创新思维发展工具在STEM教育中的应用

董黎明，张清利，艾海明，吴慧群

(1．北京开放大学 科学技术学院；2．北京交通大学附属中学第二分校，北京 100081)

0 引言

随着我国教育改革不断深入，创新人才培养受到教育研究与实践者的关注，创新思维发展是创新人才培养的核心[1]。STEM教育是基于科学探究、技术制作、工程设计、数学方法的有机统一，通过跨学科知识整合解决问题，培养学习者创新思维，最终实现创新人才培养的创新教育。由于STEM教育具有跨学科整合性、真实情境性和工程设计性等特性，克服了思维过程中的思维定势和功能固化，通过发展学生的组合想象能力、工程设计能力和联想意识等，有效地促进了学习者创新思维的变通性、流畅性和独创性发展。虽然STEM教育本质上对于培养学习者创新思维具有独特优势，但是我国教育领域通过STEM教育发展学习者创新思维处在理论探索阶段，STEM教育中学习者的创新思维发展水平未达到应有的效果，造成这种结果的原因中，学习者缺乏有效的创新思维工具是其重要的一个原因，STEM教育中往往更多让学习者自由创造，未给学习者提供促进创造的有效工具，导致学习者在创造过程中停留在无序的发散思考上，未能实现创新思维的有效发展。因此，本文从创新思维工具的使用角度研究STEM教育中如何促进学习者创新思维发展，以期为相关研究提供参考。

1 STEM教育与创新思维发展的关系

1.1 STEM教育是创新思维发展的有效途径

STEM由英文单词科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering) 和数学(Mathematics)的首字母缩写组成，它重视提升学习者真实问题解决能力、强调学习者跨学科整合能力和发展学习者创新思维能力[2]。首先，STEM教育通过整合科学、技术、工程、数学学科知识，跨学科解决问题的过程提高学习者思维的发散性、克服思维定势和功能固着、促进知识的有效迁移和应用，发展学习者创新思维；其次， STEM教育强调师生合作探究式学习、工程设计的“做中学”、技术增强式教育等教学方式，有助于激发学习者思维的灵活性、发散性和批判意识，促进创新思维发展；最后，STEM教育项目式学习，以解决真实问题为起点，通过工程设计进行过程迭代与团队互动，使学习者在整合各学科经验的基础上进行思考，在团队互动中进行头脑风暴，促进学习者创新思维发展。

1.2 创新思维发展是STEM教育的核心目标

STEM教育目标是培养新时代需要的创新人才，创新人才包含创新精神、创新思维和创新能力三方面核心要素，创新精神是创新的动力和品质[3]，创新思维是创新人才的核心[4]，是对个人和社会产生有价值新思想或新观念的心理加工过程，创新能力是创新精神与创新思维的外在行为表现[5]，创新精神和创新能力必须以创新思维作为基础，离开新思维，创新品质将成为空谈。因此，创新思维是创新品质与创新能力的前提条件和基础[6]。STEM教育的核心目标是学习者创新思维的发展。

2 创新思维发展工具

在中小学STEM教育中，学习者创新思维发展水平不理想，一个重要原因是教育者未给学习者提供促进学习者创新思维发展的成熟工具，而只是给学习者提出要完成的任务，即只下达任务，未提供必要的支持工具[7]。通过STEM教育实践进行总结，成熟的创新思维发展工具主要包括基于提出问题的创新思维发展工具和基于解决问题的创新思维发展主要工具两大类，具体内容如图1[8]所示。

图1 创新思维发展主要工具

2.1 基于提出问题的创新思维发展工具

本类工具以提出问题为中心，围绕着提出问题，引导学习者提出独特和有价值的观点或想法，发展学习者的创新思维。主要包括抽象阶梯工具、六何工具、奥斯本检核表、和田创新表四类。

(1)抽象阶梯工具。针对具体事件、物体或问题情境，通过提出“为什么？还为什么？ ”和“怎么办？还怎么办？”，一直往下追问，得到对于事物、物体或问题情境的陈述，提出问题，促进创思维发展。

(2)六何法。对选定的事件、对象或操作，分别从为什么(Why)、做什么(What)、何人(Who)、何时(When)、何地(Where)、怎么办(How)6个方面来考察其合理性，通过对此提问, 发展创新思维能力。

(3)奥斯本检核表。奥斯本检核表从能否他用、能否借用、能否改变、能否扩大、能否缩小、能否替代、能否调整、能否颠倒、能否组合9个方面列出75个问题。把要改进的方案或产品确定后，根据奥斯本检核表中的问题，逐条核对并进行针对性地讨论，产生大量的新观点，最后对新观点进行筛查，确定最有价值的新观点，通过这个过程促进学习者创新思维发展[7]。

(4)和田创新表。在奥斯本检核表的基础上，以动词为中心引导逐一进行加工，促进学习者创新思维发展[8]。

2.2 基于解决问题的创新思维发展工具

本类工具以解决问题为中心，围绕解决问题提出独特的、有价值的观点或想法，发展学习者的创新思维[10]，主要包括列举工具、头脑风暴、控制联想工具、类比工具、形态矩阵工具、思维可视化工具六类。

