本期文章选自2019年举办的第27届全国青少年科技辅导员论文征集活动中的一等奖获奖论文。本届论文征集活动主题为“科技教育与青少年创新思维培养”。

摘要：创新思维是指以新颖独创的方法解决问题的思维过程。中学阶段是青少年思维品质发展的重要时期，学校的科技教育对于学生思维发展至关重要。本文基于笔者自身在科技教育领域的实践，以案例形式分析了通过科技教育促进青少年创新思维培养的相关策略，以期为校内青少年创新素养的培养提供依据。

关键词：创新思维 科技教育 发散思维 类比思维 逆向思维

一、科技教育与青少年创新思维培养

科技教育包括校内科学、技术、数学等学科课程和校内外跨学科的科技课程和活动。科技教育中的“科技”，包括自然科学、技术、工程学、数学、社会学等。科技教育的目标是激励青少年树立科学梦想创新思维、创造能力和社会责任感，其中创新思维直接参与并决定创新实践水平的高低。在科技教育过程中，运用创新思维能够更好地完成创新实践活动;反过来，创新实践活动的体验也进一步促进了学生思维的形成。

创新思维是指以新颖独创的方法解决问题的思维过程，通过这种思维能突破常规思维的界限，以超常规甚至反常规的方法、视角思考问题，提出与众不同的解决方案，从而产生新颖的、独到的、有社会意义的思维成果。对于创新思维所包含的因素，历来有不同的理解。克罗普里等研究专家认为创新思维是由发散思维和聚合思维两种有机结合而构成的。朱一清等学者将创新思维分为形象思维、抽象思维、发散性思维和批判性思维。北京师范大学林崇德教授（1999）则提出，创造性人才在创造性思维的形式上是发散思维与聚合思维的统一;在思维意识的清晰性上，创造性是分析思维与直觉思维的统一。共同的是，学者们大都认为儿童的思维发展是稳定而渐进的，不同阶段学生体现出来的创新思维品质是不同的。中学阶段是青少年思维品质发展的重要时期，学校的科技教育对于学生思维发展至关重要。基于笔者自身在科技教育实践中与青少年创新思维培养相关的研究，下文以案例形式分析了科学教育促进青少年创新思维培养的相关策略，以期为校内青少年创新素养的培养提供依据。

二、科技教育促进青少年创新思维培养案例

1.运用发散思维与聚合思维解决实际问题

簡单来说，发散思维（ divergent thinking）指的是能够对问题探索出许多可能的解决方案，而聚合思维（convergent thinking）则是能够将知识、逻辑、概率和其他决策策略考虑在内进行评估，发现最佳解决问题的方案。在教学过程中，我们常使用“一题多解”

“一事多写”“一物多用”等方式，培养发散思维。在发散思维的基础上找到最佳的解决方案，则是聚合思维。在实际思维活动中，二者互为前提，相互促进，相互转化。

案例1：解斜三角形的应用（高二，常规数学学科教学）

常规教学方法中，常通过练习应用题学会解斜三角形的应用。改进教学方法：通过用1张A4纸作为唯一的测量工具测量建筑的高度。让学生拿着A4纸走到户外，在真实情境中调用自己所学的任何知识进行数学建模和求解。通过小组合作和探讨的方式比较各种方法的优劣，并进行小组汇报和评价，比一比谁的做法更有创意（聚合思维）。通过改进的活动给学生一个来自现实的挑战，真实情境的问题会充分调动学生的发散思维，激发学生的兴趣和动力，综合运用知识思考问题，解决问题。4人为1个小组团队合作，进行思维的碰撞，实践与创新并重，寓教于乐，在数学建模的过程中体会数学的应用性和创造性。

案例2：水体中菌落总数测定探究（高二，研究性学习）

在研究性学习时，教师应当多设置情境，鼓励学生利用多种方法解决实际生活中的问题，促进其发散思维的培养。这个过程可以由学生思考后提出解决方案，也可以进一步在检索资料后提出解决方案。更重要的是在讨论的过程中，教师应当引导学生进行方案的改进和创新，寻找出最佳方案。以下就以自身指导的一个STEM课题研究为例加以分析。

（1）教师设置情境：水的质量与安全向来是人们关心的重要问题，当今社会水质引起的事件越来越多。那么有哪些方法可以测定水体中菌落总数呢？同时分析各种方法的优缺点。

（2）学生文献检索后提出多种可能性方案（发散思维）：微生物培养计数法、显微镜观察计数法、检测细菌代谢产物、物理阻抗法测量等方式。其中阻抗法指的是对水体中的细菌进行一定时间的培养，使细菌数量增殖，随后利用阻抗法检测溶液中电容值的变化，再计算检测起始时刻到发生明显变化所需时长，根据菌落生长规律计算式，可反向推出细菌总数初始值。在检索的基础上，学生了解到各种方法大多都需要微生物培养，操作复杂、测量时间长（一般至少需要2～3天时间）。

（3）学生讨论后提出改进方案（聚合思维）：饮用水中菌落总数很少，直接使用以上方法很难检测，培养时间长、成本高。是否可以将水体过滤使细菌富集在滤膜上，利用阻抗测量设备测量滤膜的电容值。在方案基础上，设计过滤浓缩装置与阻抗测量设备连接。实验证实，新原理和方法具备可行性，可在30分钟内实现3～5升待测液的超快速检测。

