科學(xué)精神引領(lǐng)下的創(chuàng)新思維培養(yǎng)

精品文檔-下載后可編輯科學(xué)精神引領(lǐng)下的創(chuàng)新思維培養(yǎng)隨著世界多極化、經(jīng)濟全球化、文化多樣化、社會信息化的深入發(fā)展，在如何讓學(xué)生成功適應(yīng)未來社會這一前瞻性問題上，人文、科學(xué)、創(chuàng)新幾個關(guān)鍵詞成為許多教育人士討論的焦點。人文情懷是促使一個人長久、健康發(fā)展的精神動力和精神支撐。一個具有人文情懷的人，心智是豁達的，情感是純凈的，意志是經(jīng)得起磨礪的。一流的科學(xué)家往往擁有豐厚的人文情懷，是科學(xué)精神與人文情懷結(jié)合的典范?？茖W(xué)精神作為一種追求真理的精神氣質(zhì)，也是民族創(chuàng)新的基礎(chǔ)和源泉?！吨袊鴮W(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》樹立了學(xué)生成長的“標桿”，人文底蘊、科學(xué)精神、實踐創(chuàng)新為孩子們指明了成長的方向。在信息時代，唯有具有豐厚的人文底蘊，秉持科學(xué)精神，勇于創(chuàng)新的人才能立于不敗之地。

人文情懷、科學(xué)精神與創(chuàng)新思維在教育上的統(tǒng)一

科學(xué)精神本身是一種人文精神，一直以來被世人用來標榜和歌頌科學(xué)家的品質(zhì)、素養(yǎng)、信念，其內(nèi)涵主要體現(xiàn)在崇尚真理、合理批判、勇于探究、敢于創(chuàng)新等方面?？茖W(xué)精神的內(nèi)涵和外延隨著社會的發(fā)展不斷豐富，其中有一種觀點頗能引起人們共鳴：科學(xué)精神是真、善、美“三位一體”的和諧統(tǒng)一，三個字道盡科學(xué)精神的人文內(nèi)涵。從教育的角度看，科學(xué)精神主要是學(xué)生在學(xué)習(xí)、理解、運用科學(xué)知識和技能等方面所形成的價值標準、思維方式和行為表現(xiàn)。

科學(xué)精神是探索實踐的范疇，敢于創(chuàng)新是科學(xué)精神的本質(zhì)要求。科學(xué)之所以具有活力、之所以為科學(xué)，就在于人類將創(chuàng)新的意識和創(chuàng)新的精神注入到認識世界和改造世界的活動中。培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和培養(yǎng)學(xué)生實踐創(chuàng)新的素養(yǎng)在求真和求新的目標上是相統(tǒng)一的。有學(xué)者指出，大凡科技的發(fā)明創(chuàng)造，首先是思維方法的勝利。所以，培養(yǎng)學(xué)生實踐創(chuàng)新的素養(yǎng)，在學(xué)科教學(xué)上的落腳點是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

在人文精神的引領(lǐng)下培養(yǎng)學(xué)生實踐創(chuàng)新的素養(yǎng)，也是對學(xué)生創(chuàng)新人格的塑造――追求真理，自主學(xué)習(xí)；敢于質(zhì)疑，善于發(fā)現(xiàn)；勇于探究，面對困難與失敗，百折不撓；淡薄名利，讓創(chuàng)新向善的一面發(fā)展。

科學(xué)精神、創(chuàng)新思維和程序設(shè)計在教學(xué)上的結(jié)合

程序設(shè)計的過程是一個實驗和創(chuàng)造的過程。心理學(xué)對創(chuàng)新思維在解決問題中的活動過程做過大量的研究，比較有代表性的是英國心理學(xué)家華萊士（G.Wallas）所提出的四階段論，即準備、醞釀、明朗和驗證四個階段。程序設(shè)計的一般過程是：問題分析、任務(wù)分解―抽象模型、形成算法―明確流程、編寫代碼―反復(fù)調(diào)試、不斷改進，此過程正是華萊士所提的創(chuàng)新思維過程的四個階段的體現(xiàn)。在程序設(shè)計全過程中，學(xué)生的邏輯思維、形象思維、發(fā)散思維、直覺思維、批判思維等被充分調(diào)動，刺激大腦處于興奮的“創(chuàng)造”模式，創(chuàng)新思維得以激發(fā)和培養(yǎng)。

程序設(shè)計過程的思維方式，還凸顯出具有計算機科學(xué)特色的一種思維――計算思維。計算思維是信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)之一，是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念去理解人類的行為、求解問題和設(shè)計系統(tǒng)的思維方式。所以，與算法和程序有密切聯(lián)系的計算思維也是人們認識世界、改造世界的思維方式和科學(xué)求真方法。

