STEM理念下学生创新思维的培养策略

吴逢高 滕海川 陈擘威

摘要创新思维是人类高阶思维的重要组成部分，它的培养要以个体丰富的知识储备为前提，以形成扎实的信息基础，还要求学习者必须经历迭代的实践训练，养成抓住“关键性联系”的本领，最终形成“更新、创造、改变”的创新能力。随着全球经济与科学技术的快速发展，STEM教育已成为各国科技创新人才培养和教育教学改革的重要战略和途径。本文探讨了STEM理念下学生创新思维的培养策略。

关键词 STEM理念 创新思维 知识基础

中图分类号：G424文献标识码：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

創新思维是人类高阶思维的重要组成部分，它的培养要以个体丰富的知识储备为前提，以形成扎实的信息基础，还要求学习者必须经历迭代的实践训练，养成抓住“关键性联系”的本领，最终形成“更新、创造、改变”的创新能力。创新思维是未来相当长时间内小学教育的价值诉求。

STEM教育主张以整合的教学方式培养学生掌握知识和技能，并让他们通过灵活迁移应用解决真实世界的问题。它强调跨学科、跨领域，强调真实问题，强调情境性、体验性、设计性、实证性，强调关注所有的学生；倡导用项目、问题驱动学习，借工程设计完成理论性科学探究，通过实践、迭代达到技术增强的目的等。这样的学习环境能为个体获取信息提供更好的途径，能为学习者的迭代实践创造更多的训练机会，甚至有学者认为STEM教育最大的价值在于引导学生从单科学习转向跨学科学习，从“纸上谈兵”升级为“真枪实弹”，是培养创新能力的“孵化器”。

STEM教育之于创新能力的作用和意义

随着全球经济与科学技术的快速发展，STEM教育已成为各国科技创新人才培养和教育教学改革的重要战略和途径。本文将从以下几方面对STEM教育对创新的意义进行梳理与分析：

1.STEM教育对学生创新能力培养的作用具有相当的国际共识

美国通过30多年的时间对STEM进行研究与实践后发现：STEM教育是培养创新能力最重要的途径，对学习者创新能力的发展有着极其重要的作用。随着社会对人才需求的不断提高，以培养复合型创新人才的STEM教育正逐步在全球普及，多个国家都发布了STEM教育发展规划，STEM教育成为世界各国推进课程教学改革和创新人才培养的重要战略。

2.STEM教育与学生创新能力培养有高度的契合性

在培养目标上，STEM教育的目标是培养学生的STEM素养，发展学生具备沟通协作能力、批判性思维、问题解决能力、创新能力等技能。批判性思维是创新能力的内涵之一，形成问题解决能力是创新能力发展的目标，协作能力的发展是创新能力形成的重要途径，两者的目标具有一致性。

在学习环境上，通过对比可以发现，STEM教育和创新能力的培养都必须根植于真实情境中发现问题，并能形成创造性的解决方案，两者的学习环境具有相似性。

在培养措施上，STEM教育以工程设计为核心，而设计本身就是一种创新过程，需要创新思维的参与。可见，创新思维蕴藏于工程设计之中，设计过程就是发展创新思维的重要途径。

在心理特质上，创新思维也符合“用进废退”的原则。创新思维如果长期脱离了基于真实情境的科学探究与技术设计，也会面临“不用则废”的风险，而STEM教育能为其创造更多的使用机会。

在思维发展上，科学领域的“思”指向以解释自然现象为目标的科学探究；工程技术领域的“思”则指向服务于实际问题的工程设计。这两类“思”相似点颇多——都需要结合前认知与合理想象进行建构，反复实证检验，根据检验结果修正和调整理论或问题解决方案。相同点中的“想象”“反复”与不同点中的“优化”等，都是创新思维的一种外在形式或作用的表现。这里的“思”不但包括逻辑与创新两种高阶思维，还隐藏着这两种思维的交互、迭代过程，具有一致性。

在促进意义上，以往的大量实证研究发现，个体的多元文化经验对其创造性具有显著的促进效应。STEM教育倡导的跨学科、跨领域从广义上从属于多元文化经验范畴，对创新思维的发展及其能力的培养具有积极的促进意义。

由此可见，STEM教育可以看作是创新思维培养的有效载体，在同一学习过程中创新思维的发展又能促进学生STEM能力的提升，两者相辅相成、交融共生。

STEM教育是促进学生创新能力提升的有效途径

科学教育，是以科学探究为主要学习方法；STEM教育，是以工程设计为主导的项目式学习；融合了STEM教育理念的科学课是科学探究与工程设计的整合，也是探究与实践的有机结合，这种融合凸显了社会、认知、行为三个维度的实践观，要求科学作为社会性活动的特质在课堂上得到充分施展。

融合后的科学课在课程理念上，更重视思维结构化的建构。科学探究的深入需要纵向的逻辑思维，向上抽象可获得新的概念和规律，向下回溯能找到实证证据，这构成了思维结构的“柱”；工程设计更多发展的是发散、类比、想象、直觉等思维，这些思维是横向思维，它们的发展形成了思维结构的“梁”；有柱、有梁，结构化的思维就有了最基础的框架。

