創新思維發展工具在STEM教育中的應用

董黎明，張清利，艾海明，吳慧群

(1．北京開放大學 科學技術學院；2．北京交通大學附屬中學第二分校，北京 100081)

0 引言

隨著我國教育改革不斷深入，創新人才培養受到教育研究與實踐者的關注，創新思維發展是創新人才培養的核心[1]。STEM教育是基于科學探究、技術制作、工程設計、數學方法的有機統一，通過跨學科知識整合解決問題，培養學習者創新思維，最終實現創新人才培養的創新教育。由于STEM教育具有跨學科整合性、真實情境性和工程設計性等特性，克服了思維過程中的思維定勢和功能固化，通過發展學生的組合想象能力、工程設計能力和聯想意識等，有效地促進了學習者創新思維的變通性、流暢性和獨創性發展。雖然STEM教育本質上對于培養學習者創新思維具有獨特優勢，但是我國教育領域通過STEM教育發展學習者創新思維處在理論探索階段，STEM教育中學習者的創新思維發展水平未達到應有的效果，造成這種結果的原因中，學習者缺乏有效的創新思維工具是其重要的一個原因，STEM教育中往往更多讓學習者自由創造，未給學習者提供促進創造的有效工具，導致學習者在創造過程中停留在無序的發散思考上，未能實現創新思維的有效發展。因此，本文從創新思維工具的使用角度研究STEM教育中如何促進學習者創新思維發展，以期為相關研究提供參考。

1 STEM教育與創新思維發展的關系

1.1 STEM教育是創新思維發展的有效途徑

STEM由英文單詞科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering) 和數學(Mathematics)的首字母縮寫組成，它重視提升學習者真實問題解決能力、強調學習者跨學科整合能力和發展學習者創新思維能力[2]。首先，STEM教育通過整合科學、技術、工程、數學學科知識，跨學科解決問題的過程提高學習者思維的發散性、克服思維定勢和功能固著、促進知識的有效遷移和應用，發展學習者創新思維；其次， STEM教育強調師生合作探究式學習、工程設計的“做中學”、技術增強式教育等教學方式，有助于激發學習者思維的靈活性、發散性和批判意識，促進創新思維發展；最后，STEM教育項目式學習，以解決真實問題為起點，通過工程設計進行過程迭代與團隊互動，使學習者在整合各學科經驗的基礎上進行思考，在團隊互動中進行頭腦風暴，促進學習者創新思維發展。

1.2 創新思維發展是STEM教育的核心目標

STEM教育目標是培養新時代需要的創新人才，創新人才包含創新精神、創新思維和創新能力三方面核心要素，創新精神是創新的動力和品質[3]，創新思維是創新人才的核心[4]，是對個人和社會產生有價值新思想或新觀念的心理加工過程，創新能力是創新精神與創新思維的外在行為表現[5]，創新精神和創新能力必須以創新思維作為基礎，離開新思維，創新品質將成為空談。因此，創新思維是創新品質與創新能力的前提條件和基礎[6]。STEM教育的核心目標是學習者創新思維的發展。

2 創新思維發展工具

在中小學STEM教育中，學習者創新思維發展水平不理想，一個重要原因是教育者未給學習者提供促進學習者創新思維發展的成熟工具，而只是給學習者提出要完成的任務，即只下達任務，未提供必要的支持工具[7]。通過STEM教育實踐進行總結，成熟的創新思維發展工具主要包括基于提出問題的創新思維發展工具和基于解決問題的創新思維發展主要工具兩大類，具體內容如圖1[8]所示。

圖1 創新思維發展主要工具

2.1 基于提出問題的創新思維發展工具

本類工具以提出問題為中心，圍繞著提出問題，引導學習者提出獨特和有價值的觀點或想法，發展學習者的創新思維。主要包括抽象階梯工具、六何工具、奧斯本檢核表、和田創新表四類。

(1)抽象階梯工具。針對具體事件、物體或問題情境，通過提出“為什么？還為什么？ ”和“怎么辦？還怎么辦？”，一直往下追問，得到對于事物、物體或問題情境的陳述，提出問題，促進創思維發展。

(2)六何法。對選定的事件、對象或操作，分別從為什么(Why)、做什么(What)、何人(Who)、何時(When)、何地(Where)、怎么辦(How)6個方面來考察其合理性，通過對此提問, 發展創新思維能力。

(3)奧斯本檢核表。奧斯本檢核表從能否他用、能否借用、能否改變、能否擴大、能否縮小、能否替代、能否調整、能否顛倒、能否組合9個方面列出75個問題。把要改進的方案或產品確定后，根據奧斯本檢核表中的問題，逐條核對并進行針對性地討論，產生大量的新觀點，最后對新觀點進行篩查，確定最有價值的新觀點，通過這個過程促進學習者創新思維發展[7]。

(4)和田創新表。在奧斯本檢核表的基礎上，以動詞為中心引導逐一進行加工，促進學習者創新思維發展[8]。

2.2 基于解決問題的創新思維發展工具

本類工具以解決問題為中心，圍繞解決問題提出獨特的、有價值的觀點或想法，發展學習者的創新思維[10]，主要包括列舉工具、頭腦風暴、控制聯想工具、類比工具、形態矩陣工具、思維可視化工具六類。

