基于IFR思維方法發展學生創新思維的教學實踐

摘 要： 發展創新意識的關鍵是創新思維的形成與發展以及掌握思維創新的方法。以“化學電源”教學為例，通過完成四個微項目活動，運用IFR思維方法，分析化學電源史上的重要技術創新，幫助學生認識化學電源的創立與變遷，培養與發展學生的創新思維能力。

關鍵詞： 高中化學； 創新思維； IFR思維方法； 思維訓練； 化學電源

文章編號： 10056629（2024）08004906

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

二十大報告提出，到2035年我國將實現“高水平科技自立自強，進入創新型國家前列”的奮斗目標。創新不僅是國家高質量發展的驅動力，也是工業4.0時代背景下的個人必備技能［1，2］。《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標”）將“科學探究與創新意識”列為化學學科核心素養之一，倡導教師在教學活動中通過探究活動開展創新教育［3］。創新意識是科學實踐活動中主動性的、創造性解決問題的思維能力［4，5］。因此，開展創新教育的關鍵是將創新思維訓練融入情境化的問題解決過程，以促進創新思維的形成與發展。

創造性心理學認為，提高創新思維能力需要運用多種不同的訓練模式（如“創造性問題解決過程”“提出問題解決訓練”等），在訓練中還需要運用適當的思維方法（如“頭腦風暴法”“舉偶法”等）［6］。適當的思維方法可以激發學生的創新動力，使他們在思維訓練過程中維持較高的思考專注度，保證思考過程的高效性。IFR思維方法（Ideal Final Result）是一種啟發式創新思維方法，通過明確創新方向，利用問題鏈展開逆向分析，最終形成創新性解決方案［7］。在中學化學課堂開展創新思維訓練，可借助IFR思維方法逆向剖析經典化工技術的發明過程，有序分析與解決問題，提高學生的創新思維能力。

基于此，本研究以蘇教版高中化學必修第二冊的“化學電源”為例，以自制化學電源過程遇到的技術問題為情境，通過完成四個微項目活動，運用IFR思維方法，分析化學電源史上的重要技術創新，幫助學生認識化學電源的創立與變遷，開展創新思維訓練。

1 IFR思維方法概述

IFR思維方法是蘇聯發明家Altshuller于20世紀中期提出的TRIZ（拉丁文：Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch）理論的核心思維方法之一。由于IFR思維方法具有思考方向明確、解決問題高效等優點，被廣泛應用于高校的創新設計課程、企業的產品研發設計等。其思維過程包含描述問題、分析問題和解決問題等三個階段。以伏打電堆的改進為例，IFR思維方法的具體路徑分析見表1。

表1 IFR思維方法應用的思路分析

思維過程問題鏈解答

描述問題

（1） 最終的需求是什么？無需頻繁拆裝的化學電源。

（2） 理想解是什么？金屬電極與所接觸的電解質溶液能夠共存。

分析問題

（3） 達到理想解的障礙是什么？Zn與稀硫酸接觸必然發生反應。

（4） 出現這種障礙的結果是什么？Zn與稀硫酸不能共存。

解決問題

（5） 克服這種障礙的方案是什么？采用“分離原理”，將電池“分離”為兩個電極室，Zn與稀硫酸分處不同的電極室。

（6） 實現該方案的關鍵是什么？具有導電作用的隔膜。

1.1 描述問題應準確定義需求與理想解

描述問題先要準確定義需求與理想解。“需求”是指對創新設計方案的定性或定量要求，是人們對所設計的方案或產品的期望。而“理想解”則是指理想狀態下的問題解決方案（暫時不考慮客觀條件限制），符合“需求”的設計方案。例如，在單液鋅銅硫酸電池中，Zn與稀硫酸接觸而發生自腐蝕。電池使用完畢，需將金屬電極與電解質溶液分開，再用時又得重新組裝，非常不便。為解決這種不便，最終的“需求”是設計無需頻繁拆裝的化學電源。“理想解”是金屬電極能與電解質溶液共存（不考慮Zn能與稀硫酸反應的客觀條件限制），即可將電極與電解質溶液等材料組合成固定的電源裝置。因而準確地定義需求與理想解，為后續分析、解決問題指明思考的方向，從而提高創新設計的效率。

1.2 分析問題需抓住矛盾關系

分析問題需要抓住現實與理想解之間存在的矛盾關系。例如，現實存在的“障礙”是Zn與稀硫酸接觸必然發生反應，而“理想解”要求金屬電極能與電解質溶液共存，二者存在矛盾。因此，“出現這種障礙的結果”是Zn與稀硫酸溶液不能共存，電源裝置在使用前后需要組裝、拆卸。通過分析矛盾關系，可以找出原裝置（或方案）中需要改進的部分。因而抓住正確的矛盾關系是解決問題的基礎，而需要改進的部分則是解決矛盾的方向。