在科學(xué)精神的指引下，科學(xué)家在運用創(chuàng)新思維進行科學(xué)研究時，會盡可能地減少或避免因主觀功利性而導(dǎo)致技術(shù)成果在作用于社會的過程中帶來的負面影響。程序設(shè)計教學(xué)則需要這種科學(xué)精神的滲透。以人類社會發(fā)展為價值追求的程序創(chuàng)新結(jié)果讓人們生活更美妙；相反，急功近利、惡意破壞為價值導(dǎo)向的程序?qū)е碌氖怯嬎銠C病毒泛濫，人們信息安全甚至財產(chǎn)、生命安全受到威脅。

創(chuàng)設(shè)程序設(shè)計教學(xué)任務(wù)和學(xué)習(xí)項目，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維

2022年，筆者參與了課題《人文情懷涵養(yǎng)下信息技術(shù)學(xué)科學(xué)生創(chuàng)新思維培養(yǎng)實踐研究》的研究，選擇了基于程序設(shè)計培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的研究方向。為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，筆者選用了Scratch和虛擬機器人作為主要教學(xué)載體。

1.創(chuàng)新與藝術(shù)結(jié)合，在美育中培養(yǎng)創(chuàng)新思維

作品創(chuàng)作是信息技術(shù)學(xué)科培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的有效方法之一。將美術(shù)和音樂等藝術(shù)元素整合到程序設(shè)計中，程序就有了獨特的魅力，為學(xué)生創(chuàng)作信息技術(shù)作品打開了思維的新天地；同時，啟迪學(xué)生從新的認知角度去了解事物原理，培養(yǎng)求真精神。

例如，在教學(xué)《母親節(jié)禮物》一課時，筆者將樂理知識引入編程。首先，展示一張照片，內(nèi)容為伊拉克一個失去媽媽的小女孩，在孤兒院的地面上畫出媽媽的圖畫，蜷縮在“媽媽”懷中睡著，以此激起學(xué)生心中關(guān)于母愛和珍惜幸福的共鳴，在此情感基礎(chǔ)上筆者提出利用Scratch設(shè)計母親節(jié)音樂賀卡的任務(wù)。接到任務(wù)后，學(xué)生自主搜索母親節(jié)主題的樂曲簡譜和背景圖片，學(xué)習(xí)Scratch樂器、節(jié)拍、音調(diào)等程序指令，將樂譜轉(zhuǎn)化為程序指令，用延時和循環(huán)等方法控制音樂播放。在本課的后續(xù)學(xué)習(xí)中，有學(xué)生還創(chuàng)作了可由鍵盤演奏的電子琴程序，利用程序指令自行編曲，這是在探索樂理知識后的又一創(chuàng)新作品。藝術(shù)課程對學(xué)生感性思考的培養(yǎng)十分明顯，整合藝術(shù)元素引導(dǎo)學(xué)生在編程中發(fā)現(xiàn)美、創(chuàng)造美，將審美的感性思考與編程的理性思考結(jié)合，無疑對學(xué)生創(chuàng)新思維的訓(xùn)更全面。融入人文情懷的程序設(shè)計任務(wù)也讓教學(xué)過程變得溫潤，沒有了唯技術(shù)至上的晦澀感。

2.創(chuàng)新與娛樂結(jié)合，在游戲設(shè)計中培養(yǎng)創(chuàng)新思維

哈佛大學(xué)創(chuàng)新實驗室的托尼?瓦格納認為：“想象力、合作、交流這些特質(zhì)與技能，對于創(chuàng)新的培養(yǎng)而言非常重要。但是，這一切都是從‘玩?！_始。無論是童年時期探索世界，還是作為成年人，作為一個科學(xué)家或者數(shù)學(xué)家，尋找新的可能性、新的思路，這些是人類的最高形式的表達，是從‘玩?！某跣拈_始的?！崩肧cratch進行游戲教學(xué)是筆者另一方向的實踐研究。讓學(xué)生理解游戲互動內(nèi)部邏輯原理，設(shè)計新游戲，在快樂中創(chuàng)造，在創(chuàng)造中學(xué)習(xí)。游戲編程基于學(xué)生的觀察、比較、分析、綜合、抽象、概括、推理、批判等思維能力，反映出學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力。創(chuàng)新思維的成果不僅包括新的創(chuàng)造，也包括對已有事物的改造提升。