(1)列举工具。列举工具主要是为了解决具体的问题，针对事物的特征、属性等，从逻辑上对其进行分解并罗列出来，并针对所列出的项目逐一提出改进的方法，最终形成解决问题的方案，发展学习者的创新思维。

(2)头脑风暴。又称智力激励法，以明确问题为基础，以集体(5～10人)自由联想为核心, 强调延迟判断、自由驰骋、以量求质和综合改善的原则。一般包括准备、热身活动、明确问题、自由畅谈和筛选5个阶段。

(3)控制联想工具。以解决特定问题为出发点，与头脑风暴相反，要求参与者按照既定的方向和目标进行联想，包括强制关联和焦点联想2种具体工具。

(4)类比工具。通过对2个对象之间某些相同或相似点进行比较与分析，从而推出这2个对象在其它方面可能相同或相似的方法，包括仿生工具与综摄工具两种具体工具。

(5)形态矩阵工具。将事物全部的要素及实现各要素可能的形态列出来，列出的要素和形态重新组合，形成新颖的方案。

(6)思维可视化工具。将思维和视觉有机结合，以图画的形式促进思维，达到创造的目的，实现创新思维发展。思维可视化工具有曼陀罗工具、思维导图、鱼骨图、概念图和流程图5种[8]。

3 形态矩阵工具在STEM教育中应用

在STEM教育中发展学习者创新思维，需要根据不同的任务选择不同的创新思维工具，本文以形态矩阵工具为例，论述创新思维工具在STEM教育中的具体应用过程。形态矩阵工具强调把看似不相关的多个事物或要素有机地组合,产生创造性的想法或产品。形态矩阵工具具体操作过程与STEM教育对应的内容如表1所示。

表1 形态矩阵工具应用过程

4 应用实例

为了更好地描述在STEM教育中如何运用形态矩阵工具促进学习者创新思维的发展，本文以“自行车改进”为例，论述形态矩阵工具在STEM教育中的具体应用。

4.1 明确问题

从1790年法国伯爵西夫拉克发明了世界第一辆自行车，自行车已经历了230余年。其中，自行车经历了多轮改进，如表2所示。

表2 自行车发展历程

20世纪80年代，自行车已成为中国人最重要、最青睐的代步工具，中国也曾被称作“自行车王国”。除去老人孩子，几乎已是“一人一车”，随着“小黄”“小蓝”“小橙”和“小红”等共享自行车走俏各大城市，自行车依然是中国人出行最重要的一种工具。然而，随着人们对出行的要求不断提高，自行车作为基本的出行工具，其不足之处也越来越受到人们的关注，如座位舒适性差(缺少腰靠、过窄等)，车把操控性差，载重能力低等，如何使自行车更好地适合现代社会发展需求，为人们出行提供更舒适的体验，这为本文探讨的问题确定提供了方向。

4.2 要素分析

自行车基本结构包括车体部分、导向系统、驱动传动系统、制动系统和其它组件。车体部分包括车架、车座等，是自行车的主体，承受人和货物的重量；导向系统包括车把、前轴、前轮等部件，可以改变行驶方向并保持车身平衡；驱动传动系统包括脚蹬、链条、后轮等部件，驱动自行车不断前进；制动系统由车闸、刹车片等部件组成，使行驶的自行车减速，确保安全。其它组件可根据需要装配车灯、变速器、挡泥板等附件，更方便自行车使用。根据自行车的结构，可以把其归类于外形、材料、动力、制动、导向和附件六要素。其中，外形与材料对应于车体部分、动力对应于驱动传动系统、制动对应于制动系统、导向对应于导向系统、附件对应于其它组件。

4.3 形态求解

依据以上六大要素，通过列举，如表3所示。

表3 要素形态求解

4.4 形态组合

依据各要素的形态求解结果，把所有求解结果进行组合。由于所有组合数量太多，本文列出5种组合结果进行说明，具体如表4所示。

表4 形态组合

4.5 方案评选

由于形态矩阵工具的应用目的是为了促进学习者创新思维的有效发展，因此在对方案的评选时，应聚焦于创新思维的2个根本要素，即独创性和价值性，同时也需要考虑方案是否可行，在方案评选阶段主要从独创性、价值性、可行性3个方面进行，由5位教师分别对5个方案进行评分(百分制)，然后求均值。具体如表5所示。

表5 方案评分

4.6 绘制方案

根据教师的评价，方案2在5个方案中具有最高评价，学习者根据方案2的描述，如图2所示。

图2 方案2图示

5 结语

本文以学习者创新思维发展为目标，以形态矩阵工具为例论述了创新思维工具在STEM教育中具体应用过程。两类创新思维工具中每种工具都有其适应场景，形态矩阵工具适应于解决问题类中创造实物的场景，对于发现问题类的场景具有借鉴意义，但存在一定的差异性，因此研究需要根据不同的场景研究不同工具的相关性，以使教育者能根据不同的场景选择正确的创新思维发展工具。任何一种模型或工具在使用过程中都是一个迭代的过程[10]，创新思维发展工具在STEM教育中应用也需要不断迭代和完善，需要形态矩阵工具在STEM教育应用过程中不断改进，才能更好地促进学习者创新思维发展。