STEM理念下學生創新思維的培養策略

吳逢高 滕海川 陳擘威

摘要創新思維是人類高階思維的重要組成部分，它的培養要以個體豐富的知識儲備為前提，以形成扎實的信息基礎，還要求學習者必須經歷迭代的實踐訓練，養成抓住“關鍵性聯系”的本領，最終形成“更新、創造、改變”的創新能力。隨著全球經濟與科學技術的快速發展，STEM教育已成為各國科技創新人才培養和教育教學改革的重要戰略和途徑。本文探討了STEM理念下學生創新思維的培養策略。

關鍵詞 STEM理念 創新思維 知識基礎

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.18.041

Training Strategies of Students’ Innovative Thinking under STEM Concept

WU Fenggao[1]， TENG Haichuan[2]， CHEN Bowei[3]

（[1] Primary School Affiliated to Weizhou Normal School for Nationalities， Aba， Sichuan 623000；

[2] Weizhou Normal School for Nationalities， Aba， Sichuan 623000；

[3] School of Mathematics and Physics， Mianyang Teachers College， Mianyang， Sichuan 621000）

Abstract： Innovative thinking is an important part of human higher-order thinking. Its cultivation should be based on the individual’s rich knowledge reserve to form a solid information foundation. It also requires learners to go through iterative practical training， develop the ability to grasp the "key links"， and finally form the inno？ vative ability of "renewal， creation， change". With the rapid development of global economy and science and technology， STEM education has become an important strategy and approach for the cultivation of scientific and technological innovation talents and education and teaching reform in various countries. This paper discusses the cultivation strategy of students’ innovative thinking under STEM concept.

Keywords： STEM concept； innovative thinking； knowledge base

創新思維是人類高階思維的重要組成部分，它的培養要以個體豐富的知識儲備為前提，以形成扎實的信息基礎，還要求學習者必須經歷迭代的實踐訓練，養成抓住“關鍵性聯系”的本領，最終形成“更新、創造、改變”的創新能力。創新思維是未來相當長時間內小學教育的價值訴求。

STEM教育主張以整合的教學方式培養學生掌握知識和技能，并讓他們通過靈活遷移應用解決真實世界的問題。它強調跨學科、跨領域，強調真實問題，強調情境性、體驗性、設計性、實證性，強調關注所有的學生；倡導用項目、問題驅動學習，借工程設計完成理論性科學探究，通過實踐、迭代達到技術增強的目的等。這樣的學習環境能為個體獲取信息提供更好的途徑，能為學習者的迭代實踐創造更多的訓練機會，甚至有學者認為STEM教育最大的價值在于引導學生從單科學習轉向跨學科學習，從“紙上談兵”升級為“真槍實彈”，是培養創新能力的“孵化器”。

STEM教育之于創新能力的作用和意義

隨著全球經濟與科學技術的快速發展，STEM教育已成為各國科技創新人才培養和教育教學改革的重要戰略和途徑。本文將從以下幾方面對STEM教育對創新的意義進行梳理與分析：

1.STEM教育對學生創新能力培養的作用具有相當的國際共識

美國通過30多年的時間對STEM進行研究與實踐后發現：STEM教育是培養創新能力最重要的途徑，對學習者創新能力的發展有著極其重要的作用。隨著社會對人才需求的不斷提高，以培養復合型創新人才的STEM教育正逐步在全球普及，多個國家都發布了STEM教育發展規劃，STEM教育成為世界各國推進課程教學改革和創新人才培養的重要戰略。

2.STEM教育與學生創新能力培養有高度的契合性

在培養目標上，STEM教育的目標是培養學生的STEM素養，發展學生具備溝通協作能力、批判性思維、問題解決能力、創新能力等技能。批判性思維是創新能力的內涵之一，形成問題解決能力是創新能力發展的目標，協作能力的發展是創新能力形成的重要途徑，兩者的目標具有一致性。

在學習環境上，通過對比可以發現，STEM教育和創新能力的培養都必須根植于真實情境中發現問題，并能形成創造性的解決方案，兩者的學習環境具有相似性。

在培養措施上，STEM教育以工程設計為核心，而設計本身就是一種創新過程，需要創新思維的參與。可見，創新思維蘊藏于工程設計之中，設計過程就是發展創新思維的重要途徑。

