課堂教學策略對科學創造力的影響

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【摘要】以廣東省兩所普通高中的學生為調查對象，采用《青少年科學創造力測驗》和《中學課堂教學策略感知量表》，測量中學生的科學創造力水平、教師的課堂教學策略實效以及課堂教學策略對中學生科學創造力的影響情況，研究發現，中學課堂教學策略中的教學動機策略維度和教學方法策略維度能夠正向預測學生的科學創造力水平。為了優化課堂教學策略，促進學生科學創造力的發展，教師可以通過教學動機策略維持學生認知與情感的開放性、制造學生情感與認知的沖突；通過教學方法策略引導學生從多個角度發現和解決問題、訓練學生復雜的思維過程和想象力、提升學生解決真實問題的能力。

【關鍵詞】課堂教學策略；科學創造力；教學動機；科學教育

一、引言

為了提高我國的科技競爭力，《國家中長期人才發展規劃綱要（2010—2020年）》指出，未來人才隊伍建設的主要任務應“突出培養造就創新型科技人才”[1]。科學創造力作為創新型科技人才的關鍵能力，其核心是科學創造性思維。[2]青少年是創新人才成長的關鍵階段，胡衛平將青少年科學創造力定義為：青少年根據一定目的，運用已知信息，產生出某種新穎、獨特、有社會價值的產品的能力或特性。[3]研究表明，我國青少年的創新素質不高，有些方面如創造性產品設計能力、創造性學習動機、創造性學習行為、創造性人格還有下降的趨勢。[4]為此，研究者們圍繞科學創造力展開了大量研究，分析了科學創造力的各種影響因素和培養策略。中小學階段是學生求知欲和好奇心最為旺盛的時期，也是培養科學創造力的起點。20世紀50年代以來，國際上培養青少年科技創新素質主要有4種模式：教學創新模式、課程創新模式、聯合培養模式、教師發展模式。其中，教學創新是科技創新素質培養的主渠道。[5]目前，我國中小學生主要通過學校課堂學習自然科學知識，因此課堂教學是培養學生科學創造力的重要途徑。有研究表明，學校的規章制度、師生關系、教學策略、同伴關系、課堂氣氛、課外活動、硬件設施及自然條件與學生的科學創造力都呈現顯著的正相關。[6]但由于該研究探討的因素較多，并沒有就課堂教學策略與科學創造力的關系展開深入討論，目前還缺少相關的實證研究。哪些策略可以有效促進學生發展科學創造力，這是一個值得深入探討的問題。為此，本研究采用《青少年科學創造力測驗》和《中學課堂教學策略感知量表》，測量中學生的科學創造力水平與教師的課堂教學策略實效，研究課堂教學策略對中學生科學創造力的影響，并根據研究結果為優化課堂教學策略提出相應的建議。