1.3 解決問題可借助發明原理

Altshuller梳理了上萬份發明專利后，總結出40條普遍適用的發明原理，用于解決矛盾關系。例如，在不改變電池總反應的前提下，“克服這種障礙”可考慮采用“分離原理”（見表2）——將單液電池“分離”為兩個電極室，Zn為負極材料，浸于ZnSO4溶液中；Cu為正極材料，浸于稀硫酸中。而“實現該方案的關鍵”是具有導電作用的隔膜，發明原理為創新設計提供借鑒，啟發改進思路，促進創新的發生。

表2 教學過程所用的部分發明原理及介紹［8］

發明原理原理介紹

分離原理（1） 將物體中的“干擾”部分分離出去；

（2） 將物體中的關鍵部分挑選出來。

同質性原理用功能相似的物質替代。

拋棄與再生原理（1） 當一個物體完成了其功能或變得無用時，拋棄或修改該物體中的一個元件；

（2） 立即修復一個物體所損耗的部分。

2 基于IFR思維方法的教學設計

2.1 教材分析

高中化學必修課程中的“化學電源”，與“原電池反應的原理”共同構成“化學能轉化為電能”的教學主題。學習“化學電源”，可以在應用層面加強對原電池反應原理的理解，從技術角度了解原電池各構成要素的作用與變式，認識“化學能轉化為電能”的價值。

針對“化學電源”的教學，新課標建議使用“伏打電池的發現、干電池的改進、燃料電池的應用”等化學電源歷史沿革與發展的情境素材，開展“用生活中的材料制作簡易電池”等內容的教學活動，達到“能舉例說明化學電源提高生活質量”的學業要求［9］。蘇教版必修第二冊的“化學電源”，通過鋅錳干電池、銀鋅紐扣電池、鉛蓄電池、鎳氫電池、氫氧燃料電池等化學電源，闡釋化學電源的定義及特點，簡要介紹化學電源的分類與工作原理的差別［10］。

因此，本節課教學應結合教材內容探索簡易電池的制作或方案設計，運用IFR思維方法分析簡易電池的制作與改進，開展創新思維訓練。

2.2 學情分析

在本節課前，學生已經學過單液銅鋅原電池的工作原理，但從“原電池的工作原理模型”到“實際應用的化學電源”，學生的認知還存在較大跨度。他們需要理解“為何需要多種多樣的化學電源”及“新型化學電源如何誕生”等問題，才能深刻體會化學電源對人類生產生活的重要作用。

高一學生正處于抽象邏輯思維發展的重要階段［11］。在課堂教學中，針對性地開展思維訓練，將有助于他們體驗運用對比、分析、演繹、推理等思維活動，跳出舊框架，提出新穎獨特的思考與見解。在學習“化學電源”時，學生可通過微項目的方式體驗科學家解決實際問題的過程，運用IFR思維方法構建創新思維模型，發展創新思維能力。

2.3 教學目標

（1） 通過實驗探究單液銅鋅原電池，認識化學電源的概念及特點，評價其缺陷，提出改進方案。

（2） 通過自制“不用反復拆裝”“攜帶方便”的化學電池，設計“反復使用”的化學電池等微項目活動，探究原電池各構成要素對化學電源性能的影響，知道化學電源的分類，認識一次電池、二次電池和燃料電池的特點及其在生產生活中的應用。

（3） 通過IFR思維方法的應用實踐，有序思考技術發明問題，構建技術創新的問題解決模型，發展創新思維能力。

2.4 評價設計

為了解學生創新意識素養的發展情況，設計創新思維行為表現水平評價表（見表3）。在教學活動后進行組內互評，以考察學生創新思維的表現與發展。

2.5 教學流程

基于上述分析與目標設定，教學流程設計見圖1。

3 教學過程

3.1 環節一：伏打電堆的誕生

［驅動性任務］討論伏特（即伏打）從眾多金屬材料中選中Cu和Zn作為電極材料的原因。

［師生活動］學生猜想可能是Cu與Zn的金屬活潑性相差較大，故伏特選擇它們作為電極材料。通過分組實驗對猜想進行驗證，從Cu、 Fe、 Zn、 Mg等電極中，任意選擇2種電極與稀硫酸組裝成電池，嘗試點亮額定電壓為1.5V的小燈泡。實驗結果顯示，負極金屬越活潑，電池的電壓越大，見表4。但負極所用金屬材料確定時，電池電壓的大小與正極材料的金屬活潑性關系不大。因此，伏特選擇Zn作為負極材料（Mg發現于1808年，而伏打電堆發明于1800年），Cu是電的良導體而作為正極材料。