在心理特質上，創新思維也符合“用進廢退”的原則。創新思維如果長期脫離了基于真實情境的科學探究與技術設計，也會面臨“不用則廢”的風險，而STEM教育能為其創造更多的使用機會。

在思維發展上，科學領域的“思”指向以解釋自然現象為目標的科學探究；工程技術領域的“思”則指向服務于實際問題的工程設計。這兩類“思”相似點頗多——都需要結合前認知與合理想象進行建構，反復實證檢驗，根據檢驗結果修正和調整理論或問題解決方案。相同點中的“想象”“反復”與不同點中的“優化”等，都是創新思維的一種外在形式或作用的表現。這里的“思”不但包括邏輯與創新兩種高階思維，還隱藏著這兩種思維的交互、迭代過程，具有一致性。

在促進意義上，以往的大量實證研究發現，個體的多元文化經驗對其創造性具有顯著的促進效應。STEM教育倡導的跨學科、跨領域從廣義上從屬于多元文化經驗范疇，對創新思維的發展及其能力的培養具有積極的促進意義。

由此可見，STEM教育可以看作是創新思維培養的有效載體，在同一學習過程中創新思維的發展又能促進學生STEM能力的提升，兩者相輔相成、交融共生。

STEM教育是促進學生創新能力提升的有效途徑

科學教育，是以科學探究為主要學習方法；STEM教育，是以工程設計為主導的項目式學習；融合了STEM教育理念的科學課是科學探究與工程設計的整合，也是探究與實踐的有機結合，這種融合凸顯了社會、認知、行為三個維度的實踐觀，要求科學作為社會性活動的特質在課堂上得到充分施展。

融合后的科學課在課程理念上，更重視思維結構化的建構。科學探究的深入需要縱向的邏輯思維，向上抽象可獲得新的概念和規律，向下回溯能找到實證證據，這構成了思維結構的“柱”；工程設計更多發展的是發散、類比、想象、直覺等思維，這些思維是橫向思維，它們的發展形成了思維結構的“梁”；有柱、有梁，結構化的思維就有了最基礎的框架。

在目標定位上，STEM教育更注重學生全面發展。融入STEM教育理念后，要求學生“既要像科學家一樣去探究，還要像工程師一樣去實踐”，目標指向范疇更具廣度，意味著通過科學課的學習不但要培養未來的科學家，還要培養工程師和具有創造力的勞動者。

在學習內容上，教學資源更加豐富。既有探究，還要實踐，教育理念的這一改變將生成更多的教育資源，原有顯性的探究資源、挖掘隱性的工程實踐、創設拓展的創新資源相互交融、交互作用，將生成不同類型的項目內容，這些內容對應相應的活動形式，活動應盡可能涉及多門學科知識的運用，引導學生使用多視角思考問題并積極主動尋求問題的答案，避免思維定式（周東岱等，2017）。

在評價方式上，STEM教育更利于學生成長。將STEM教育中的工程協議、量規量表等引入科學課堂教學，能更有針對性地完成對物化成果的終結性評價與對學生的過程性評價，基于規則的采用自評、他評、師評結合的方式，完善了多元多維的評價體系。

STEM教育理念下學生創新思維培養的策略

課堂是最重要的教學陣地，在課堂教學里融合、滲透利于創新思維發展的STEM教育理念，是在不加重學生學業負擔的前提下培養學生創新思維的有效方法。“用教材教，而不是教教材”，在STEM教育理念融入科學課增強創新思維培養中將得到更加充分的體現。在教材內容變化不是很大的情況下，既要保證科學探究的有效性，又要兼顧通過工程實踐增強創新培養的增值性，這需要教師以更寬闊的視野、多維的視角，并結合STEM教育理念對教材進行深入的挖掘與深度的剖析，重構教學設計，進行課堂優化。

1.創設能讓學生充分經歷科學發現、技術創新的學習情境，讓學生在體驗、感悟中提升創新能力

科技包括科學發現與技術創新，不斷地發現、創新，漸進地形成科學文化，產生這種文化的路徑具有相似性且有規律可循，其規律大體如下：發現問題→定性研究→定量探究→科學發現、找出規律→應用知識、創造發明→技術改造創新。