二、研究對象與方法

1.研究對象。從廣州市、東莞市各選取一所省級示范性普通高中，每所學校隨機選擇高一年級3個班的學生作為調查對象。發放問卷250份，其中，A學校133人，B學校108人；男生97人，女生144人。回收有效問卷241份，有效回收率為96.4%。2.研究方法。（1）《中學課堂教學策略感知量表》《中學課堂教學策略感知量表》是參考孟迎芳編制的《中學教師教學策略量表》[7]和吳瑩瑩編制的《中學課堂教學策略感知量表》[8]改編而成的。具體包括3個維度：①動機策略：主要指教師在課堂上如何激發學生的學習興趣，對學生的反應保持敏感性和批判性；②方法策略：教師在授課過程中具體使用的教學手段，如是否做到新舊知識聯系，講授是否清晰、充滿熱情、抓住要點，所提問題是否適合學生能力水平、有挑戰性，布置的練習是否恰當，是否有助于學生能力的發展等；③指導策略：主要指教師能否協助學生掌握良好的學習策略、學會學習。《中學課堂教學策略感知量表》采用教師自評的方式，將課堂教學策略分為4個維度：管理策略、動機策略、方法策略、指導策略。本研究為加強評價的客觀性，將教師的“自評”改為學生的“他評”，將《中學課堂教學策略感知量表》改編成感知量表。因此筆者轉換了《中學課堂教學策略感知量表》中相關題項的表述，將“我（教師）是否實施某種教學策略”改為“我（學生）是否感知到某種教學策略”。考慮到教師的管理策略難以直接被學生感知，本研究的感知量表刪去了管理策略這一維度，剩余3個維度的界定與原量表一致，題項內容僅轉換人稱而不改變原意，最終形成《中學課堂教學策略感知量表》。經測量，《中學課堂教學策略感知量表》信度和效度都較好。量表的內部一致性系數為0.931，其中動機策略為0.854，方法策略為0.835，指導策略為0.870；驗證性因素分析的模型擬合指標也都符合要求，x2/df=2.557<3，RMSEA=0.066<0.08，SRMR=0.039<0.05，CFI=0.954>0.90，TLI=0.945>0.90。（2）《青少年科學創造力測驗》本文使用申繼亮、胡衛平、林崇德編制的《青少年科學創造力測驗》[9]測查學生的科學創造力水平。該測驗在國內被廣泛使用，一共包括7道題，每道題表示1個維度，包括物體應用、問題提出、產品改進、科學想象、問題解決、科學實驗以及產品設計，詳見表1。《青少年科學創造力測驗》的所有問題均為開放性問題，每個題目的測試時間為6分鐘，從答案的流暢性、靈活性和獨創性進行計分。流暢性指有效答案的個數，靈活性指有效答案的類別，獨創性指有效答案的新穎性。量與評價使用SPSS22.0進行量表的信度與效度分析、共同方法偏差分析、描述性分析、相關性分析。運用R中的lavaan0.6-2程序包進行測驗的驗證性因子分析和結構方程模型分析。本文首先對數據進行KMO和Bartlett球形檢驗，結果顯示：KMO值為0.882，Bartlett值為2513.251，df=231，p<0.001，因此該數據適合因素分析。然后采用Harman單因子檢驗法，結果表明：特征值大于1的因子共3個，第1個因子解釋的變異為39.77%，小于臨界標準（40%），可見，本研究不存在明顯的共同方法偏差問題。

