自主實驗教學中學生創新能力的培養研究
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摘 要：培養學生的創新能力是新時期教育教學改革對教師的基本要求，文章分析傳統實驗教學中存在的主要問題，提出了自主實驗學習模式設計、操作原則、培養目標及開展自主實驗教學的實施效果，為自主實驗教學中學生創新能力的培養提供了模式。
關鍵詞：自主實驗;創新能力;模式
作者簡介：劉煜民，廣東省深圳市龍崗區龍城高級中學教師。（廣東 深圳 518172）
中圖分類號：G632 文獻標識碼：A 文章編號：1671-0568（2019）10-0085-03
一、問題的提出
當前，培養學生的創新能力，已成為學校教育的重要目標，創造性地教，教會學生創造，這是對教師的基本要求。物理、化學、生物屬于實驗科學，其知識的形成、規律的探究都依靠實驗，因此，通過實驗教學培養學生的創新能力也就成為學校實施創新教育的重要途徑，但傳統的物理、化學、生物實驗教學模式是教師演、學生看，教師的角色是“演員”，學生的角色是“觀眾”。學生實驗的實驗原理、實驗步驟、數據處理方法，甚至數據記錄表格都是教材或教師設計好的，致使學生對實驗缺失興趣，使實驗教學效率偏低。
從學習內容、研究方法、科學思維、創新方法等角度來看，物理、化學、生物實驗、研究性學習課程、通用技術課程之間存在整合的可能性。為了改變傳統的實驗教學模式，讓學生在實驗探究中迅速提高科學素養和創新能力，并提高研究性學習課程、通用技術課程的教學效果，我們構建了一種新的自主實驗學習模式，以探究學生創新能力培養的新途徑。
二、自主實驗學習模式培養目標
自主實驗學習模式的培養目標是多元的，既有知識目標，又有情感、態度、價值觀目標，更有能力目標。實踐證明，創造性思維是創新能力的核心，中學生創新能力的外在表現為創新學習能力和創新發明能力。其中，創造性思維能力、學科創新學習能力、科學探究能力和創造發明能力是四位一體的，本模式著重從四個方面提高學生的創新能力。
1. 創造性思維能力。創造性思維是相對于常規再現性思維而言的一類高級思維，是人們在已有經驗的基礎上，發現新事物、創造新方法、解決新問題的高級思維過程，它注重發散和求異，本模式重點關注學生創造性思維的流暢性、靈活性、獨創性和精密性。
2. 創新學習能力。創新學習是指學生在教師的指導下，不迷信書本上的知識，而是在已有知識的基礎上，結合實際，獨立思考，組合加工，大膽探索，積極提出一些新思想、新方法。創新學習的主要特征是質疑、聯想、遷移、變通、組合和標新。
3. 科學探究能力。通過開展實驗探究活動，反思學科學習中的實驗缺陷，將實驗探究的知識科學化、理論化和系統化，提高實驗設計、操作和評價能力，在此基礎上開展專利發明的探索。
4. 創造發明能力。創造發明能力是創造力的具體體現，創造發明能力的高低可用創新成果的數量和質量衡量。本模式注重學生創造發明作品的新奇性、適用性和突破性，利用上述標準對學生的創新設計和創新成果（實物作品、創意作品）進行評價和引導，進而提高其創造、發明能力。
三、自主實驗學習模式設計
自主實驗學習是指在多學科教師指導下，學生自主發現、自主設計、評價、操作、總結、反思和拓展的實驗形式，它對學生的綜合素質有較高要求。自主實驗包括演示實驗、學生實驗、創新探究實驗和教具發明等內容。
1. 自主實驗學習模式相關素質的跨學科培養。
?。?）創新思維、創新方法的訓練與滲透。實驗探究過程是一個創新的過程，為了保證學生在實驗探索的過程中創造性地提出、分析和解決問題，加強創新思維和創新方法的訓練尤為必要。創新思維和創新方法有許多，本模式中重點強化的創新思維和創新方法有：發散思維、聯想思維、直覺思維、求異思維和例舉法、組合法、頭腦風暴法、信息交合法、類比移植法、檢核表法、價值分析法等。