批判思維是一種反思性的思維，也有把研究對象看作是需要不斷發(fā)展和有待完善的一層含義。所以，筆者采用的是游戲“升級”的教學(xué)策略，在課堂上給出一個基礎(chǔ)程序樣本，由學(xué)生不斷增加奇思妙想，豐富內(nèi)涵。對個性化的追求讓學(xué)生自發(fā)地、不斷地提出問題，解決問題，讓作品日臻完善或變成新的游戲，創(chuàng)意紛呈。筆者曾在課堂上呈現(xiàn)了一個簡單的“打磚塊”Scratch程序?qū)嵗?，在一位學(xué)生的不斷分析、持續(xù)改造下，變成更具趣味的雙人互動游戲。該作品參加第十七屆全國電腦制作活動創(chuàng)意編程項目評比還獲得了一等獎。

3.創(chuàng)新與生活結(jié)合，在解決問題過程中培養(yǎng)創(chuàng)新思維

在現(xiàn)實生活問題情境中，學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維更容易得到激發(fā)和培養(yǎng)，也更能養(yǎng)成學(xué)生善于發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實問題、敢于質(zhì)疑、勇于提出新方案的思維習(xí)慣。虛擬機器人是筆者基于程序設(shè)計培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的另一個教學(xué)載體。虛擬機器人與實體機器人相比，其優(yōu)勢是容易引入課堂，讓更多學(xué)生參與。當前的虛擬機器人競賽項目都是基于問題解決的任務(wù)導(dǎo)向，學(xué)生可以創(chuàng)造性搭建機器人，采取多種策略完成任務(wù)。競賽項目并不適合直接在課堂上開展，因為其任務(wù)量多，學(xué)習(xí)周期較長。為避免這個問題，筆者利用虛擬仿真平臺的場景制作功能，將現(xiàn)實生活中的問題引入課堂，設(shè)計更有針對性的情境問題，培養(yǎng)學(xué)生的批判思維和發(fā)現(xiàn)問題、創(chuàng)造性解決問題的能力。

例如，筆者曾以新聞報導(dǎo)的多起電梯故障傷人事件創(chuàng)設(shè)任務(wù)情境，搭建了一個電梯運行的模型，基于這個仿真電梯模型讓學(xué)生研究如何避免電梯崩塌傷人。學(xué)生分組討論后，將策略確定為利用傳感器來檢測電梯踏板是否崩塌，如果是，則自動停止電梯運行。進而，各小組投入到距離傳感器、碰撞傳感器、亮度傳感器等的模擬實驗中。在此活動中同時傳遞給學(xué)生一種價值觀：思慮周全、精益求精的創(chuàng)新成果能為社會帶來更多的福利，急功近利則可能造成嚴重影響和后果。

4.創(chuàng)新與自然世界結(jié)合，在探索自然規(guī)律中培養(yǎng)創(chuàng)新思維

人類的發(fā)展進步離不開對大自然的探索，科學(xué)領(lǐng)域很多發(fā)明創(chuàng)造都是從大自然獲得靈感的。仿生機器人就是人類在探索自然界生物的基礎(chǔ)上抽象創(chuàng)新的成果。每當筆者在課堂上向?qū)W生播放谷歌公司仿生機器人視頻時，學(xué)生無不感嘆這些栩栩如生的機器人的奇妙。

仿生機器人綜合了信息技術(shù)、人工智能、控制論、自動化等多門學(xué)科知識，能否引入課程培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維呢？對此，筆者開始了虛擬仿生機器人的教學(xué)實踐。所用的教學(xué)平臺是蘿卜圈虛擬仿真平臺，借助此平臺學(xué)生可以隨心所欲利用結(jié)構(gòu)積木、伺服電機、感應(yīng)器等虛擬元件搭建機器人并為其編程。目學(xué)習(xí)的內(nèi)容是仿生機器人運動，機器人的形態(tài)可以是兩足人形、四足動物、六足昆蟲等。自然界中不同的動物的行進方式各具特長，點亮了學(xué)生的創(chuàng)造靈感。首先，學(xué)生分組合作走進大自然或從動物記錄片中觀察各種動物，在了解動物腿部運動數(shù)理規(guī)律的基礎(chǔ)上進行抽象和建模，如四足動物的對角線式行進方式、六足動物的三角形行進方式。接著，設(shè)計機器人外形，編寫運動程序，反復(fù)調(diào)試，經(jīng)歷從認知到創(chuàng)新的過程。選擇某一個科學(xué)研究領(lǐng)域，利用現(xiàn)有條件為學(xué)生創(chuàng)設(shè)符合他們當前認知水平的學(xué)習(xí)平臺，勢必會激發(fā)一些學(xué)生在該領(lǐng)域的興趣和學(xué)習(xí)追求，他們會自主進行更深的探索，或者將思維方法遷移到其他領(lǐng)域?？茖W(xué)精神是持續(xù)創(chuàng)新的支撐，在學(xué)生心中播下探索和創(chuàng)新的種子，隨著學(xué)生的學(xué)習(xí)成長，具有現(xiàn)實意義的創(chuàng)新成果可能由他們創(chuàng)造