創(chuàng)新思維發(fā)展工具在STEM教育中的應(yīng)用

董黎明，張清利，艾海明，吳慧群

(1．北京開放大學(xué) 科學(xué)技術(shù)學(xué)院；2．北京交通大學(xué)附屬中學(xué)第二分校，北京 100081)

0 引言

隨著我國(guó)教育改革不斷深入，創(chuàng)新人才培養(yǎng)受到教育研究與實(shí)踐者的關(guān)注，創(chuàng)新思維發(fā)展是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的核心[1]。STEM教育是基于科學(xué)探究、技術(shù)制作、工程設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)方法的有機(jī)統(tǒng)一，通過(guò)跨學(xué)科知識(shí)整合解決問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者創(chuàng)新思維，最終實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的創(chuàng)新教育。由于STEM教育具有跨學(xué)科整合性、真實(shí)情境性和工程設(shè)計(jì)性等特性，克服了思維過(guò)程中的思維定勢(shì)和功能固化，通過(guò)發(fā)展學(xué)生的組合想象能力、工程設(shè)計(jì)能力和聯(lián)想意識(shí)等，有效地促進(jìn)了學(xué)習(xí)者創(chuàng)新思維的變通性、流暢性和獨(dú)創(chuàng)性發(fā)展。雖然STEM教育本質(zhì)上對(duì)于培養(yǎng)學(xué)習(xí)者創(chuàng)新思維具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但是我國(guó)教育領(lǐng)域通過(guò)STEM教育發(fā)展學(xué)習(xí)者創(chuàng)新思維處在理論探索階段，STEM教育中學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新思維發(fā)展水平未達(dá)到應(yīng)有的效果，造成這種結(jié)果的原因中，學(xué)習(xí)者缺乏有效的創(chuàng)新思維工具是其重要的一個(gè)原因，STEM教育中往往更多讓學(xué)習(xí)者自由創(chuàng)造，未給學(xué)習(xí)者提供促進(jìn)創(chuàng)造的有效工具，導(dǎo)致學(xué)習(xí)者在創(chuàng)造過(guò)程中停留在無(wú)序的發(fā)散思考上，未能實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新思維的有效發(fā)展。因此，本文從創(chuàng)新思維工具的使用角度研究STEM教育中如何促進(jìn)學(xué)習(xí)者創(chuàng)新思維發(fā)展，以期為相關(guān)研究提供參考。

1 STEM教育與創(chuàng)新思維發(fā)展的關(guān)系

1.1 STEM教育是創(chuàng)新思維發(fā)展的有效途徑

STEM由英文單詞科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering) 和數(shù)學(xué)(Mathematics)的首字母縮寫組成，它重視提升學(xué)習(xí)者真實(shí)問(wèn)題解決能力、強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者跨學(xué)科整合能力和發(fā)展學(xué)習(xí)者創(chuàng)新思維能力[2]。首先，STEM教育通過(guò)整合科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)學(xué)科知識(shí)，跨學(xué)科解決問(wèn)題的過(guò)程提高學(xué)習(xí)者思維的發(fā)散性、克服思維定勢(shì)和功能固著、促進(jìn)知識(shí)的有效遷移和應(yīng)用，發(fā)展學(xué)習(xí)者創(chuàng)新思維；其次， STEM教育強(qiáng)調(diào)師生合作探究式學(xué)習(xí)、工程設(shè)計(jì)的“做中學(xué)”、技術(shù)增強(qiáng)式教育等教學(xué)方式，有助于激發(fā)學(xué)習(xí)者思維的靈活性、發(fā)散性和批判意識(shí)，促進(jìn)創(chuàng)新思維發(fā)展；最后，STEM教育項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，以解決真實(shí)問(wèn)題為起點(diǎn)，通過(guò)工程設(shè)計(jì)進(jìn)行過(guò)程迭代與團(tuán)隊(duì)互動(dòng)，使學(xué)習(xí)者在整合各學(xué)科經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行思考，在團(tuán)隊(duì)互動(dòng)中進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，促進(jìn)學(xué)習(xí)者創(chuàng)新思維發(fā)展。

1.2 創(chuàng)新思維發(fā)展是STEM教育的核心目標(biāo)

