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(jì)全球化、文化多樣化、社會(huì)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(huì)這一前瞻性問題上，人文、科學(xué)、創(chuàng)新幾個(gè)關(guān)鍵詞成為許多教育人士討論的焦點(diǎn)。人文情懷是促使一個(gè)人長(zhǎng)久、健康發(fā)展的精神動(dòng)力和精神支撐。一個(gè)具有人文情懷的人，心智是豁達(dá)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。科學(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?guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》樹立了學(xué)生成長(zhǎng)的“標(biāo)桿”，人文底蘊(yùn)、科學(xué)精神、實(shí)踐創(chuàng)新為孩子們指明了成長(zhǎng)的方向。在信息時(shí)代，唯有具有豐厚的人文底蘊(yùn)，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(biāo)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。科學(xué)精神的內(nèi)涵和外延隨著社會(huì)的發(fā)展不斷豐富，其中有一種觀點(diǎn)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(gè)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(yùn)用科學(xué)知識(shí)和技能等方面所形成的價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)、思維方式和行為表現(xiàn)。

科學(xué)精神是探索實(shí)踐的范疇，敢于創(chuàng)新是科學(xué)精神的本質(zhì)要求?？茖W(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(shí)和創(chuàng)新的精神注入到認(rèn)識(shí)世界和改造世界的活動(dòng)中。培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新的素養(yǎng)在求真和求新的目標(biāo)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(shí)踐創(chuàng)新的素養(yǎng)，在學(xué)科教學(xué)上的落腳點(diǎn)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(shí)踐創(chuàng)新的素養(yǎng)，也是對(duì)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(duì)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(jì)在教學(xué)上的結(jié)合

程序設(shè)計(jì)的過程是一個(gè)實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)造的過程。心理學(xué)對(duì)創(chuàng)新思維在解決問題中的活動(dòng)過程做過大量的研究，比較有代表性的是英國(guó)心理學(xué)家華萊士（G.Wallas）所提出的四階段論，即準(zhǔn)備、醞釀、明朗和驗(yàn)證四個(gè)階段。程序設(shè)計(jì)的一般過程是：?jiǎn)栴}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(jìn)，此過程正是華萊士所提的創(chuàng)新思維過程的四個(gè)階段的體現(xiàn)。在程序設(shè)計(jì)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(dòng)，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(jì)過程的思維方式，還凸顯出具有計(jì)算機(jī)科學(xué)特色的一種思維――計(jì)算思維。計(jì)算思維是信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)之一，是運(yùn)用計(jì)算機(jī)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(jì)系統(tǒng)的思維方式。所以，與算法和程序有密切聯(lián)系的計(jì)算思維也是人們認(rèn)識(shí)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(yùn)用創(chuàng)新思維進(jìn)行科學(xué)研究時(shí)，會(huì)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(huì)的過程中帶來的負(fù)面影響。程序設(shè)計(jì)教學(xué)則需要這種科學(xué)精神的滲透。以人類社會(huì)發(fā)展為價(jià)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(jià)值導(dǎo)向的程序?qū)е碌氖怯?jì)算機(jī)病毒泛濫，人們信息安全甚至財(cái)產(chǎn)、生命安全受到威脅。

創(chuàng)設(shè)程序設(shè)計(jì)教學(xué)任務(wù)和學(xué)習(xí)項(xiàng)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(shí)踐研究》的研究，選擇了基于程序設(shè)計(jì)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(jī)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(jì)中，程序就有了獨(dú)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(shí)，啟迪學(xué)生從新的認(rèn)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(shí)，筆者將樂理知識(shí)引入編程。首先，展示一張照片，內(nèi)容為伊拉克一個(gè)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(jì)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(jiǎn)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(shí)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(shí)后的又一創(chuàng)新作品。藝術(shù)課程對(duì)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(duì)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(jì)任務(wù)也讓教學(xué)過程變得溫潤(rùn)，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(jì)中培養(yǎng)創(chuàng)新思維

