科学教育与青少年创新思维培养实践研究

摘要：科学教育是培养青少年创新思维的主要途径，除了学科教学与实验，还需要教师掌握马克思主义唯物辩证法与世界观，正确引导科学教育与青少年创新思维培养的方向。要培养青少年的创新思维，必须搞好各门具体学科的科学教育，其中，数学、科学实验和技术设计，在各门学科教育实践活动中的作用更加明显。作为科学教师或科技辅导员，怎样进行科学教育，如何在科技教育实践活动中对学生进行创新思维培养，参与创造、发现与发明活动，是笔者在本文中将要回答的问题。

关键词：科学教育 创新思维 观念转变 科技创新 串联拓展法

一、前言

20世纪80年代，笔者参加了县、市、省3级数学思维能力研究，阅读了相关著作，积累了一些实践经验。至今近40年，笔者经历了科学教育与创新思维在思想、理论、观念和方法等方面的转变，在逻辑思维、创新思维和动手思维3个方向上进行了激烈争论和充分实践，特别是应用演绎法和平面几何证明开展逻辑思维培养，应用合情推理和归纳法开展创新思维培养，合理安排实践活动，引导青少年加强动手动脑，使青少年不断接受科学教育熏陶，进行创造发明，论证科学教育与青少年创新思维培养的实践效果，实现科学教育方法创新，形成了串联拓展教学法。

近40年的学习、工作经历，造就了笔者对科学态度和知识储备观念的认知，并促成了有利于创新思维培养的3次转变。

（1）没有增长知识的思想，就没有接受创新思维的态度 在那个特殊的年代，笔者失学11年，没有初中和高中的学习经历。由于看不懂图纸，被震撼了心灵，使笔者明白了科学知识的重要性，知道了必须学习并且靠自己学习。

（2）没有追求真才实学的愿望，就没有接受科学教育持续提升创新思维的动力 恢复高考，笔者被师范学校录取，学习困难是所有困难中的最大困难，唯有勤奋学习，不断进修，才终于储备了能够从事科学教育的知识与技术。

（3）有了创新思维的品质，就有发现与发明创新的意识 恢复高考被录取的学生，普遍经历了入学后感到知识水平不足的自卑，久而久之，会形成一种得过且过的思想障碍。这种障碍，不利于培养青少年创新思维的品格，不利于科学教育的开展，更不利于创新思维培养。创新思维观念的转变，才是参加科学教育和发现与发明的巨大推力。

二、在科学教育中开展逻辑思维培养的实践探索

1. 应用平面几何的创新思维实践

这个方法显示了逻辑思維在解决平面几何问题中的重要作用，也成为串联拓展教学法形成的开端。在这种情况下，应用创新思维解决问题的尝试，使笔者在创新思维的发展方向上迈出了第一步。经过总结，形成了加倍拓展替换法：①建立角的等式；②乘以2；③用等量替换右边的角；④除以2，得证。应用加倍拓展替换法，针对初一至高三不同年级学生进行几何证明和逻辑思维培养入门训练，效果很好。

2. 面对问题合理转化得出证明的创新思维升华

鼓励学生善于面对问题，从最基本的概念出发，化难为易，合理转化，巧妙得出问题的求解与证明，促成学生创新思维不断形成、升华与积累。

把参考答案与学生答案进行比较，教师和命题者都称赞学生解答巧妙。不难看出，科学教育中培养学生的创新思维非常重要，这个问题求解，巧就巧在具有对问题进行合理转化的创新性思维。

3. 敢于争鸣支持问题正确结论的创新思维实践

抓住问题的本质，在不产生科学性错误的基础上，应该引导学生敢于同教师和同学争鸣，支持解决问题得出的正确结论，也是科学教育与创新思维培养实践过程应该形成的素养。

1992年春，达县召开物理教学研究会，碑庙中学主任提问：“冰在熔解过程中热能怎样变化？”之前，笔者回答学生提出的相同问题，做实验，查阅小学自然课本和从初中到大学的物理教材，找到理论根据，给出“冰在熔解过程中热能不变”的结论。与会全体物理教师应用内能守恒定律，一致反对笔者的意见，引起激烈争论，持续数年。1995年，四川省中考物理试题就有这个题目，答案与笔者观点相同，使对这个问题的争论升级。西南师范大学和四川大学的物理学专家会同四川省教育考试院的专家讨论，最后确定了“热能不变”的结论。有个学生当年参加考试，选择“热能增加”，丢失3分，最终差2.5分上线，深刻体会了人云亦云之苦，表示今后对问题一定要认真思辨，坚持真理。其实这个问题并不复杂，冰熔解后不叫冰，0℃的冰状态未变，热能不变；冰吸热熔解，冰水混合物的热能增加，实质是冰水混合物中水的热能增加。众多物理教师出错的根源，就是逻辑思维和创新思维受内能守恒干扰，没有区分冰与冰水的同温状态而出错。这个问题值得在创新思维培养中作为案例应用与重视。近年，学校物理教学再次出现这个问题，同样发生了教师出错的现象，表明了培养学生逻辑思维和创新思维的重要性。

4. 创建数学模型促进科学教育和创新思维培养

四色定理、3x+1猜想和哥德巴赫猜想是中小学数学教材上介绍的3个国际数学难题，笔者采取创建数学模型的思维方式开展科学研究，应用数学模型促进学校科学教育，加强对青少年创新思维的培养。

（1）发明四色地球仪模型教学，培养学生创新思维 2003年高考理科数学试题：在花台上5块区域栽4种不同颜色的花，有多少种方法？由此发明四色地图着色方法。应用着色方法，计算世界地图上各国的颜色，发明四色地图地球仪模型，参加全国青少年科技创新大赛获奖；发明四色地图玩具计算器和算盘计算器，取得专利；用来教学四色定理，在小学、初中、高中和大学分别实验，有利于培养学生的创新思维。从而把大多数教师畏避的四色定理国际数学难题，转变成人们积极思维、踊跃参与学习的科学技术普及活动。