三、研究結果

1.科學創造力的現狀分析。從表2可以看出，在科學創造力測試中，物體應用和科學實驗兩個維度的平均得分較高，這與我國近年來新課改強調培養學生的科學探究能力有關。正確使用器材進行實驗成為許多選拔性考試的考查要點，學生在這兩個方面加強了訓練，相應的能力得到一定提升。但是科學想象和產品改進兩個維度的平均得分較低，說明學生在這兩方面的能力較弱，值得教師關注。受到考試競爭壓力的影響，為了在有限的時間內更快提高學生的考試成績，中學課堂普遍重視知識傳授和解題訓練，容易忽視培養學生的科學想象和產品改進能力。采用獨立樣本t檢驗探索科學創造力的性別差異，結果表明，男女生在科學創造力的各維度上均存在一定差異，但沒有達到顯著水平，說明目前我國高中生科學創造力水平不存在顯著的性別差異。由表2的標準差可以看到，個體差異較大的維度分別為：物體應用、科學實驗及產品設計。其原因是這3道題可供學生自由發揮的空間較大，學生所思所想的個性化程度高，容易造成個體間較大的差異。高中生科學創造力差異較小的維度是產品改進和科學想象，這可能是因為大多學生在課堂教學中未能得到有針對性的訓練，學生在這兩個方面能想到的內容偏于大眾化，創新實踐能力有待提升。2.課堂教學策略與科學創造力的相關性分析。對課堂教學策略3個維度的均分和科學創造力的總分進行相關分析。由表3可知，教學動機策略、教學方法策略均與科學創造力存在顯著的正相關，而教學指導策略與學生的科學創造力雖然存在正向相關，但并不顯著。教學指導策略與學生科學創造力之所以不存在顯著相關，是因為教學指導策略的使用往往需要因材施教，教師要給予不同類型學生有差異的指導，從時間上來看，教師的教學指導策略不容易維持連續性和系統性。相比之下，教學動機策略和教學方法策略幾乎在每一節課的教學中都被使用，教師對這兩種策略的使用非常熟悉，這可能是它們與科學創造力顯著相關的原因。3.課堂教學策略與科學創造力的結構方程模型。由表3可知，課堂教學策略中的教學動機策略、教學方法策略與科學創造力存在顯著正相關，為了進一步探索教學動機策略和教學方法策略對科學創造力的影響，筆者建立結構方程模型替代多重回歸、通徑分析、因子分析、協方差分析等方法，清晰分析單項指標對總體的作用和單項指標間的相互關系。結構方程模型是一種建立、估計及檢驗因果關系的方法。結構方程模型既包含可觀測的顯在變量，也可能包含無法直接觀測的潛在變量。假設教學動機策略和教學方法策略可以正向預測學生的科學創造力，筆者以此建立理論模型，運行R中的lavaan0.6-2程序包，對理論模型進行驗證，結果發現該模型是適用的。為了進一步提高模型的擬合度，筆者根據修正指數對模型進行適當修正，得到最終結構方程模型（圖1），這進一步驗證了教學動機策略、教學方法策略均能正向預測學生的科學創造力。擬合指標顯示，x2/df=2.777<3，RMSEA=0.070<0.08，SRMR=0.066<0.08，CFI=0.921>0.90，TLI=0.907>0.90，說明結構方程模型擬合得比較理想。圖1中，m1、m2、m3、m4和m5表示的是教學動機策略的測量題目，w2、w3、w4、w5和w6表示的是教學方法策略的測量題目。教學動機與教學方法之間的相關系數為0.46，呈現0.001水平的顯著性；教學動機策略指向科學創造力的路徑系數為0.22，呈現0.01水平的顯著性；教學方法策略指向科學創造力的路徑系數為0.40，呈現0.001水平的顯著性。