此项研究结果获得了第30届上海市青少年科技创新大赛一等奖，并申请国家发明专利1项。

2.使用类比思维实现创新

类比思维（analogical thinking）是根据两个具有相同或相似特征的事物间的对比，从某一事物的某些已知特征推测另一事物的相应特征存在的思维活动。

所谓的“类比”可以是类比相似的研究手段、设计思路或者是研究对象。比如在STEM教育实践过程中，曾经提及“学生好奇市面上为什么只有绿豆芽却没有赤豆芽”从而做了一个相关的课题研究。通过鼓励类比相似的设计思路，一些学生马上提出“为什么日常生活中，只有酸牛奶却没有酸豆奶？”通过实验，学生成功地从酸奶中分离获得了不同的乳酸菌，并且制得了酸豆奶，并且对酸豆奶口感的提升进行了研究。此项课题获得了第30届上海市青少年科技创新大赛二等奖。使用同样的方法、相似的研究对象，研究不同的对象，解决不同的问题，很多时候也能够实现创新。

案例3：寻找日常生活中的抑菌物质（高二，研究性学习）

教師介绍研究案例和研究方法，学生发现芥末能够抑菌，而芥末来自十字花科植物。类比后学生选择了5种十字花科不同属的植物种子（相关假设：同属的植物可能具有相同或相似的抑菌物质，从而具有相同的功能），利用抑菌圈实验发现其均有抑菌防霉效果。在此基础上，鼓励学生通过类比相似的研究思路和手段，寻找日常生活中的抑菌物质，进行课题研究。表l是学生基于抑菌圈法完成的课题研究和获奖情况。

利用已有的成果案例，引导青少年通过想象和类比等创新思维形式实现自己脑海中的“创意”，并将创意落实为创新成果。使学生体会到类比的重要性，并在反复训练的过程中，能够常用类比的思维模式解决问题。

3.巧用逆向思维（conversethinking）打破思维定势

逆向思维，也称求异思维，它是对司空见惯的似乎已成定论的事物或观点反过来思考的一种思维方式。教师应当在科学教育过程中，一定程度上引导学生打破思维定势，寻找别的切入点思考问题。

案例4：关于细菌的逆向思维案例（高二，研究性学习）

在前文中介绍了许多学生利用类比思维完成的抑菌案例，在此基础上，教师还可以鼓励学生利用逆向思维，明白创新不仅是“抑菌”，其实细菌也可以造福人类，让学生通过资料检索尝试利用细菌解决日常生活中的问题。

学生发现一些细菌会污染水体，但是一些细菌却能够起到净水作用。于是通过课题研究筛选具有净水能力的细菌，通过检测水体中的氨氮、亚硝酸盐氮、磷酸盐、溶解氧及铜、总铁、六价铬的含量研究所选细菌对水质的改善效果。并将其制作成净水球达到净水的效果。

此项课题获得了第34届上海市青少年科技创新大赛一等奖。

4.借助思维工具提升思维品质

思维工具是指那些能有效影响思维抽象活动、提高思维效能、延伸思维深度，能把抽象思维过程具体可视化的一类方法技能总称。思维导图就是常用的思维工具之一。在国外，思维工具在科学教育中应用非常广泛。借鉴国外考察经验，以下通过案例具体介绍思维工具在科学研究中的应用。

案例5：关系圈工具（connection circle）——寻找解决问题的关键点

通过关系圈能够帮助学生找到解决问题的关键词，并试图找到不同关键词之间的联系，同时可以寻找出解决问题的最关键因素（连线最密集的点）。教师首先提出问题：以“环境”“工程”和“能源”3个关键词中的2个为主题提出1个问题。学生从日常生活中观察到的现象入手，提出“夏天户外如何实现节能降温”的问题。通过关系圈工具（如图1）可以发现：经济成本、市场需求、开发新设备、节能新技术和使用清洁能源都与问题的解决有关，而其中如何使用清洁能源、开发新的设备或许是解决问题的关键。然后教师引导学生利用发散性思维通过小组讨论提出各种解决方案，比如改造户外遮阳伞;设计隔热装置，户外放置冰块，实现防暑降温;设计小型人造喷雾降温系统;电驱动半导体制冷片（新技术）降温;光伏驱动户外电扇实现降温等。讨论后提出创新点：在已有的户外伞上安装太阳能电池板驱动半导体制冷片实现太阳能空调伞的制作。图2为制作的太阳能空调伞成品，此项课题申请了发明专利。

三、结语

青少年创新思维的培养是科技教育的重要方面。指导教师应当首先明确创新思维所包含的各个要素，在科技教育中，教师通过设置情境、问题和任务能够很好地帮助学生形成创新思维。同时教师应当借助案例和思维工具引导学生将其进一步应用在常规学科教学和研究性学习中，提高创新实践能力。

作者简介

冯碧薇，上海市建平中学，科技辅导员，电子信箱：bw_feng@126.com。

点评

创新是推动国家发展和人类社会进步的动力，学生的创新思维培养是科技教育的重要目标之一，也是科技教育领域研究的热点话题。本文作者聚焦科技教育实践中的创新思维培养，首先探讨了创新思维的内涵，其次结合相关案例，提出了在科技教育中培养学生发散思维与聚合思维、类比思维、逆向思维等创新思维的具体策略和方法，并结合案例介绍了思维工具在培养学生创新思维中的应用。案例代表性强，深入浅出，对当前我国青少年的创新思维培养及科技教育实践具有一定的借鉴意义和参考价值。

如果作者能够对创新思维的本质特征及青少年创新思维的特点和表现有更深入的理解，并基于创新思维的核心特征，在引用相关案例进行介绍的基础上，进一步凸显青少年创新思维在培养过程中的体现，剖析与其培养策略之间的关系，则对科技实践工作者的借鉴价值更为突出。

——高潇怡（中国青少年科技辅导员协会常务理事，北京师范大学教育学部课程与教学研究院副院长，教授，博士生导师。第27届全国青少年科技辅导员论文征集活动评审委员会主任委员）