（2）研究3x+1猜想运算结果的规律，培养学生创新思维 3x+1猜想是华东师范大学版7年级数学教材上介绍的数学问题，也是《10 000个科学难题》一书中的数学科学骨干难题：任选1个正整数，如是偶数则除以2，如是奇数则乘3加1，经过若干次变换后，最终结果为1。研究3x+1猜想运算过程，实现了创新思维培养的飞跃。根据3x+1猜想的运算结果，笔者与学生探索出描述标准运算规律的100多个数学定理，构建显示3x+1猜想的空间数学模型，参加2010年全国青少年科技创新大赛获奖，并取得发明专利。

（3）运用哥德巴赫猜想教学合情推理，培养学生创新思维 哥德巴赫猜想是西师版小学5年级数学教材和人教版高二数学教材中介绍的数学问题。哥德巴赫猜想的证明难度干扰了教学，科学教育存在的问题是人们不能读懂关于哥德巴赫猜想的概念，可以在培养创新思维过程中，引导读者观察分析数学模型演示的结果予以化解。2013年11月，笔者在《中小学数学》杂志高中版发表了《教学哥德巴赫猜想的见解》[2]一文，2017年5月，笔者在《中小学数学》杂志高中版上发表了《用陈景润猜想和哥德巴赫猜想教学合情推理的见解》[3]一文。创新定义陈景润猜想，简化创新思维途径，便于读者理解与思考，增强了哥德巴赫猜想在科学教育中的应用性，拓展了创新思维培养的范围，提升了推广应用的效果。

三、科学教育活动中创新思维的实践探索

2010年以来，笔者面向全体学生设计开展了治水、治“牛皮癣”、治塑料污染3个方面的科技教育活动，让广大青少年通过实践探索，“手动促思维，手勤心智灵，勤劳出智慧”，培养青少年创新思维。

1. 研究坡面水土流失的创新思维

观察江河洪水，研究泥沙含量与来源，张云帆、李遨宇等学生持续参与长江第四级支流明月江流域水土流失治理，在实践、试验和实验的创新思维中进行创造发明与技术设计，取得坡地蓄水保土船形横沟、荒坡截流拦砂螺旋船形横沟、双沟三墙截流拦砂护渠船形横沟等专利和技术方法，形成了军民融合的《军民共建治理坡面水土流失的船形和螺旋横沟工程》[4]，登记了2项科学技术成果，是把荒山荒坡建成坡面河流和坡底河前湿地进行水土保持的治水工程。

2. 实践治理“牛皮癣”顽疾的创新思维探索

从2018年开始，组织学生实践活动，治理城镇各社区“牛皮癣”頑疾，利用这种社会实践活动，进行技术和工具创新的创新思维培养方法探索。对城市“牛皮癣”的生成进行逆向思维，研究制造“牛皮癣”的思维方式和行为方式，对张贴与印刷进行治理创新，采取洗、刮、砂、擦、锉、盖等方式，发明和改进相应工具，由实践形成有效的方法和有用的工具，从而形成发明工具和方法的创新思维。

3. 收集塑料垃圾保护净土的创新思维探索

清除塑料垃圾，保护净土，建设绿水青山环境任重道远。国内大城市倡议开展从收集塑料吸管开始限塑的社会活动，清除分散在城乡土地中的塑料垃圾、塑料碎片、塑料吸管等，全国各地都需要青少年学生广泛参与。

笔者认为，在大巴山持续开展治水、治“牛皮癣”、治塑料污染的创新思维，可以面向全国推广，形成一种生产力，坚持开展相关科技实践活动，有利于当地绿水青山环境保护。

四、结论

笔者40年来进行科学教育与创新思维培养实践探索的经验，可以概括成串联拓展教学法，是串联复习旧知识，拓展发现新知识，完成科学教育任务的方法。串联是科学教育具有综合性思维的活动过程；拓展是不断发现形成创新思维的探索过程。串联拓展教学法的应用推广具有面向各个学科的广泛性，要搞好科学教育，促进青少年创新思维培养，培养具有创新思维的后备人才，必须对引进的国外教学法展开广泛深入研究，创造符合中国青少年认知规律的教学方法，笔者在数学、物理、历史、地理等课程教学中习惯使用串联拓展教学法，科学教育效果好。

参考文献

[1] 李中平.平面几何分类证明[M].重庆：西南师范大学出版社，2015

[2] 李中平.教学哥德巴赫猜想的见解[J].中小学数学（高中版），2013（12）

[3] 李中平.用哥德巴赫猜想和陈景润猜想教学合情推理的见解[J].中小学数学（高中版），2017（5）

[4] 钱丹凝.第八届四川省博士专家论坛优秀论文集[M].成都：四川科学技术出版社，2016

作者简介

李中平，四川省达州中学，高级教师，电子信箱：3576554821@qq.com。

点评

作者是一位扎根实践、勤于思考的科技辅导员，本文采用随笔式的写法，讲述了自身对青少年科学教育和创新思维培养观念的转变过程，所提出的串联拓展教学法具有一定的实践探索价值，体现了作者在科学教育与青少年创新思维培养方面的实践成果，对学生的创新思维培养具有一定的启发意义。

作者在通过案例介绍对学生进行创新思维培养的经验的基础上，如果能够结合相关理论对学生创新思维培养的方法进行进一步的总结与提炼，并对串联拓展教学法有更细致深入的介绍与分析，增强文章的规范性，则对一线科技教育工作者的借鉴价值会更为突出。

——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）