教師把這一規律應用到科學教學中，就能讓學生親歷從感知到認知的進階、完成從定性到定量的探究、體驗從知識到創造的創新過程，并能獲得從移情到設計的初成、從原型到迭代的技術提升。學生在親身經歷科學發現和充分體驗創新的過程中，會不斷產生出新的認知沖突并形成具有梯度的需求矛盾，這些沖突與矛盾就是創新的原點，在課堂教學中表現為生成了豐富的培養學生創新思維的機會。

如執教《杠桿》一課時，基于STEM教育理念和創新思維的培養目標，可將此課進行重構（見下表）。

2.挖掘問題的原點來設計學習活動，為學生創新提供堅實的知識基礎

問題的原點，指問題發現的最初位置，解決問題的出發之處。教師給學生創設站在原點思考的機會，能幫助他們理解知識是如何產生的，完成知識的底層建構；同時，還為學生創造了重歷“問題發現、方法推導、實驗驗證與問題解決的過程”的機會，讓學生有機會站在問題原點對創新進行深度思考，并將自己的思考結果與科學家、工程師的思維進行比對，在一思、一比中逐步發展自己的創新思維與創造能力。知識的底層建構是創新的基礎，自己的思考與前人已有成果的對比是推動創新思維發展的加速器。

如在學習調節光學顯微鏡的操作中，有一個操作要點是“先將鏡筒降到最低處，再緩緩上移，直至能清楚地看到標本”。大多數教師在此環節的教學中，只是單一地反復強調，能否將強調轉換為“調節鏡筒位置時，我們是從上至下調節好，還是從下至上調節好？請給出觀點，并說出理由”這樣一個能激發學生深度思考的問題，讓學生有機會站在問題的原點進行思考，開展研究。通過這一問題的驅動，學生將經歷多種調節鏡筒方法的假設，多種解決方案的推導，通過不斷分析與求證最終歸納出最優的解決辦法，并能抽象出操作要義。這就是現代教育理念倡導的深度學習，當學生完成自主研究后，會深刻地認識到“先將物鏡降到最低處，再緩緩向上調移”的原因是為了讓玻片標本失去被物鏡擠壓的隱患，以杜絕實驗事故的發生。學生在自主獲取這一知識的同時，也經歷了一次與操作要領制定者站在同一問題原點思考的過程。這樣建構的知識才易于遷移、利于創新。學生所經歷的發現問題、方案設計、論證推導、比較反思等過程能有效地促進其創新思維與創造能力的提升。

3.拓寬“跨”的外延，挖掘更為豐富的教學資源來促進學生創新思維發展

“跨”字可以概括STEM教育理念的重要精髓。對“跨”的理解，不能僅局限于跨學科知識的整合，它還應包括跨學段知識的貫通、跨學科思維的聯系、跨領域知識的應用等更為深層次的理念。在這種理念的指導下對教材進行挖掘會衍生出更多的教學資源，教師在教學實施中應善于捕捉，創新設計并靈活運用這些資源，使課堂成為“拓學科之界、解思維之鎖、觸建構之底、攀思維之高”的創新思維訓練主戰場。

（1）貫通跨學段知識，重視類比思維的訓練

所謂類比，是由兩個對象的某些相同或相似的性質，推斷出這兩個對象在其他性質上也有可能相同或相似的一種推理形式。類比思維也是創造性思維的一種形式。

在《測量力的大小》一課中，測力計讀數時要求視線與指針相平。教學時可做這樣的設計：教師用問題進行驅動，要求學生自主探究使用測力計的注意事項，在研究或表達過程中，教師適時引導學生將三年級所學的“溫度計讀數時視線要與液面平視”這一知識點建立聯系，通過溫度計與測力計的類比，兩種讀數方法的類比完成知識遷移，這樣的教學設計既對創新思維中的類比思維進行了有效的訓練，同時推進了學生習得知識的螺旋發展。

（2）融通跨學科思維，加強創新思維橫向發展

創新思維倡導豐富的橫向聯系思考，與STEM教育理念中的跨領域思維的理念方向一致。在教學中教師有意識地將跨學科、跨領域的學習方法進行創造性的融通，有利于學生創新思維的橫向發展，幫助學生拓展出更為廣闊的思維空間，加強他們橫向聯系能力的培養。