設計意圖：通過驅動性任務，讓學生意識到原電池的性能指標需符合實際需求，適用于生產生活，才有制成化學電源的價值。負極材料（反應物）的還原性，是影響化學電源性能的重要因素之一。在探究活動中，遇到方向明確、變量較少的創新活動時，試錯法仍是一個很好用的創新思維方法。

3.2 環節二：從伏打電堆到丹尼爾電池

［驅動性任務］結合實驗，找出簡易銅鋅原電池的不足并改進。

［師生活動］經過合作、討論，學生能列舉簡易銅鋅原電池的不足之處，如“鋅的表面有氣泡生成，有損耗，能量轉化率低”“需頻繁拆裝電池，用時組裝；用完需馬上拆除，并及時清洗、干燥電極”等。但如何針對不足進行改進，學生毫無頭緒。教師結合改進需求，示范用IFR思維方法分析提出解決方案，介紹IFR思維方法。

［演示實驗］通過實驗驗證改進的方案。用三層濾紙隔開H型電解槽的兩個電極室，按方案組裝儀器，并在正極室加入石蕊顯色，見圖2。

［實驗現象］左室溶液呈紅色，右室溶液為無色；閉合回路，Cu片表面有氣泡生成，Zn片表面無氣泡，紅色溶液未進入右室；2min內，電壓和電流基本上恒定在0.931V和0.032A。

設計意圖：通過驅動性任務，讓學生意識到化學電源是能夠較長時間穩定、持續地將化學能轉變成電能的裝置。性能良好的導電性隔膜，如離子交換膜、質子交換膜等，是化學電源的重要組成之一。在探究活動中，學生進行創新思維訓練，體驗IFR思維方法。

3.3 環節三：從濕電池到干電池

［驅動性任務］分析自制銅鋅雙液電池的缺點，思考如何改進。

［師生活動］經過合作、討論，學生列舉自制銅鋅雙液電池的優缺點。優點是一定時間內，避免電極反應物的損耗，電壓和電流較穩定。缺點是長時間使用，H+仍將穿透濾紙，與Zn接觸，若改用高性能離子交換膜可以得到改善，但不便攜帶，需進一步改進。學生運用IFR思維方法進行分析，發現攜帶方便的化學電源需要封閉的體系，自制銅鋅雙液電池會產生氫氣從而無法封閉，因此需要更換氧化劑，使電池反應不產生氣體，見表5。進一步討論后，學生從NaClO、 FeCl3、 MnO2等氧化劑中，選擇MnO2作正極反應物，并以NH4Cl為電解質代替稀硫酸。

［演示實驗］通過實驗驗證該設計方案。在潔凈的玻璃片上，依次疊放Zn片、浸有氯化銨溶液的濾紙和石墨片，在石墨片與濾紙之間加入少量MnO2粉末，并組裝好電路，見圖3。

［實驗現象］成功自制簡易鋅錳干電池，電壓為1.523V，過程無氣體生成。

［師生活動］自制簡易鋅錳干電池，與1860年法國科學家勒克朗謝發明的第一款便攜式電池的工作原理相似。進一步討論，若將電解質溶液改為糊狀（半固體狀），即可得到干電池（1887年英國科學家赫勒森發明）。若使用KOH等堿性電解質，并將MnO2改成Ag2O，就是市售銀鋅電池。

設計意圖：通過驅動性任務，讓學生意識到便攜式化學電源是一種封閉式的電源裝置。其中，用完后不能充電再次使用的電池，稱為一次電池。由于MnO2氧化性比稀硫酸強，所得電壓更大，說明正極反應物的氧化性也會影響化學電源的性能。在探究活動中，學生嘗試練習運用IFR思維方法，分析思考改進方案，建立技術創新的問題解決模型，其探究過程與科學家的研究方法不謀而合，大大激發學生的創新欲望。

3.4 環節四：從一次電池到二次電池、燃料電池

［驅動性任務］一次電池常用于遙控器、石英鐘等耗電量極小的場景，耗電完畢，可更換電池。但是，電動汽車、智能手機等耗電量比較大的應用場景，若是使用一次電池則需要頻繁更換電池，不僅給生活帶來不便，也會造成資源浪費，甚至污染環境。使用IFR思維方法，分析可反復使用的化學電源。

［師生活動］師生、生生合作、討論，設計化學電源策略，小組匯報結果見表6。

大部分學生想到的是第1類策略：向電源內直接補充電極反應物。第2類策略是通過充電讓電池內發生電解反應，使電極反應生成物恢復到放電前的狀態。

設計意圖：通過驅動性任務，讓學生意識到可反復使用的化學電源包括二次電池和燃料電池。策略1與英國科學家威廉·格羅夫于1839年發明的燃料電池（利用氫氣等可燃物與氧氣或空氣的氧化還原反應設計成化學電源）契合，只要向燃料電池里補充燃料氣體，電池就可以持續工作，可應于空間飛行、新能源汽車等。策略2與法國物理學家普蘭特于1859年發明的世界上第一款蓄電池——鉛蓄電池原理契合。在探究活動中，學生自主合作運用IFR思維方法練習設計化學電源策略，發展創新思維能力。

