科学精神引领下的创新思维培养

魏烁佳

随着世界多极化、经济全球化、文化多样化、社会信息化的深入发展，在如何让学生成功适应未来社会这一前瞻性问题上，人文、科学、创新几个关键词成为许多教育人士讨论的焦点。人文情怀是促使一个人长久、健康发展的精神动力和精神支撑。一个具有人文情怀的人，心智是豁达的，情感是纯净的，意志是经得起磨砺的。一流的科学家往往拥有丰厚的人文情怀，是科学精神与人文情怀结合的典范。科学精神作为一种追求真理的精神气质，也是民族创新的基础和源泉。《中国学生发展核心素养》树立了学生成长的“标杆”，人文底蕴、科学精神、实践创新为孩子们指明了成长的方向。在信息时代，唯有具有丰厚的人文底蕴，秉持科学精神，勇于创新的人才能立于不败之地。

● 人文情怀、科学精神与创新思维在教育上的统一

科学精神本身是一种人文精神，一直以来被世人用来标榜和歌颂科学家的品质、素养、信念，其内涵主要体现在崇尚真理、合理批判、勇于探究、敢于创新等方面。科学精神的内涵和外延随着社会的发展不断丰富，其中有一种观点颇能引起人们共鸣：科学精神是真、善、美“三位一体”的和谐统一，三个字道尽科学精神的人文内涵。从教育的角度看，科学精神主要是学生在学习、理解、运用科学知识和技能等方面所形成的价值标准、思维方式和行为表现。

科学精神是探索实践的范畴，敢于创新是科学精神的本质要求。科学之所以具有活力、之所以为科学，就在于人类将创新的意识和创新的精神注入到认识世界和改造世界的活动中。培养学生的科学精神和培养学生实践创新的素养在求真和求新的目标上是相统一的。有学者指出，大凡科技的发明创造，首先是思维方法的胜利。所以，培养学生实践创新的素养，在学科教学上的落脚点是培养学生的创新思维。

在人文精神的引领下培养学生实践创新的素养，也是对学生创新人格的塑造——追求真理，自主学习；敢于质疑，善于发现；勇于探究，面对困难与失败，百折不挠；淡薄名利，让创新向善的一面发展。

● 科学精神、创新思维和程序设计在教学上的结合

程序设计的过程是一个实验和创造的过程。心理学对创新思维在解决问题中的活动过程做过大量的研究，比较有代表性的是英国心理学家华莱士（G.Wallas）所提出的四阶段论，即准备、酝酿、明朗和验证四个阶段。程序设计的一般过程是：问题分析、任务分解—抽象模型、形成算法—明确流程、编写代码—反复调试、不断改进，此过程正是华莱士所提的创新思维过程的四个阶段的体现。在程序设计全过程中，学生的逻辑思维、形象思维、发散思维、直觉思维、批判思维等被充分调动，刺激大脑处于兴奋的“创造”模式，创新思维得以激发和培养。

程序设计过程的思维方式，还凸显出具有计算机科学特色的一种思维——计算思维。计算思维是信息技术学科的核心素养之一，是运用计算机科学的基础概念去理解人类的行为、求解问题和设计系统的思维方式。所以，与算法和程序有密切联系的计算思维也是人们认识世界、改造世界的思维方式和科学求真方法。

在科学精神的指引下，科学家在运用创新思维进行科学研究时，会尽可能地减少或避免因主观功利性而导致技术成果在作用于社会的过程中带来的负面影响。程序设计教学则需要这种科学精神的渗透。以人类社会发展为价值追求的程序创新结果让人们生活更美妙；相反，急功近利、恶意破坏为价值导向的程序导致的是计算机病毒泛滥，人们信息安全甚至财产、生命安全受到威胁。

● 创设程序设计教学任务和学习项目，培养学生创新思维

2014年，笔者参与了课题《人文情怀涵养下信息技术学科学生创新思维培养实践研究》的研究，选择了基于程序设计培养学生创新思维的研究方向。为了激发学生的学习兴趣，笔者选用了Scratch和虚拟机器人作为主要教学载体。

1.创新与艺术结合，在美育中培养创新思维

作品创作是信息技术学科培养学生创新思维的有效方法之一。将美术和音乐等艺术元素整合到程序设计中，程序就有了独特的魅力，为学生创作信息技术作品打开了思维的新天地；同时，启迪学生从新的认知角度去了解事物原理，培养求真精神。

例如，在教学《母亲节礼物》一课时，笔者将乐理知识引入编程。首先，展示一张照片，内容为伊拉克一个失去妈妈的小女孩，在孤儿院的地面上画出妈妈的图画，蜷缩在“妈妈”怀中睡着，以此激起学生心中关于母爱和珍惜幸福的共鸣，在此情感基础上笔者提出利用Scratch设计母亲节音乐贺卡的任务。接到任务后，学生自主搜索母亲节主题的乐曲简谱和背景图片，学习Scratch乐器、节拍、音调等程序指令，将乐谱转化为程序指令，用延时和循环等方法控制音乐播放。在本课的后续学习中，有学生还创作了可由键盘演奏的电子琴程序，利用程序指令自行编曲，这是在探索乐理知识后的又一创新作品。艺术课程对学生感性思考的培养十分明显，整合艺术元素引导学生在编程中发现美、创造美，将审美的感性思考与编程的理性思考结合，无疑对学生创新思维的训練更全面。融入人文情怀的程序设计任务也让教学过程变得温润，没有了唯技术至上的晦涩感。