如《杠桿》一課中，教師大多運用講授的方法，根據杠桿的模型或圖示向學生一一介紹杠桿的三點（支撐點、用力點、阻力點）。基于跨學科思維，運用橫向聯系法可做以下設計：①出示一根木棒；②利用身邊的材料將木棒搭建為杠桿結構，告訴學生現在的木棒變成了杠桿，并要求學生嘗試著找出“變化”的關鍵因素；③教師引導學生將“解數學應用題時抓關鍵詞、句”的思路平移到找出杠桿的關鍵點，以區分普通木棒和形成杠桿結構的木棒之間的區別；④要求學生根據三個點各自不同的功能分別為它們命名；⑤教師小結。這樣的教學有利于學生認識到杠桿的本質，并能加深他們對“自然界是不斷變化的”這一思想的感悟，更重要的是這種橫向聯系開拓了學生解決問題的思路，引導他們自覺地應用跨學科學習方法去解決問題，運用跨學科思維去尋找問題的關鍵，從而促進創新思維的發展。

（3）打破跨領域知識間的壁壘，注重相關知識的創造性應用

創新思維是抽象思維與形象思維、發散思維與聚合思維、橫向思維與縱向思維、逆向思維與正向思維、潛意識思維與顯意識思維等多種思維形式的有機整合體。這是一種綜合、復雜、相互交織、互為補充的高級能力，這種思維能力的培養需要在真實的生活情境中，面對真實問題整合探究式、項目式、問題式、演繹式等多種學習方式共同完成，這種混合式的學習方式有利于具有綜合性、復雜性的創新思維的培養。這樣的學習情境創設、研究問題確定、創新目標達成，要求必須打破學科知識與學科思維的壁壘，形成跨領域的整合。教師在開發課程或進行教學設計時要善于挖掘各學科知識之間的關聯，并能創造性地將這些關聯置于真實的生活情境之中，用有趣、懸疑的問題驅動學生自主參與復雜情境中的真實學習，借此不斷提升他們的創新思維。

如“聲音”單元的音高問題是該學段的一個知識難點，大部分學生在頭腦中沒有建立起結構化的音高圖示與圖形化的振動快慢，這極大地影響到該知識的遷移與基于該知識的創新創造。音樂課中的音階有利于幫助學生解決這一學習難點，并且音階的知識中還蘊藏著數學規律。教師可突破傳統的單學科教學的做法，設計一個探究式或項目式活動，將音高中蘊藏的科學、音樂、數學等具有緊密聯系的學習資源整合起來，以“制作試管小樂器”為題，驅動學生在真實的學習情境中，通過合作探究獲取科學知識，經歷假設論證建立學科聯系，在此基礎上完成創造性的設計，最終將試管改造成能吹奏的音階樂器并能進行樂曲表演。在這樣的學習過程中，知識的難點在學生的經歷體驗中不攻自破；課程中要求的知識與能力目標呈雙螺旋發展；最重要的是學生自主地建立起了跨領域知識間的聯系，并創新出了屬于自己的物化成果，這對他們的創新興趣和創新自信將起到積極的作用。

在科學課堂教學中融合STEM教育理念，能增加更多的創新思維培養機會，多視角的觀察，跨領域的思考，有利于突破學生思維的定式，促進散點狀的創新思維能力集合為結構化的創新思維框架。在小學科學教學中培養學生的創新思維還有很多值得研究的內容，如靈活應用思維工具、引導學生建立關鍵性聯系等。教師應以創新為導向，不斷加強理論學習和實踐應用，為培養面對未來的新時代少年兒童，盡科學教師應盡責任。

（本文系2019年度四川省教育科研課題名師名校長專項重點課題：“西部少數民族地區農村小學科學特色校本課程資源建設研究”，川教函[2019]514號；四川省高水平研究團隊“四川基礎教育學科教學改革研究團隊”，川社聯發[2017]43號文件；綿陽市社會科學研究規劃“校地共建專項”課題：“三方協同開展民族地區小學科學創新型教師培養研究”編號：MY？ SY2020YB14的研究成果。）