STEM教育目標(biāo)是培養(yǎng)新時(shí)代需要的創(chuàng)新人才，創(chuàng)新人才包含創(chuàng)新精神、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力三方面核心要素，創(chuàng)新精神是創(chuàng)新的動(dòng)力和品質(zhì)[3]，創(chuàng)新思維是創(chuàng)新人才的核心[4]，是對(duì)個(gè)人和社會(huì)產(chǎn)生有價(jià)值新思想或新觀念的心理加工過(guò)程，創(chuàng)新能力是創(chuàng)新精神與創(chuàng)新思維的外在行為表現(xiàn)[5]，創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力必須以創(chuàng)新思維作為基礎(chǔ)，離開新思維，創(chuàng)新品質(zhì)將成為空談。因此，創(chuàng)新思維是創(chuàng)新品質(zhì)與創(chuàng)新能力的前提條件和基礎(chǔ)[6]。STEM教育的核心目標(biāo)是學(xué)習(xí)者創(chuàng)新思維的發(fā)展。

2 創(chuàng)新思維發(fā)展工具

在中小學(xué)STEM教育中，學(xué)習(xí)者創(chuàng)新思維發(fā)展水平不理想，一個(gè)重要原因是教育者未給學(xué)習(xí)者提供促進(jìn)學(xué)習(xí)者創(chuàng)新思維發(fā)展的成熟工具，而只是給學(xué)習(xí)者提出要完成的任務(wù)，即只下達(dá)任務(wù)，未提供必要的支持工具[7]。通過(guò)STEM教育實(shí)踐進(jìn)行總結(jié)，成熟的創(chuàng)新思維發(fā)展工具主要包括基于提出問(wèn)題的創(chuàng)新思維發(fā)展工具和基于解決問(wèn)題的創(chuàng)新思維發(fā)展主要工具兩大類，具體內(nèi)容如圖1[8]所示。

圖1 創(chuàng)新思維發(fā)展主要工具

2.1 基于提出問(wèn)題的創(chuàng)新思維發(fā)展工具

本類工具以提出問(wèn)題為中心，圍繞著提出問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者提出獨(dú)特和有價(jià)值的觀點(diǎn)或想法，發(fā)展學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新思維。主要包括抽象階梯工具、六何工具、奧斯本檢核表、和田創(chuàng)新表四類。

(1)抽象階梯工具。針對(duì)具體事件、物體或問(wèn)題情境，通過(guò)提出“為什么？還為什么？ ”和“怎么辦？還怎么辦？”，一直往下追問(wèn)，得到對(duì)于事物、物體或問(wèn)題情境的陳述，提出問(wèn)題，促進(jìn)創(chuàng)思維發(fā)展。

(2)六何法。對(duì)選定的事件、對(duì)象或操作，分別從為什么(Why)、做什么(What)、何人(Who)、何時(shí)(When)、何地(Where)、怎么辦(How)6個(gè)方面來(lái)考察其合理性，通過(guò)對(duì)此提問(wèn), 發(fā)展創(chuàng)新思維能力。

(3)奧斯本檢核表。奧斯本檢核表從能否他用、能否借用、能否改變、能否擴(kuò)大、能否縮小、能否替代、能否調(diào)整、能否顛倒、能否組合9個(gè)方面列出75個(gè)問(wèn)題。把要改進(jìn)的方案或產(chǎn)品確定后，根據(jù)奧斯本檢核表中的問(wèn)題，逐條核對(duì)并進(jìn)行針對(duì)性地討論，產(chǎn)生大量的新觀點(diǎn)，最后對(duì)新觀點(diǎn)進(jìn)行篩查，確定最有價(jià)值的新觀點(diǎn)，通過(guò)這個(gè)過(guò)程促進(jìn)學(xué)習(xí)者創(chuàng)新思維發(fā)展[7]。

(4)和田創(chuàng)新表。在奧斯本檢核表的基礎(chǔ)上，以動(dòng)詞為中心引導(dǎo)逐一進(jìn)行加工，促進(jìn)學(xué)習(xí)者創(chuàng)新思維發(fā)展[8]。