四、啟示與建議

培養學生的科學創造力是21世紀永恒的教育話題。由于中學階段學習任務繁重，學生缺乏時間和精力參加各種科學創造活動和課程，故在課堂教學中潛移默化地發展科學創造力至關重要。本研究表明，教學動機策略和教學方法策略可以顯著預測學生的科學創造力，因此，本文結合中學理科課程與教材的要求，從教學動機策略和教學方法策略出發，提出一系列提升學生科學創造力的建議。瓊菲格爾（Treffinger）的創造性學習模型（MCL）是比較有影響的創造性教學理論，可以為課堂教學策略的改進提供理論指導。該模型把創造性學習過程分為三級：第一級強調認知與情感的開放性，提倡發現和解決問題的多樣性；第二級強調復雜的思維過程、情感與認知的沖突、想象力等；第三級要求學生解決真實的問題，面對現實的挑戰。[5]表4為教學動機策略和教學方法策略對應的創造性學習過程層級。1.針對教學動機策略。（1）優化口語姿態，促進學生認知與情感的開放性研究表明，積極情緒狀態能夠提高創造性科學問題提出能力，尤其表現在流暢性和靈活性品質上，恐懼情緒則對創造性科學問題提出能力有著顯著的抑制作用。[10]教師積極的口語姿態其實就是一種隱性的、關注學生內心的評價，是一種可以喚醒學生自主思考的教學藝術。與評價因此，教師需要調整自己的口語和姿態，讓學生保持在積極情緒狀態之中。比如，增進與學生的目光交流，在提問時用眼神表達疑惑，在鼓勵時用目光表達欣喜和肯定；增進與學生的言語交流，通過控制語音、語調的起伏來感染學生。通過友善的、具有一定誘導性的口語姿態與學生建立和諧的師生關系，給學生心理安全和自由，促進學生開放地、創造性地提出自己的問題。值得注意的是，教師的評價既要關注學生的知識掌握情況，也要留意學生的情感和態度。[11]（2）精心設計疑問，激發學生的好奇心在人教版高中物理、化學和生物教材（2019年版）中，每一章節開篇都會拋出一個問題，啟發學生思考該節所學的內容，教師可以據此精心設計疑問，激發學生的好奇心。例如，在物理選擇性必修3第三章第三節“能量守恒定律”這節課中，教師可先請學生閱讀一段材料，并拋出一個問題：玩具“飲水小鴨”[12]（圖2）是一架永動機嗎？這個精心設計的疑問可以引起學生的認知沖突，因為永動機是制造不出來的，而眼前的小鴨似乎又可以永遠地動下去，這不就違反了能量守恒定律嗎？它的能量來自哪里呢？這些問題情境能有效地激發學生的好奇心。與此同時，教師可以組織學生進行分組討論、辯論，不用急于給出答案，以最大限度地激發學生強烈的好奇心。（3）展示創意產品，激發學生的創造動機創造動機是指激發和維持個體的創造性活動，并使創造活動朝向一定目標的內部動力，它是創造力結構的關鍵因素。[13]教師可以在課堂上展示相關的創意產品，引起學生興趣，激發他們的創造動機。互聯網時代，很多中學生也成為網購大軍的成員，他們對網購平臺的一些學習和生活用品非常感興趣。教師可以根據學生的這一心理特點，在課堂上展示各種創意家居“神器”（圖3），請學生思考這些產品用到了哪些科學知識和技術，體現了什么創意，自己是否可以借鑒，鼓勵學生在日常生活中形成創造的習慣，樹立創造改變生活的信念。例如，在學習“摩擦力”這一節內容時，教師可以展示一款洗碗手套，請學生思考手套的材料和形狀為什么是這樣設計的，是為了達到什么目的，運用了什么科學原理。學生看到手套表面的膠粒會聯想到，洗碗需要一定的摩擦力才可以洗干凈，而手套所用的材料是塑膠，方便人們用完之后進行清洗，不像抹布一樣殘留很多污漬。這能引發學生不自覺地反思自己在生活中是否也可以制作一些簡單實用的創意產品。2.針對教學方法策略。（1）重視科學探究，提升學生的問題提出與科學實驗能力胡衛平在中英青少年科學創造力的比較研究中發現，英國科學教學相比中國更加重視科學探究。[14]科學探究是基于觀察和實驗提出問題、形成猜想和假設、設計實驗與制定方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并做出解釋，以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力。[15]科學探究的各個環節可以調動學生的發散思維和輻合思維，促進學生發展科學創造力，比如，從多個角度觀察、提出不同的問題與猜想、設計有效而新穎的實驗方案、做出獨特的解釋、在討論交流期間暢所欲言等。