士所提的創新思維過程的四個階段的體現。在程序設計全過程中，學生的邏輯思維、形象思維、發散思維、直覺思維、批判思維等被充分調動，刺激大腦處于興奮的“創造”模式，創新思維得以激發和培養。

程序設計過程的思維方式，還凸顯出具有計算機科學特色的一種思維——計算思維。計算思維是信息技術學科的核心素養之一，是運用計算機科學的基礎概念去理解人類的行為、求解問題和設計系統的思維方式。所以，與算法和程序有密切聯系的計算思維也是人們認識世界、改造世界的思維方式和科學求真方法。

在科學精神的指引下，科學家在運用創新思維進行科學研究時，會盡可能地減少或避免因主觀功利性而導致技術成果在作用于社會的過程中帶來的負面影響。程序設計教學則需要這種科學精神的滲透。以人類社會發展為價值追求的程序創新結果讓人們生活更美妙；相反，急功近利、惡意破壞為價值導向的程序導致的是計算機病毒泛濫，人們信息安全甚至財產、生命安全受到威脅。

● 創設程序設計教學任務和學習項目，培養學生創新思維

2014年，筆者參與了課題《人文情懷涵養下信息技術學科學生創新思維培養實踐研究》的研究，選擇了基于程序設計培養學生創新思維的研究方向。為了激發學生的學習興趣，筆者選用了Scratch和虛擬機器人作為主要教學載體。

1.創新與藝術結合，在美育中培養創新思維

作品創作是信息技術學科培養學生創新思維的有效方法之一。將美術和音樂等藝術元素整合到程序設計中，程序就有了獨特的魅力，為學生創作信息技術作品打開了思維的新天地；同時，啟迪學生從新的認知角度去了解事物原理，培養求真精神。

例如，在教學《母親節禮物》一課時，筆者將樂理知識引入編程。首先，展示一張照片，內容為伊拉克一個失去媽媽的小女孩，在孤兒院的地面上畫出媽媽的圖畫，蜷縮在“媽媽”懷中睡著，以此激起學生心中關于母愛和珍惜幸福的共鳴，在此情感基礎上筆者提出利用Scratch設計母親節音樂賀卡的任務。接到任務后，學生自主搜索母親節主題的樂曲簡譜和背景圖片，學習Scratch樂器、節拍、音調等程序指令，將樂譜轉化為程序指令，用延時和循環等方法控制音樂播放。在本課的后續學習中，有學生還創作了可由鍵盤演奏的電子琴程序，利用程序指令自行編曲，這是在探索樂理知識后的又一創新作品。藝術課程對學生感性思考的培養十分明顯，整合藝術元素引導學生在編程中發現美、創造美，將審美的感性思考與編程的理性思考結合，無疑對學生創新思維的訓練更全面。融入人文情懷的程序設計任務也讓教學過程變得溫潤，沒有了唯技術至上的晦澀感。

2.創新與娛樂結合，在游戲設計中培養創新思維

哈佛大學創新實驗室的托尼·瓦格納認為：“想象力、合作、交流這些特質與技能，對于創新的培養而言非常重要。但是，這一切都是從‘玩耍開始。無論是童年時期探索世界，還是作為成年人，作為一個科學家或者數學家，尋找新的可能性、新的思路，這些是人類的最高形式的表達，是從‘玩耍的初心開始的?！崩肧cratch進行游戲教學是筆者另一方向的實踐研究。讓學生理解游戲互動內部邏輯原理，設計新游戲，在快樂中創造，在創造中學習。游戲編程基于學生的觀察、比較、分析、綜合、抽象、概括、推理、批判等思維能力，反映出學生的想象力和創造力。創新思維的成果不僅包括新的創造，也包括對已有事物的改造提升。

