“双新”下背景下骨干培训：从中小学科学教育看学生创新素质培养

“双新”下背景下骨干培训：从中小学科学教育看学生创新素质培养关于创新与创新型人才培养，习近平总书记曾多次发表重要讲话。可以说，培养中小学生的创新素质，是全面贯彻习近平总书记对于创新型人才培养的要求，是落实党和国家人才战略的重大举措与坚实基础。新修订的义务教育科学课程标准也强调培养学生的四大核心素养，即科学观念、科学思维、探究实践、态度责任。这些核心素养都是创新型人才所必备的素养。怎样抓住关键要素，使中小学的科学教育有助于创新型人才的培养，进而选拔并培养出具有创新素养的人才，是当前中国教育面临的一大挑战。一、科学教育面临的困境与挑战基础教育阶段是培养学生创新能力的启蒙阶段，是激发学生的好奇心、培养科学精神和科学创新素质的重要时期。但通过国际比较可以发现，中国学生在创新能力方面有一些困境：一是质疑精神缺乏。我们的学生非常注重知识的接受，但是不敢挑战权威，提不出问题。二是综合应用不够。学生学习过程中知识学习条块化、碎片化情况非常严重，学到的知识不会交叉融合与综合应用。三是动手能力较差。只注重书本理论知识的学习，缺乏实践和动手能力的训练。四是策划意识不强。总是被动地接受安排，缺乏策划意识、主动领导的能力和领袖气质等。这四个问题都和我们的科学教育密切相关，如何在科学教育中使学生摆脱这些困境，是每一位做科学教育的人都要认真思考的问题。二、创新素质的内涵与国际比较那么，究竟什么是创新素质？创新素质是指人在先天遗传素质的基础上，后天通过环境影响和教育所获得的稳定的、在创新活动中必备的基本心理品质与特征。它包含两方面的内容，一是创新思维，二是创新能力。创新思维，是指以新颖独创的方法解决问题的思维过程，能够突破常规思维的界限，以超常规甚至是反常规的方法、视角去思考问题，提出与众不同的解决方案，从而产生新颖的、独到的、有社会意义的思维成果。创新思维又可分为四类：否定型创新思维、差异性创新思维、优化式创新思维和探索式创新思维。对中国学生来说，可能最缺乏的是第一类，即否定型创新思维。与之相联系的就是批判式思维，即能够质疑和提出批判的意识。创新能力，是指在学习活动和各种科学技术实践活动中不断提供具有社会价值、经济价值、科学价值等的新思想、新理论、新方法和新发明的能力。在学习活动中，它表现为基于专业知识学习的一种深化性、探究性及勇于质疑并提出问题的学习能力。在科研实践中，创新能力主要体现在信息加工处理及分析思辨的能力，组织、判断和决策的能力，综合应用知识及实践动手的能力，归纳总结并撰写研究性文章的能力。那么，创新型人才是什么呢？就是能够孕育出新观念，做出新发现和新发明，并能将其付诸实施、取得新成果的人。创新型人才的特点是灵活、开放、好奇、精力充沛、坚持不懈、注意力集中、想象力丰富、不墨守成规、敢于怀疑、善于思考、勇于探索、富于冒险的精神。创新型人才表现为追求创新的意识，发现问题并积极探究的心理取向，善于把握机会的敏锐性，积极改变自己并改变环境的应变能力。这些就是培养创新型人才需要的创新素质。创新能力是可持续发展的需要，也是强国崛起的必经之路。我们要知彼知己，才能够百战百胜。以美国为例，美国的科学教育标准，在人才培养上强调的是创造性、批判性、合作精神。在教学内容上，强调的是实践性的课程、课程的综合化、跨学科课程，以及课程的特色化、个性化。在教学方式上则强调独立思考、大胆实验、不断进取、有所创新，强调学生的主动参与以及学生的研究探索，强调基础知识的全面掌握，特别强调要保护学生的好奇心和想象力，允许质疑和批评，进而挖掘潜力，努力创新。对照美国的科学教育，我们的科学教育到底该怎么做？