哈佛大學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的托尼?瓦格納認(rèn)為：“想象力、合作、交流這些特質(zhì)與技能，對(duì)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(shí)期探索世界，還是作為成年人，作為一個(gè)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(dá)，是從‘玩?！某跣拈_始的?！崩肧cratch進(jìn)行游戲教學(xué)是筆者另一方向的實(shí)踐研究。讓學(xué)生理解游戲互動(dòng)內(nèi)部邏輯原理，設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)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(jí)”的教學(xué)策略，在課堂上給出一個(gè)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(duì)個(gè)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(gè)簡(jiǎn)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(dòng)游戲。該作品參加第十七屆全國(guó)電腦制作活動(dòng)創(chuàng)意編程項(xiàng)目評(píng)比還獲得了一等獎(jiǎng)。

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(shí)生活問題情境中，學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)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(shí)問題、敢于質(zhì)疑、勇于提出新方案的思維習(xí)慣。虛擬機(jī)器人是筆者基于程序設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的另一個(gè)教學(xué)載體。虛擬機(jī)器人與實(shí)體機(jī)器人相比，其優(yōu)勢(shì)是容易引入課堂，讓更多學(xué)生參與。當(dāng)前的虛擬機(jī)器人競(jìng)賽項(xiàng)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(jī)器人，采取多種策略完成任務(wù)。競(jìng)賽項(xiàng)目并不適合直接在課堂上開展，因?yàn)槠淙蝿?wù)量多，學(xué)習(xí)周期較長(zhǎng)。為避免這個(gè)問題，筆者利用虛擬仿真平臺(tái)的場(chǎng)景制作功能，將現(xiàn)實(shí)生活中的問題引入課堂，設(shè)計(jì)更有針對(duì)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(bào)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(gè)電梯運(yùn)行的模型，基于這個(gè)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(cè)電梯踏板是否崩塌，如果是，則自動(dòng)停止電梯運(yùn)行。進(jìn)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(shí)驗(yàn)中。在此活動(dòng)中同時(shí)傳遞給學(xué)生一種價(jià)值觀：思慮周全、精益求精的創(chuàng)新成果能為社會(huì)帶來更多的福利，急功近利則可能造成嚴(yán)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(jìn)步離不開對(duì)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(jī)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(dāng)筆者在課堂上向?qū)W生播放谷歌公司仿生機(jī)器人視頻時(shí)，學(xué)生無不感嘆這些栩栩如生的機(jī)器人的奇妙。

仿生機(jī)器人綜合了信息技術(shù)、人工智能、控制論、自動(dòng)化等多門學(xué)科知識(shí)，能否引入課程培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維呢？對(duì)此，筆者開始了虛擬仿生機(jī)器人的教學(xué)實(shí)踐。所用的教學(xué)平臺(tái)是蘿卜圈虛擬仿真平臺(tái)，借助此平臺(tái)學(xué)生可以隨心所欲利用結(jié)構(gòu)積木、伺服電機(jī)、感應(yīng)器等虛擬元件搭建機(jī)器人并為其編程。目學(xué)習(xí)的內(nèi)容是仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人的形態(tài)可以是兩足人形、四足動(dòng)物、六足昆蟲等。自然界中不同的動(dòng)物的行進(jìn)方式各具特長(zhǎng)，點(diǎn)亮了學(xué)生的創(chuàng)造靈感。首先，學(xué)生分組合作走進(jìn)大自然或從動(dòng)物記錄片中觀察各種動(dòng)物，在了解動(dòng)物腿部運(yùn)動(dòng)數(shù)理規(guī)律的基礎(chǔ)上進(jìn)行抽象和建模，如四足動(dòng)物的對(duì)角線式行進(jìn)方式、六足動(dòng)物的三角形行進(jìn)方式。接著，設(shè)計(jì)機(jī)器人外形，編寫運(yùn)動(dòng)程序，反復(fù)調(diào)試，經(jīng)歷從認(rèn)知到創(chuàng)新的過程。選擇某一個(gè)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(dāng)前認(rèn)知水平的學(xué)習(xí)平臺(tái)，勢(shì)必會(huì)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(huì)自主進(jìn)行更深的探索，或者將思維方法遷移到其他領(lǐng)域。科學(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(zhǎng)，具有現(xiàn)實(shí)意義的創(chuàng)新成果可能由他們創(chuàng)造