?。?）實驗基本方法學習。是指對科學研究過程、實驗設計思路（包括實驗目的和內容的確定、實驗原理的選擇、實驗變量的分析界定和控制方法，實驗過程設計、實驗器材的確定方法）、實驗數據的記錄、處理等知識技能的系統學習和訓練，這是自主實驗科學性、有效性和教育發展性的重要保障。
上述相關素質的訓練和培養在研究性學習和通用技術課程中開展，一般采用任務式教學法。例如，通過開發一種新飲料來學習信息交合法和商品概念法，通過伽利略理想斜面實驗演示器、氯氣制取與性質實驗的改進的發明活動學習例舉法、價值分析法和頭腦風暴法，通過影響化學反應速率因素的實驗研究、關于鉬是否是玉米生長所必需的元素的實驗研究、二氧化硫性質探究學習實驗設計和變量控制方法等。
2. 自主實驗學習模式的操作流程。
操作流程說明：自主實驗以課題組形式開展，每次任務都由課題組成員共同完成，因而要求課題組成員合理分工、科學組織探究。
（1）目標呈現。學生提出或教師提供實驗目標、實驗內容或問題背景。其中，演示實驗、學生實驗由教師課前提供實驗目標和實驗內容;創新探究實驗由學生自己提出或教師課前提供實驗目標和實驗內容;教具發明由學生自己提出或教師提供設計問題。
?。?）背景學習。課題組成員共同學習與實驗目標、實驗內容相關的知識，了解現有的相關儀器設備及藥品特點等，其中，對于教具發明類課題還要求進行技術創新。
（3）自主設計。選擇實驗原理、確定實驗條件控制方法、設計實驗程序、確定實驗用品、明確實驗結果的呈現、記錄和處理方式等。要求以頭腦風暴會的方式產生多個設計方案，通過綜合比較、評價，優選1～3個實驗方案參與互動評價。教具設計是利用創新思維和創新技法解決實際問題進行創造發明的過程。教具設計活動包括對已有教具的改進、設計新教具演示學科中的某一規律或原理及由此引發的其他創造發明活動。 ?。?）互動評價。一般分三種評價方式。①相關教師評價：每個課題組的實驗設計方案（1～3個）上交給相關任課教師，由該教師評價并提出改進意見，直到科學合理為止。②課題組互評：由相關任課教師調配，課題組之間互評。③利用研究性學習和通用技術課互評：每個課題組選擇最佳實驗設計方案參與課堂互評，互評以頭腦風暴會的方式在研究性學習和通用技術課中開展，程序為：陳述→互問→優化。優化后的實驗設計方案交給相關教師，再由該教師評價并提出改進意見，直到科學合理為止。對于教具發明，優化后的設計方案交給研究性學習課和通用技術課教師，再由該教師評價并提出改進意見，直到科學合理為止。
?。?）自主操作。演示實驗改為學生演示：該學科教師從學生的實驗設計方案中選擇最佳設計，課堂上由該課題組派代表上臺演示;學生實驗按每個課題組的最佳實驗設計方案在實驗課時自主實驗;創新探究實驗按每個課題組的最佳實驗設計方案在社團課時自主實驗;教具發明由研究性學習和通用技術教師指導完成模型的制作。
（6）總結反思。對實驗數據進行科學處理，對實驗過程進行反思和評價，撰寫實驗報告和工作報告。筆者認為，教具模型由研究性學習、通用技術教師和相關學科教師指導完成技術試驗和技術革新。
?。?）拓展延伸。由該實驗引發相關的問題。開展問題拓展頭腦風暴會和衍生問題展。
四、自主實驗學習模式的操作原則
1. 自主原則。實驗教學中要構建民主、和諧的師生關系，尊重學生的主體性，強調自主設計、自主思考、自主操作;強調獨立、批判和開拓，鼓勵學生發表不同的意見并采用不同的表現方式。
2. 開放原則。開放原則包括如下幾個方面：①內容開放，既有課本中的問題，也有非課本中的問題;既有實際性問題，也有虛擬性問題;既有本學科中的問題，也有其他學科中的問題;②思維開放，強調思維的發散、聯想、遷移、變通、新穎和獨創;③時空開放，強調課內、課外相結合，個人探究與小組合作探究相結合。
3. 延緩評價原則。在實驗教學中，注重相互激勵，教師對學生，學生對學生的設想、意見等不當場進行分析評價，而鼓勵學生開放思維，并善于利用他人的智慧，學會轉化、創新他人的想法。在充分開放思維后，再進行縝密的分析判斷和評價。