2.2 基于解決問(wèn)題的創(chuàng)新思維發(fā)展工具

本類工具以解決問(wèn)題為中心，圍繞解決問(wèn)題提出獨(dú)特的、有價(jià)值的觀點(diǎn)或想法，發(fā)展學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新思維[10]，主要包括列舉工具、頭腦風(fēng)暴、控制聯(lián)想工具、類比工具、形態(tài)矩陣工具、思維可視化工具六類。

(1)列舉工具。列舉工具主要是為了解決具體的問(wèn)題，針對(duì)事物的特征、屬性等，從邏輯上對(duì)其進(jìn)行分解并羅列出來(lái)，并針對(duì)所列出的項(xiàng)目逐一提出改進(jìn)的方法，最終形成解決問(wèn)題的方案，發(fā)展學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新思維。

(2)頭腦風(fēng)暴。又稱智力激勵(lì)法，以明確問(wèn)題為基礎(chǔ)，以集體(5～10人)自由聯(lián)想為核心, 強(qiáng)調(diào)延遲判斷、自由馳騁、以量求質(zhì)和綜合改善的原則。一般包括準(zhǔn)備、熱身活動(dòng)、明確問(wèn)題、自由暢談和篩選5個(gè)階段。

(3)控制聯(lián)想工具。以解決特定問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，與頭腦風(fēng)暴相反，要求參與者按照既定的方向和目標(biāo)進(jìn)行聯(lián)想，包括強(qiáng)制關(guān)聯(lián)和焦點(diǎn)聯(lián)想2種具體工具。

(4)類比工具。通過(guò)對(duì)2個(gè)對(duì)象之間某些相同或相似點(diǎn)進(jìn)行比較與分析，從而推出這2個(gè)對(duì)象在其它方面可能相同或相似的方法，包括仿生工具與綜攝工具兩種具體工具。

(5)形態(tài)矩陣工具。將事物全部的要素及實(shí)現(xiàn)各要素可能的形態(tài)列出來(lái)，列出的要素和形態(tài)重新組合，形成新穎的方案。

(6)思維可視化工具。將思維和視覺有機(jī)結(jié)合，以圖畫的形式促進(jìn)思維，達(dá)到創(chuàng)造的目的，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新思維發(fā)展。思維可視化工具有曼陀羅工具、思維導(dǎo)圖、魚骨圖、概念圖和流程圖5種[8]。

3 形態(tài)矩陣工具在STEM教育中應(yīng)用

在STEM教育中發(fā)展學(xué)習(xí)者創(chuàng)新思維，需要根據(jù)不同的任務(wù)選擇不同的創(chuàng)新思維工具，本文以形態(tài)矩陣工具為例，論述創(chuàng)新思維工具在STEM教育中的具體應(yīng)用過(guò)程。形態(tài)矩陣工具強(qiáng)調(diào)把看似不相關(guān)的多個(gè)事物或要素有機(jī)地組合,產(chǎn)生創(chuàng)造性的想法或產(chǎn)品。形態(tài)矩陣工具具體操作過(guò)程與STEM教育對(duì)應(yīng)的內(nèi)容如表1所示。

表1 形態(tài)矩陣工具應(yīng)用過(guò)程

4 應(yīng)用實(shí)例

為了更好地描述在STEM教育中如何運(yùn)用形態(tài)矩陣工具促進(jìn)學(xué)習(xí)者創(chuàng)新思維的發(fā)展，本文以“自行車改進(jìn)”為例，論述形態(tài)矩陣工具在STEM教育中的具體應(yīng)用。

4.1 明確問(wèn)題

從1790年法國(guó)伯爵西夫拉克發(fā)明了世界第一輛自行車，自行車已經(jīng)歷了230余年。其中，自行車經(jīng)歷了多輪改進(jìn)，如表2所示。

表2 自行車發(fā)展歷程

20世紀(jì)80年代，自行車已成為中國(guó)人最重要、最青睞的代步工具，中國(guó)也曾被稱作“自行車王國(guó)”。除去老人孩子，幾乎已是“一人一車”，隨著“小黃”“小藍(lán)”“小橙”和“小紅”等共享自行車走俏各大城市，自行車依然是中國(guó)人出行最重要的一種工具。然而，隨著人們對(duì)出行的要求不斷提高，自行車作為基本的出行工具，其不足之處也越來(lái)越受到人們的關(guān)注，如座位舒適性差(缺少腰靠、過(guò)窄等)，車把操控性差，載重能力低等，如何使自行車更好地適合現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展需求，為人們出行提供更舒適的體驗(yàn)，這為本文探討的問(wèn)題確定提供了方向。