在目标定位上，STEM教育更注重学生全面发展。融入STEM教育理念后，要求学生“既要像科学家一样去探究，还要像工程师一样去实践”，目标指向范畴更具广度，意味着通过科学课的学习不但要培养未来的科学家，还要培养工程师和具有创造力的劳动者。

在学习内容上，教学资源更加丰富。既有探究，还要实践，教育理念的这一改变将生成更多的教育资源，原有显性的探究资源、挖掘隐性的工程实践、创设拓展的创新资源相互交融、交互作用，将生成不同类型的项目内容，这些内容对应相应的活动形式，活动应尽可能涉及多门学科知识的运用，引导学生使用多视角思考问题并积极主动寻求问题的答案，避免思维定式（周东岱等，2017）。

在评价方式上，STEM教育更利于学生成长。将STEM教育中的工程协议、量规量表等引入科学课堂教学，能更有针对性地完成对物化成果的终结性评价与对学生的过程性评价，基于规则的采用自评、他评、师评结合的方式，完善了多元多维的评价体系。

STEM教育理念下学生创新思维培养的策略

课堂是最重要的教学阵地，在课堂教学里融合、渗透利于创新思维发展的STEM教育理念，是在不加重学生学业负担的前提下培养学生创新思维的有效方法。“用教材教，而不是教教材”，在STEM教育理念融入科学课增强创新思维培养中将得到更加充分的體现。在教材内容变化不是很大的情况下，既要保证科学探究的有效性，又要兼顾通过工程实践增强创新培养的增值性，这需要教师以更宽阔的视野、多维的视角，并结合STEM教育理念对教材进行深入的挖掘与深度的剖析，重构教学设计，进行课堂优化。

1.创设能让学生充分经历科学发现、技术创新的学习情境，让学生在体验、感悟中提升创新能力

科技包括科学发现与技术创新，不断地发现、创新，渐进地形成科学文化，产生这种文化的路径具有相似性且有规律可循，其规律大体如下：发现问题→定性研究→定量探究→科学发现、找出规律→应用知识、创造发明→技术改造创新。

教师把这一规律应用到科学教学中，就能让学生亲历从感知到认知的进阶、完成从定性到定量的探究、体验从知识到创造的创新过程，并能获得从移情到设计的初成、从原型到迭代的技术提升。学生在亲身经历科学发现和充分体验创新的过程中，会不断产生出新的认知冲突并形成具有梯度的需求矛盾，这些冲突与矛盾就是创新的原点，在课堂教学中表现为生成了丰富的培养学生创新思维的机会。

如执教《杠杆》一课时，基于STEM教育理念和创新思维的培养目标，可将此课进行重构（见下表）。

2.挖掘问题的原点来设计学习活动，为学生创新提供坚实的知识基础

问题的原点，指问题发现的最初位置，解决问题的出发之处。教师给学生创设站在原点思考的机会，能帮助他们理解知识是如何产生的，完成知识的底层建构；同时，还为学生创造了重历“问题发现、方法推导、实验验证与问题解决的过程”的机会，让学生有机会站在问题原点对创新进行深度思考，并将自己的思考结果与科学家、工程师的思维进行比对，在一思、一比中逐步发展自己的创新思维与创造能力。知识的底层建构是创新的基础，自己的思考与前人已有成果的对比是推动创新思维发展的加速器。

如在学习调节光学显微镜的操作中，有一个操作要点是“先将镜筒降到最低处，再缓缓上移，直至能清楚地看到标本”。大多数教师在此环节的教学中，只是单一地反复强调，能否将强调转换为“调节镜筒位置时，我们是从上至下调节好，还是从下至上调节好？请给出观点，并说出理由”这样一个能激发学生深度思考的问题，让学生有机会站在问题的原点进行思考，开展研究。通过这一问题的驱动，学生将经历多种调节镜筒方法的假设，多种解决方案的推导，通过不断分析与求证最终归纳出最优的解决办法，并能抽象出操作要义。这就是现代教育理念倡导的深度学习，当学生完成自主研究后，会深刻地认识到“先将物镜降到最低处，再缓缓向上调移”的原因是为了让玻片标本失去被物镜挤压的隐患，以杜绝实验事故的发生。学生在自主获取这一知识的同时，也经历了一次与操作要领制定者站在同一问题原点思考的过程。这样建构的知识才易于迁移、利于创新。学生所经历的发现问题、方案设计、论证推导、比较反思等过程能有效地促进其创新思维与创造能力的提升。

3.拓宽“跨”的外延，挖掘更为丰富的教学资源来促进学生创新思维发展

“跨”字可以概括STEM教育理念的重要精髓。对“跨”的理解，不能仅局限于跨学科知识的整合，它还应包括跨学段知识的贯通、跨学科思维的联系、跨领域知识的应用等更为深层次的理念。在这种理念的指导下对教材进行挖掘会衍生出更多的教学资源，教师在教学实施中应善于捕捉，创新设计并灵活运用这些资源，使课堂成为“拓学科之界、解思维之锁、触建构之底、攀思维之高”的创新思维训练主战场。