(1)列舉工具。列舉工具主要是為了解決具體的問題，針對事物的特征、屬性等，從邏輯上對其進行分解并羅列出來，并針對所列出的項目逐一提出改進的方法，最終形成解決問題的方案，發展學習者的創新思維。

(2)頭腦風暴。又稱智力激勵法，以明確問題為基礎，以集體(5～10人)自由聯想為核心, 強調延遲判斷、自由馳騁、以量求質和綜合改善的原則。一般包括準備、熱身活動、明確問題、自由暢談和篩選5個階段。

(3)控制聯想工具。以解決特定問題為出發點，與頭腦風暴相反，要求參與者按照既定的方向和目標進行聯想，包括強制關聯和焦點聯想2種具體工具。

(4)類比工具。通過對2個對象之間某些相同或相似點進行比較與分析，從而推出這2個對象在其它方面可能相同或相似的方法，包括仿生工具與綜攝工具兩種具體工具。

(5)形態矩陣工具。將事物全部的要素及實現各要素可能的形態列出來，列出的要素和形態重新組合，形成新穎的方案。

(6)思維可視化工具。將思維和視覺有機結合，以圖畫的形式促進思維，達到創造的目的，實現創新思維發展。思維可視化工具有曼陀羅工具、思維導圖、魚骨圖、概念圖和流程圖5種[8]。

3 形態矩陣工具在STEM教育中應用

在STEM教育中發展學習者創新思維，需要根據不同的任務選擇不同的創新思維工具，本文以形態矩陣工具為例，論述創新思維工具在STEM教育中的具體應用過程。形態矩陣工具強調把看似不相關的多個事物或要素有機地組合,產生創造性的想法或產品。形態矩陣工具具體操作過程與STEM教育對應的內容如表1所示。

表1 形態矩陣工具應用過程

4 應用實例

為了更好地描述在STEM教育中如何運用形態矩陣工具促進學習者創新思維的發展，本文以“自行車改進”為例，論述形態矩陣工具在STEM教育中的具體應用。

4.1 明確問題

從1790年法國伯爵西夫拉克發明了世界第一輛自行車，自行車已經歷了230余年。其中，自行車經歷了多輪改進，如表2所示。

表2 自行車發展歷程

20世紀80年代，自行車已成為中國人最重要、最青睞的代步工具，中國也曾被稱作“自行車王國”。除去老人孩子，幾乎已是“一人一車”，隨著“小黃”“小藍”“小橙”和“小紅”等共享自行車走俏各大城市，自行車依然是中國人出行最重要的一種工具。然而，隨著人們對出行的要求不斷提高，自行車作為基本的出行工具，其不足之處也越來越受到人們的關注，如座位舒適性差(缺少腰靠、過窄等)，車把操控性差，載重能力低等，如何使自行車更好地適合現代社會發展需求，為人們出行提供更舒適的體驗，這為本文探討的問題確定提供了方向。

4.2 要素分析

自行車基本結構包括車體部分、導向系統、驅動傳動系統、制動系統和其它組件。車體部分包括車架、車座等，是自行車的主體，承受人和貨物的重量；導向系統包括車把、前軸、前輪等部件，可以改變行駛方向并保持車身平衡；驅動傳動系統包括腳蹬、鏈條、后輪等部件，驅動自行車不斷前進；制動系統由車閘、剎車片等部件組成，使行駛的自行車減速，確保安全。其它組件可根據需要裝配車燈、變速器、擋泥板等附件，更方便自行車使用。根據自行車的結構，可以把其歸類于外形、材料、動力、制動、導向和附件六要素。其中，外形與材料對應于車體部分、動力對應于驅動傳動系統、制動對應于制動系統、導向對應于導向系統、附件對應于其它組件。

4.3 形態求解

依據以上六大要素，通過列舉，如表3所示。

表3 要素形態求解

4.4 形態組合

依據各要素的形態求解結果，把所有求解結果進行組合。由于所有組合數量太多，本文列出5種組合結果進行說明，具體如表4所示。

表4 形態組合

4.5 方案評選

由于形態矩陣工具的應用目的是為了促進學習者創新思維的有效發展，因此在對方案的評選時，應聚焦于創新思維的2個根本要素，即獨創性和價值性，同時也需要考慮方案是否可行，在方案評選階段主要從獨創性、價值性、可行性3個方面進行，由5位教師分別對5個方案進行評分(百分制)，然后求均值。具體如表5所示。

表5 方案評分

4.6 繪制方案

根據教師的評價，方案2在5個方案中具有最高評價，學習者根據方案2的描述，如圖2所示。

圖2 方案2圖示

5 結語

本文以學習者創新思維發展為目標，以形態矩陣工具為例論述了創新思維工具在STEM教育中具體應用過程。兩類創新思維工具中每種工具都有其適應場景，形態矩陣工具適應于解決問題類中創造實物的場景，對于發現問題類的場景具有借鑒意義，但存在一定的差異性，因此研究需要根據不同的場景研究不同工具的相關性，以使教育者能根據不同的場景選擇正確的創新思維發展工具。任何一種模型或工具在使用過程中都是一個迭代的過程[10]，創新思維發展工具在STEM教育中應用也需要不斷迭代和完善，需要形態矩陣工具在STEM教育應用過程中不斷改進，才能更好地促進學習者創新思維發展。