4 教學效果與反思

思維方法是科學活動方法的核心，也是推動科學創新的關鍵所在［12］。本研究利用“化學電源技術發展史”創設情境，開展自制化學電源的項目活動，通過改進自制電源的技術問題驅動思考。學生在教師引導下，運用IFR思維方法討論思考問題，分析矛盾沖突，形成解決方案，從而認識化學電源的構成要素與作用，理解種類多樣的化學電源對提高生活質量的重要意義。在化學化工技術等教材內容的教學過程中，開展創新思維訓練，不僅能理解科學家解決問題的精妙之處，還能學習創新思維方法，促進創新思維能力的發展，取得了一定的教學效果。

4.1 思維訓練促進經驗思維向理論思維轉變

高中時期是學生的思維由經驗思維向理論思維轉變的重要階段，思維訓練可以促進創新思維能力的快速發展［13］。改進自制化學電源的缺陷時，學生通過對比、分析、演繹、推理等思維活動，運用所學的原理知識逐步解決問題，實現“知識→知識結構→認知結構”的轉化。研究在四個平行班（學生數192人）開展教學實踐與創新思維行為表現水平評價，并在課后對部分學生進行訪談。結果發現，經過引導與訓練，學生創新思維能力得到提高。例如，設計“自制攜帶方便的化學電源”時，由于受到便攜電池普遍體積較小的生活經驗影響，在思考如何滿足“需求”時未能深入問題本質，72.9%的學生無法準確描述“理想解是什么”，認為“理想解”與“最終的需求”是一樣的，即“方便攜帶”。但在設計“可反復使用的化學電源”時，經過思維訓練與方法指導，80.7%的學生表現有提高（創新思維行為表現水平呈現B→A或C→B），能準確或比較準確地描述、分析問題，跳出思維定勢，提出向電源內直接補充電極反應物等方式使化學電源得以反復使用。

4.2 基于IFR思維方法促進形成問題解決思路

IFR思維方法幫助學生將專注力集中于需求與現實的矛盾關系，借助發明原理啟發思考、積極討論，嘗試提出創新性的解決方案。例如，在“設計可反復使用的化學電源”時，有學生提出“將電池設計成可更換電極的形式，當電極反應物耗盡時，更換電極即可”。這一想法雖然在實際操作中可能存在一定難度，但體現了學生主動思考、嘗試創新的精神火花。再如，訪談問及“是否還能進一步改進某種化學電源”時，驚喜地發現有學生能主動提出延長電池保質期的方案——將電解質溶液從電池中剝離出來，使用時再將電解質溶液注入電池中。學生借助IFR思維方法形成清晰的問題解決思路，創新性地提出類似水激活電池、熱激活電池的電源設計策略，不僅解決電池自腐蝕的實際問題，同時也增強了他們的學習興趣與動力，為他們未來的科學研究和技術創新打下基礎。

參考文獻：

［1］辜勝阻， 吳華君， 吳沁沁等. 創新驅動與核心技術突破是高質量發展的基石［J］. 中國軟科學， 2018，（10）： 9～18.

［2］王永固， 許家奇， 丁繼紅. 教育4. 0全球框架： 未來學校教育與模式轉變——世界經濟論壇《未來學校： 為第四次工業革命定義新的教育模式》之報告解讀［J］. 遠程教育雜志， 2020， 38（3）： 3～14.

［3］［9］中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 4， 18～21.

［4］薛俊梅， 吳俊明. 我國新發展階段的化學教育應加強創新素質培養［J］. 化學教學， 2021，（11）： 3～6， 12.

［5］王存寬， 張羽， 李平等. 化學創新意識的評價設計［J］. 中國考試， 2020，（12）： 44～51.

［6］［11］林崇德. 創造性心理學［M］. 北京： 北京師范大學出版社， 2018： 534～551.

［7］［8］蒯蘇蘇， 馬履中. 創新工程與創新型人才培養系列叢書TRIZ理論機械創新設計工程訓練教程［M］. 北京： 北京大學出版社， 2011： 107～156， 201～216.

［10］王祖浩， 王云生主編. 普通高中教科書·化學·必修第二冊［M］. 南京： 江蘇鳳凰教育出版社， 2020： 21～24.

［12］薛俊梅， 吳俊明. 化學創新思維的養育訓練與體制保證［J］. 化學教學， 2022，（3）： 3～7.

［13］胡衛平， 林崇德. 青少年的科學思維能力研究［J］. 教育研究， 2003， 24（12）： 19～23.