4.2 要素分析

自行車基本結(jié)構(gòu)包括車體部分、導(dǎo)向系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)和其它組件。車體部分包括車架、車座等，是自行車的主體，承受人和貨物的重量；導(dǎo)向系統(tǒng)包括車把、前軸、前輪等部件，可以改變行駛方向并保持車身平衡；驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)包括腳蹬、鏈條、后輪等部件，驅(qū)動(dòng)自行車不斷前進(jìn)；制動(dòng)系統(tǒng)由車閘、剎車片等部件組成，使行駛的自行車減速，確保安全。其它組件可根據(jù)需要裝配車燈、變速器、擋泥板等附件，更方便自行車使用。根據(jù)自行車的結(jié)構(gòu)，可以把其歸類于外形、材料、動(dòng)力、制動(dòng)、導(dǎo)向和附件六要素。其中，外形與材料對(duì)應(yīng)于車體部分、動(dòng)力對(duì)應(yīng)于驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)對(duì)應(yīng)于制動(dòng)系統(tǒng)、導(dǎo)向?qū)?yīng)于導(dǎo)向系統(tǒng)、附件對(duì)應(yīng)于其它組件。

4.3 形態(tài)求解

依據(jù)以上六大要素，通過(guò)列舉，如表3所示。

表3 要素形態(tài)求解

4.4 形態(tài)組合

依據(jù)各要素的形態(tài)求解結(jié)果，把所有求解結(jié)果進(jìn)行組合。由于所有組合數(shù)量太多，本文列出5種組合結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明，具體如表4所示。

表4 形態(tài)組合

4.5 方案評(píng)選

由于形態(tài)矩陣工具的應(yīng)用目的是為了促進(jìn)學(xué)習(xí)者創(chuàng)新思維的有效發(fā)展，因此在對(duì)方案的評(píng)選時(shí)，應(yīng)聚焦于創(chuàng)新思維的2個(gè)根本要素，即獨(dú)創(chuàng)性和價(jià)值性，同時(shí)也需要考慮方案是否可行，在方案評(píng)選階段主要從獨(dú)創(chuàng)性、價(jià)值性、可行性3個(gè)方面進(jìn)行，由5位教師分別對(duì)5個(gè)方案進(jìn)行評(píng)分(百分制)，然后求均值。具體如表5所示。

表5 方案評(píng)分

4.6 繪制方案

根據(jù)教師的評(píng)價(jià)，方案2在5個(gè)方案中具有最高評(píng)價(jià)，學(xué)習(xí)者根據(jù)方案2的描述，如圖2所示。

圖2 方案2圖示

5 結(jié)語(yǔ)

本文以學(xué)習(xí)者創(chuàng)新思維發(fā)展為目標(biāo)，以形態(tài)矩陣工具為例論述了創(chuàng)新思維工具在STEM教育中具體應(yīng)用過(guò)程。兩類創(chuàng)新思維工具中每種工具都有其適應(yīng)場(chǎng)景，形態(tài)矩陣工具適應(yīng)于解決問(wèn)題類中創(chuàng)造實(shí)物的場(chǎng)景，對(duì)于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題類的場(chǎng)景具有借鑒意義，但存在一定的差異性，因此研究需要根據(jù)不同的場(chǎng)景研究不同工具的相關(guān)性，以使教育者能根據(jù)不同的場(chǎng)景選擇正確的創(chuàng)新思維發(fā)展工具。任何一種模型或工具在使用過(guò)程中都是一個(gè)迭代的過(guò)程[10]，創(chuàng)新思維發(fā)展工具在STEM教育中應(yīng)用也需要不斷迭代和完善，需要形態(tài)矩陣工具在STEM教育應(yīng)用過(guò)程中不斷改進(jìn)，才能更好地促進(jìn)學(xué)習(xí)者創(chuàng)新思維發(fā)展。