笔者认为，要提升中国学生的创新素质，尤其是一些关键性的创新素质。其一，质疑精神。不盲从附和，敢于提出问题，能独立和理性地思考，能基于事物的表象和本质判断事物的真伪。其二，综合应用能力。能够在透彻理解大量专业知识的基础上进行交叉融合、提炼升华。其三，动手能力。能够将理论知识应用于实践，学会分析观测，并且能通过实验检验理论。其四，策划意识。具备组织能力或者说领袖气质，能够自己策划一些科研项目，从小培养具有战略科学家的潜质。三、培养创新素质的三个关键点基于上述思考，我们应如何通过科学教育使学生的创新素质得到发展？1.拓展好奇之心“好奇心是科学之母”。孩子的好奇心是与生俱来的，保持和拓展孩子的好奇心，是老师和家长的重要责任。在家庭里，面对孩子提出的问题，家长应尽可能给予解答。家长不懂的要去翻阅资料或从网络上查找。当老师同样如此，要鼓励学生提问题，并且尽量去解答。成功的教学需要的不是强制，而是激发学生强烈的好奇心。好奇心是学习者的第一美德。一个学生有强烈的好奇心，想把问题弄明白，才会慢慢养成创新素质。据了解，科教版小学科学教育一到六年级的教材内容涵盖了物质科学、生命科学、地球与宇宙、能源与环境等。这些内容被分为四个板块——聚焦、探索、研讨、拓展。应该说，我们的《科学》教材内容丰富，编排得当。但为培养学生的创新素质，老师除了把知识讲清楚之外，一定要延伸开来，要鼓励学生去提问题。只有这样学生才能从小就有质疑的精神。另外，还要注重多学科知识的融合应用。老师在讲课过程中要强调学生亲自动手实践，引导学生策划组织课题。也就是我们经常说的，要在“玩中学、问中学、一起学”。这方面，我们可以借鉴美国的科学教育，即STEM教育。在华南师范大学，我们成立了粤港澳大湾区科学教育研究中心，做了一些比较有意义的尝试。我们把中国大陆、中国香港、美国的小学科学课程标准做了一个对比，在此基础上引入STEM课程的设计原则，融入STEM的科学教育理念，对科学课程进行完善和补充，比如培养工程设计意识和技术，应用解决生活问题。另外，我们将科学教育的目标分为知识、探究、态度和能力四种，在知识内容上强调科学、技术、工程、数学的融合，学习方式则包括提问、假设、计划制定、信息收集处理以及总结交流，在学习过程中强调学生要提出问题、亲自动手、综合应用。具体可以通过下面这个案例，来看看它是如何实施的。这是一个跨年级的主题教学案例，它的主题是小飞行员。主题下包含11个项目，涉及天气、风向、飞行原理、飞机模型设计等。这是一个很好地满足孩子好奇心的课程拓展。主题课程分为两个模块。第一个模块是“天气知多少”，第二个模块是STEM实践。在“天气知多少”里包括彩色雨滴瓶、雪花剪纸、遮风挡雨棚、雨量计、天气预报表盘、简易风向标等八个项目。在STEM实践里包含制作降落伞、模拟直升机、飞机模型三个项目。这些项目又和科学课程的内容是相关的，比如说彩色雨滴瓶、雪花剪纸、遮风挡雨棚和一二年级强调的科学核心概念内容相关。雨量计、天气预报表盘、简易风向标是和三四年级的科学核心概念相关联。降落伞、模拟直升机、飞机模型设计又和五六年级的科学核心概念相关联。在这样的基础上，每个项目都是一次动手实践，体现出科学、技术、工程、数学等知识的综合运用。这就是我们在粤港澳大湾区科学教育研究中心正在做的事，我们希望通过这样的研究和尝试，建立适合中国学生的科学教育模式。2.启蒙批判思维教师一定要鼓励学生多问问题，可以培养学生从小问题开始，所谓“小疑则小进”，当他养成这样的思维方式和习惯，学会问问题，才可能在小问题的基础上产生有价值的大问题，甚至将来走上科学研究的道路。我们的科学课程里也有许多敢于质疑、挑战权威的例子。