（1）贯通跨学段知识，重视类比思维的训练

所谓类比，是由两个对象的某些相同或相似的性质，推断出这两个对象在其他性质上也有可能相同或相似的一种推理形式。类比思维也是创造性思维的一种形式。

在《测量力的大小》一课中，测力计读数时要求视线与指针相平。教学时可做这样的设计：教师用问题进行驱动，要求学生自主探究使用测力计的注意事项，在研究或表达过程中，教师适时引导学生将三年级所学的“温度计读数时视线要与液面平视”这一知识点建立联系，通过温度计与测力计的类比，两种读数方法的类比完成知识迁移，这样的教学设计既对创新思维中的类比思维进行了有效的训练，同时推进了学生习得知识的螺旋发展。

（2）融通跨学科思维，加强创新思维横向发展

创新思维倡导丰富的横向联系思考，与STEM教育理念中的跨领域思维的理念方向一致。在教学中教师有意识地将跨学科、跨领域的学习方法进行创造性的融通，有利于学生创新思维的横向发展，帮助学生拓展出更为广阔的思维空间，加强他们横向联系能力的培养。

如《杠杆》一课中，教师大多运用讲授的方法，根据杠杆的模型或图示向学生一一介绍杠杆的三点（支撑点、用力点、阻力点）。基于跨学科思维，运用横向联系法可做以下设计：①出示一根木棒；②利用身边的材料将木棒搭建为杠杆结构，告诉学生现在的木棒变成了杠杆，并要求学生尝试着找出“变化”的关键因素；③教师引导学生将“解数学应用题时抓关键词、句”的思路平移到找出杠杆的关键点，以区分普通木棒和形成杠杆结构的木棒之间的区别；④要求学生根据三个点各自不同的功能分别为它们命名；⑤教师小结。这样的教学有利于学生认识到杠杆的本质，并能加深他们对“自然界是不断变化的”这一思想的感悟，更重要的是这种横向联系开拓了学生解决问题的思路，引导他们自觉地应用跨学科学习方法去解决问题，运用跨学科思维去寻找问题的关键，从而促进创新思维的发展。

（3）打破跨领域知识间的壁垒，注重相关知识的创造性应用

创新思维是抽象思维与形象思维、发散思维与聚合思维、横向思维与纵向思维、逆向思维与正向思维、潜意识思维与显意识思维等多种思维形式的有机整合体。这是一种综合、复杂、相互交织、互为补充的高级能力，这种思维能力的培养需要在真实的生活情境中，面对真实问题整合探究式、项目式、问题式、演绎式等多种学习方式共同完成，这种混合式的学习方式有利于具有综合性、复杂性的创新思维的培养。这样的学习情境创设、研究问题确定、创新目标达成，要求必须打破学科知识与学科思维的壁垒，形成跨领域的整合。教师在开发课程或进行教学设计时要善于挖掘各学科知识之间的关联，并能创造性地将这些关联置于真实的生活情境之中，用有趣、悬疑的问题驱动学生自主参与复杂情境中的真实学习，借此不断提升他们的创新思维。

如“声音”单元的音高问题是该学段的一个知识难点，大部分学生在头脑中没有建立起结构化的音高图示与图形化的振动快慢，这极大地影响到该知识的迁移与基于该知识的创新创造。音乐课中的音阶有利于帮助学生解决这一学习难点，并且音阶的知识中还蕴藏着数学规律。教师可突破传统的单学科教学的做法，设计一个探究式或项目式活动，将音高中蕴藏的科学、音乐、数学等具有紧密联系的学习资源整合起来，以“制作试管小乐器”为题，驱动学生在真实的学习情境中，通过合作探究获取科学知识，经历假设论证建立学科联系，在此基础上完成创造性的设计，最终将试管改造成能吹奏的音阶乐器并能进行乐曲表演。在这样的学习过程中，知识的难点在学生的经历体验中不攻自破；课程中要求的知识与能力目标呈双螺旋发展；最重要的是学生自主地建立起了跨领域知识间的联系，并创新出了属于自己的物化成果，这对他们的创新兴趣和创新自信将起到积极的作用。

在科学课堂教学中融合STEM教育理念，能增加更多的创新思维培养机会，多视角的观察，跨领域的思考，有利于突破学生思维的定式，促进散点状的创新思维能力集合为结构化的创新思维框架。在小学科学教学中培养学生的创新思维还有很多值得研究的内容，如灵活应用思维工具、引导学生建立关键性联系等。教师应以创新为导向，不斷加强理论学习和实践应用，为培养面对未来的新时代少年儿童，尽科学教师应尽责任。

（本文系2019年度四川省教育科研课题名师名校长专项重点课题：“西部少数民族地区农村小学科学特色校本课程资源建设研究”，川教函[2019]514号；四川省高水平研究团队“四川基础教育学科教学改革研究团队”，川社联发[2017]43号文件；绵阳市社会科学研究规划“校地共建专项”课题：“三方协同开展民族地区小学科学创新型教师培养研究”编号：MY？ SY2020YB14的研究成果。）