批判思維是一種反思性的思維，也有把研究對象看作是需要不斷發展和有待完善的一層含義。所以，筆者采用的是游戲“升級”的教學策略，在課堂上給出一個基礎程序樣本，由學生不斷增加奇思妙想，豐富內涵。對個性化的追求讓學生自發地、不斷地提出問題，解決問題，讓作品日臻完善或變成新的游戲，創意紛呈。筆者曾在課堂上呈現了一個簡單的“打磚塊”Scratch程序實例，在一位學生的不斷分析、持續改造下，變成更具趣味的雙人互動游戲。該作品參加第十七屆全國電腦制作活動創意編程項目評比還獲得了一等獎。

3.創新與生活結合，在解決問題過程中培養創新思維

在現實生活問題情境中，學生的創新意識和創新思維更容易得到激發和培養，也更能養成學生善于發現現實問題、敢于質疑、勇于提出新方案的思維習慣。虛擬機器人是筆者基于程序設計培養學生創新思維的另一個教學載體。虛擬機器人與實體機器人相比，其優勢是容易引入課堂，讓更多學生參與。當前的虛擬機器人競賽項目都是基于問題解決的任務導向，學生可以創造性搭建機器人，采取多種策略完成任務。競賽項目并不適合直接在課堂上開展，因為其任務量多，學習周期較長。為避免這個問題，筆者利用虛擬仿真平臺的場景制作功能，將現實生活中的問題引入課堂，設計更有針對性的情境問題，培養學生的批判思維和發現問題、創造性解決問題的能力。

例如，筆者曾以新聞報導的多起電梯故障傷人事件創設任務情境，搭建了一個電梯運行的模型，基于這個仿真電梯模型讓學生研究如何避免電梯崩塌傷人。學生分組討論后，將策略確定為利用傳感器來檢測電梯踏板是否崩塌，如果是，則自動停止電梯運行。進而，各小組投入到距離傳感器、碰撞傳感器、亮度傳感器等的模擬實驗中。在此活動中同時傳遞給學生一種價值觀：思慮周全、精益求精的創新成果能為社會帶來更多的福利，急功近利則可能造成嚴重影響和后果。

4.創新與自然世界結合，在探索自然規律中培養創新思維

人類的發展進步離不開對大自然的探索，科學領域很多發明創造都是從大自然獲得靈感的。仿生機器人就是人類在探索自然界生物的基礎上抽象創新的成果。每當筆者在課堂上向學生播放谷歌公司仿生機器人視頻時，學生無不感嘆這些栩栩如生的機器人的奇妙。

仿生機器人綜合了信息技術、人工智能、控制論、自動化等多門學科知識，能否引入課程培養學生創新思維呢？對此，筆者開始了虛擬仿生機器人的教學實踐。所用的教學平臺是蘿卜圈虛擬仿真平臺，借助此平臺學生可以隨心所欲利用結構積木、伺服電機、感應器等虛擬元件搭建機器人并為其編程。項目學習的內容是仿生機器人運動，機器人的形態可以是兩足人形、四足動物、六足昆蟲等。自然界中不同的動物的行進方式各具特長，點亮了學生的創造靈感。首先，學生分組合作走進大自然或從動物記錄片中觀察各種動物，在了解動物腿部運動數理規律的基礎上進行抽象和建模，如四足動物的對角線式行進方式、六足動物的三角形行進方式。接著，設計機器人外形，編寫運動程序，反復調試，經歷從認知到創新的過程。選擇某一個科學研究領域，利用現有條件為學生創設符合他們當前認知水平的學習平臺，勢必會激發一些學生在該領域的興趣和學習追求，他們會自主進行更深的探索，或者將思維方法遷移到其他領域?？茖W精神是持續創新的支撐，在學生心中播下探索和創新的種子，隨著學生的學習成長，具有現實意義的創新成果可能由他們創造而生。

教育是多種文化的融合——人文情懷涵養下的創新思維的培養，讓學生在理性思維的過程中同時感悟真、善、美；科學精神引領下的創新思維培養，在求真探索、批判反思、實踐創新的過程中激發學生潛在的發展性、突破性、獨特性思維源泉；“全面發展”教育追求下的創新思維培養，需要教師具備適應時代要求的責任感，創造性開展教學，為學生營造創新的人文環境，促使學生向人文底蘊和科學精神高度融合的創新型人才發展。