4. 動機激勵原則。動機是行為的內驅力，在實驗教學中，教師要鼓勵學生增強成就感，在討論中，在解答問題的過程中，在自我學習中，在實驗設計與操作過程中，在創造發明過程中要體驗到成功的快樂，感受到自身的價值，要創造條件激發學生的學習探究動機。
5. 理論與實踐相結合原則。在實驗教學中，教師既要強調理論的分析探討，也要注重實際操作和應用，要讓學生在實踐中體驗、反思、修正和提升。
五、討論
1. 自主實驗學習模式有效實施的關鍵在于常規化。任何一種教學方法只有變成一種教學常規后才能顯現其效果，自主實驗學習模式改變了學生原有的學習程序和學習方式，思維定式的力量一定會阻礙學生主動改變，因此，教師的引導、激勵與監督就顯得尤為重要。
2. 自主實驗學習模式對學生創新能力的培養效果顯著。自主實驗學習模式為學生提供了廣闊的自我發展機會和發展空間，學生在自我發現、自我設計、自我操作、自我總結和反思中，在激烈、開放的交流討論與評價中激發潛能，發展創造性思維，培養創新意識，優化創新個性，進而提高創新學習能力和創造發明能力。這種教學模式使學生徹底從按部就班的被動學習中解放出來，極大地提高了學生的積極性和主動性。同時，這種教學模式也促使教師打破傳統的千篇一律的教學程式，要求教師在教學中思想開放，大膽創新。
3. 自主實驗學習模式的有效實施能顯著提高學生的創新學習能力。實踐證明，自主實驗學習活動的開展改變了學生現有的學習程序和學習方式，促使學生提前學習、自主學習、合作學習和探究學習，教師的鼓勵、團隊智力激勵式學習和自我表現，調動了學生學習物理、化學、生物的積極性，培養了他們科學的學習方法，發展了創新學習能力，使他們在學習過程中從單一模仿思考問題逐步發展為能從多角度去聯想，較快地提高學科成績，同時，反過來又能促進自主實驗學習。
4. 自主實驗學習模式能促進學生實驗設計能力和動手能力的提高。通過自主實驗學習活動，學生從原來不重視科學實驗到自覺地設計實驗、創作自制教具，開展創新實驗，既豐富了知識，提高了實驗設計能力，又培養了動手能力，使學生終身受益。
5. 以學科學習為載體，開展自主實驗學習，對學生進行科技創新教育具有可行性?？萍紕撔陆逃鳛樗刭|教育的重點，一直為教育界所廣泛關注。本研究提供了一種切實可行的學科科技創新教育途徑：以實驗改進和教具改進為載體，開展創新思維和創新技法訓練，進而將科技創新活動引向其他領域，這種學科科技創新教育活動必將增強學生學科學習興趣和學習能力。
6. 實施自主實驗教學時應盡量拓展學生學習的生長點。為了更好地激發學生的探究積極性和探究時空，實施自主實驗教學時應盡量拓展學生的學習生長點。學校定期舉行科學論壇、科學講座、科學沙龍、論文答辯活動，舉辦小改進、小制作、小發明比賽，對優勝者給予必要的精神和物質獎勵;學校注重“請進來，走出去”，開展各種各樣實踐活動：近年來，學校不間斷地聘請各高校、科研單位的知名專家、教授、學者（如袁隆平、神舟飛船發射的科學家等）來校講演，不定期組織學生到華為、神舟、中興通訊、隆平高科等高新技術企業和科研單位參觀，開闊了學生的視野，激發了學生學習和探究的興趣，這些活動的開展對自主實驗教學起到了積極作用。
創新教育是一項持之以恒的系統工程，它必須與學科教學關聯才具有生命力和可持續性。通過多年的不斷探索，我們取得了一些成績，目前，已開發了幾十項與學科學習有關的發明成果，現有十多項成果已申請國家專利，有多項作品在各級各類創新大賽中獲獎。應該說，上述自主實驗學習模式還有不少探索的空間，我們在后續教學中將不斷改進，共同推進創新教育事業的發展。
參考文獻：
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[2] 葉瑞祥.創新學習能力論[M].天津：天津教育出版社，2004.
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責任編輯 范艷玲
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