比如小学六年级科学课程里“挑战‘地心说’”的故事。天文学家哥白尼做了大量的观察实验，根据数据分析觉得“地心说”是不对的，从而提出了“日心说”。这就是一种批判性思维。中学课程里也有这样的例子。比如，道尔顿提出，“物质由原子组成，原子不可再分也不可消灭”。卢瑟福提出了怀疑，他通过实验进行检验，用阿尔法粒子轰击一块金箔，观察到阿尔法粒子的大角度反射现象，因此提出原子的核式结构，并获得1908年诺贝尔奖。挑战“理所当然”，更不容易。在粒子物理学里有一个“θ-τ之谜”。面对这一谜题，科学家李政道、杨振宁分析了关于宇称守恒的各种实验资料，发现在弱相互作用领域，宇称守恒定律只是被人为地认为理所当然地成立，并没有任何实验的证据能证明。所以他们提出一个大胆的假设，在弱相互作用中宇称是不守恒的。他们提出这一观点后，另一位科学家吴健雄经过精巧的实验，验证了弱相互作用下的宇称不守恒。正因此，李政道、杨振宁在1957年获得了诺贝尔奖。因为大胆质疑，李政道、杨振宁推翻了人们认为理所当然的结论，推动了物理学的发展。在我们的科学教育中，也要通过正确的启蒙，鼓励学生学会问问题，进而发展学生的批判思维。3.激发探究兴趣兴趣是最好的老师。怎么激发一个学生探究的兴趣呢？在科学教育中，应该通过质疑、策划、综合、动手等实践活动，激发学生去探究新现象、新方法和新发明。例如：小学六年级《科学》里有一个板块是微观世界，讲到光学显微镜，让学生用显微镜观察洋葱皮的结构，了解细胞、细胞核等。实际上除了讲这些内容，还可以激发学生去思考，比这更小的世界是什么样的？会有什么新现象？现在科学技术飞速发展，从光学显微镜发展到电子显微镜、加速器、对撞机。光学显微镜探测的尺度在100纳米左右，电子显微镜可以达到0.2纳米左右。如果用加速器，我们探测的尺度可达到0.1费米。一费米是多少呢？是十的六次方分之一纳米。再到对撞机，我们就可探测0.01到0.001费米的尺度，这就到了非常微观的世界。微观世界有什么特征呢？我们知道原子核里有质子和中子，质子和中子有没有更深层次的结构？这就需要高能量的粒子来轰击质子或中子，看它们里面有没有内部结构。丁肇中和Richter发现了由c（粲）夸克对构成的J/ψ介子，美国物理学家LeonLederman发现b（底）夸克就是用这个方法。由此，还可以进一步激发学生更深层次的问题意识，追问夸克有没有结构？现在我们还不知道。因为要把夸克打开，需要更高的能量，目前的科学技术水平还达不到。所以，老师们在科学课堂上，有很多可以挖掘的素材，用来激发学生探究的兴趣，引领他们去探索无穷无尽的未知世界。再比如，小学三年级《科学》里讲到水。常温下的水是液态，到零度时结成冰，变成固态。把水加热到100℃，它又变成了水蒸气，是气态。这就是我们常说的物质的三种形态。那么，温度进一步升高到一万摄氏度会是什么样？到那时候，水分子不存在了，原子中的电子也电离了，变成了什么呢？是一种由电子和原子核这样的离子所构成的状态，叫作等离子态，这是物质的第四态。假设还能够升温，又会怎样？首先该怎么升温？我们把两个原子核碰撞起来，原子核碰撞时会把巨大的动能变成热能，同时在碰撞的过程中会对原子核产生挤压。在升温的时候，真空中产生很多其他的离子，同时把原子核里的质子、中子口袋都挤压碎了，成为由夸克或胶子所构成的一种物质状态——夸克胶子等离子体。这个温度要到多少呢？相当于太阳中心温度的25万倍。这就是第五种物质形态，也是当前国际科学前沿正在探索和研究的物质新形态。因此，物质除了固态、气态、液态之外，还有等离子态和夸克胶子等离子态。当我们这么来讲物质的形态变化，学生肯定会很有兴趣。我们就是要通过这些