2.创新与娱乐结合，在游戏设计中培养创新思维

哈佛大学创新实验室的托尼·瓦格纳认为：“想象力、合作、交流这些特质与技能，对于创新的培养而言非常重要。但是，这一切都是从‘玩耍开始。无论是童年时期探索世界，还是作为成年人，作为一个科学家或者数学家，寻找新的可能性、新的思路，这些是人类的最高形式的表达，是从‘玩耍的初心开始的。”利用Scratch进行游戏教学是笔者另一方向的实践研究。让学生理解游戏互动内部逻辑原理，设计新游戏，在快乐中创造，在创造中学习。游戏编程基于学生的观察、比较、分析、综合、抽象、概括、推理、批判等思维能力，反映出学生的想象力和创造力。创新思维的成果不仅包括新的创造，也包括对已有事物的改造提升。

批判思维是一种反思性的思维，也有把研究对象看作是需要不断发展和有待完善的一层含义。所以，笔者采用的是游戏“升级”的教学策略，在课堂上给出一个基础程序样本，由学生不断增加奇思妙想，丰富内涵。对个性化的追求让学生自发地、不断地提出问题，解决问题，让作品日臻完善或变成新的游戏，创意纷呈。笔者曾在课堂上呈现了一个简单的“打砖块”Scratch程序实例，在一位学生的不断分析、持续改造下，变成更具趣味的双人互动游戏。该作品参加第十七届全国电脑制作活动创意编程项目评比还获得了一等奖。

3.创新与生活结合，在解决问题过程中培养创新思维

在现实生活问题情境中，学生的创新意识和创新思维更容易得到激发和培养，也更能养成学生善于发现现实问题、敢于质疑、勇于提出新方案的思维习惯。虚拟机器人是笔者基于程序设计培养学生创新思维的另一个教学载体。虚拟机器人与实体机器人相比，其优势是容易引入课堂，让更多学生参与。当前的虚拟机器人竞赛项目都是基于问题解决的任务导向，学生可以创造性搭建机器人，采取多种策略完成任务。竞赛项目并不适合直接在课堂上开展，因为其任务量多，学习周期较长。为避免这个问题，笔者利用虚拟仿真平台的场景制作功能，将现实生活中的问题引入课堂，设计更有针对性的情境问题，培养学生的批判思维和发现问题、创造性解决问题的能力。

例如，笔者曾以新闻报导的多起电梯故障伤人事件创设任务情境，搭建了一个电梯运行的模型，基于这个仿真电梯模型让学生研究如何避免电梯崩塌伤人。学生分组讨论后，将策略确定为利用传感器来检测电梯踏板是否崩塌，如果是，则自动停止电梯运行。进而，各小组投入到距离传感器、碰撞传感器、亮度传感器等的模拟实验中。在此活动中同时传递给学生一种价值观：思虑周全、精益求精的创新成果能为社会带来更多的福利，急功近利则可能造成严重影响和后果。

4.创新与自然世界结合，在探索自然规律中培养创新思维

人类的发展进步离不开对大自然的探索，科学领域很多发明创造都是从大自然获得灵感的。仿生机器人就是人类在探索自然界生物的基础上抽象创新的成果。每当笔者在课堂上向学生播放谷歌公司仿生机器人视频时，学生无不感叹这些栩栩如生的机器人的奇妙。

仿生机器人综合了信息技术、人工智能、控制论、自动化等多门学科知识，能否引入课程培养学生创新思维呢？对此，笔者开始了虚拟仿生机器人的教学实践。所用的教学平台是萝卜圈虚拟仿真平台，借助此平台学生可以随心所欲利用结构积木、伺服电机、感应器等虚拟元件搭建机器人并为其编程。項目学习的内容是仿生机器人运动，机器人的形态可以是两足人形、四足动物、六足昆虫等。自然界中不同的动物的行进方式各具特长，点亮了学生的创造灵感。首先，学生分组合作走进大自然或从动物记录片中观察各种动物，在了解动物腿部运动数理规律的基础上进行抽象和建模，如四足动物的对角线式行进方式、六足动物的三角形行进方式。接着，设计机器人外形，编写运动程序，反复调试，经历从认知到创新的过程。选择某一个科学研究领域，利用现有条件为学生创设符合他们当前认知水平的学习平台，势必会激发一些学生在该领域的兴趣和学习追求，他们会自主进行更深的探索，或者将思维方法迁移到其他领域。科学精神是持续创新的支撑，在学生心中播下探索和创新的种子，随着学生的学习成长，具有现实意义的创新成果可能由他们创造而生。

教育是多种文化的融合——人文情怀涵养下的创新思维的培养，让学生在理性思维的过程中同时感悟真、善、美；科学精神引领下的创新思维培养，在求真探索、批判反思、实践创新的过程中激发学生潜在的发展性、突破性、独特性思维源泉；“全面发展”教育追求下的创新思维培养，需要教师具备适应时代要求的责任感，创造性开展教学，为学生营造创新的人文环境，促使学生向人文底蕴和科学精神高度融合的创新型人才发展。