除此之外，培養創造性科學問題提出能力也是非常重要的，因為它是發展學生科學創造力的第一步。[16]在科學探究的問題提出環節，教師可以教給學生創造性提出問題的方法，如假如、列舉、比較、替代、想象、組合、類推等檢查提問法。人教版高中物理、化學和生物教材（2019年版）中有大量的科學探究欄目，有一些是學生必做實驗，有一些是選做拓展實驗，還有一些是開放性的課題研究，教材只提供情境，研究問題的提出和實驗方案的設計都需要學生自主選擇與操作，這對學生的發散思維提出了更高的要求。在科學探究的實驗方案設計環節，教師可以引導學生做出有別于教材的設計，如利用相應的傳感器代替傳統的實驗器材，將定性實驗改為定量實驗等。（2）重視學科交叉融合，培養學生的跨學科綜合素養一件創意產品的制作，往往需要綜合運用多個學科知識，所以培育學科交叉型的科技人才成為我國人才培養的重要目標。學科交叉、理工融合是科學技術發展的趨勢，也是科學創造力培養的有效途徑。[5]通過學科交叉學習，學生可以在大腦中形成“富有彈性”的知識網絡，為發展科學創造力奠定知識基礎。[17]人教版生物必修1（2019年版）的“學科交叉”欄目（見表5）將化學“氫原子和氧原子的結構”、物理“比熱容相關知識”與生物學科內容進行了跨學科的整合。[18]跨學科知識整合是指學習者從不同學科視角對與主題相關的知識進行創造性地連接，并進行多維度重構的心理過程。跨學科知識整合能使學生突破學科知識定勢、實現發散思維和輻合思維的結合，對于提高創造性思維水平具有重要作用。[19]跨學科知識整合的關鍵在于找到知識整合的焦點，注重學科間的內在聯系，進行跨學科問題的設計。[20]比如，在生物學科中，為了理解“水為什么能成為細胞內良好的溶劑？為什么具有支持生命的獨特性質呢？”，學生需要了解水分子的原子組成結構，這是化學研究的范疇；還需要理解水的比熱容，這是物理研究的范疇。在學科交叉欄目的啟發下，教師在備課時應深入挖掘不同學科共通的教學內容和要求，從而設計出有效的跨學科問題。（3）利用重大的科技進展，激發學生的科學想象能力重大的科技進展是激發學生科學想象能力的重要素材。人教版高中理科教材中展示了許多突破性的、令人驚奇的科研成果，如世界上首例體細胞克隆猴[18]、我國自主研制的全球導航衛星系統[21]等素材，能自然地引起學生的聯想。但是自發的聯想一般是短暫且淺嘗輒止的，教師可以在教學中停留更多一些時間，請學生具體想象這些科技進展將給人類社會和生活帶來的改變，或者如何進行下一步的科研。這些想象看似天馬行空，沒有即時的知識收獲，卻是學生養成科學創造力的靈感來源。（4）利用課外制作等欄目，鍛煉學生的物體應用能力為了提高我國中學生的動手能力，人教版高中理科教材在課外制作和“做一做”欄目中提供了豐富的主題。比如，利用廢舊物品制作生物膜模型[18]、用手機測自由落體加速度[21]。廢舊物品和手機都是生活中常見的物品，學生在家里就可以動手嘗試。廢品如何重新利用是一個創造性的過程，而手機在平時主要用于通信和娛樂，當學生量與評價發現用手機傳感器還可以做實驗測自由落體的加速度時，就會意識到生活中常見的物品除了具備常見的功能，還有很多其他可以被創造性利用的功能，而這恰恰是物體應用能力的關鍵。（5）關注STSE（科學、技術、社會、環境），促進學生的產品設計、產品改進和問題解決能力有關研究表明，科技知識是青少年科學創造力發展的一個必要條件，但它們之間并不成線性關系。隨著科技知識量的增加，科技知識對學生科學創造力的影響逐漸減小。與科技知識量的積累相比，對科技知識的深度理解以及在真實情境中的靈活應用對科技創新更為重要。[10]人教版高中理科教材中設置了STSE欄目[21]，就是為了引導學生關注科學、技術、社會與環境以及它們之間的聯系，教師可以充分利用這個欄目，觸發學生思考當前社會生活中存在的問題以及如何通過“產品的設計與改進”來解決問題。如圖4所示，人教版物理教材中的STSE欄目引導學生思考如何解決各種交通工具帶來的弊端———污染和城市擁擠，并且提供一些可行的思路，如綠色汽車和立體化交通，學生則需要在已有的基礎上進一步思考如何改進綠色汽車。如從能源選用、內燃機效率、廢氣排放等多個角度思考，提出自己的建議。科學教育應該引導學生關注STSE，提高科學創造力，學生作為非專業人士，所提建議完全可以是粗糙的，只要大膽設想都是值得鼓勵的。

作者:蔡全勁 熊建文 羅林毅 張健 單位:華南師范大學物理與電信工程學院