课堂教学策略对科学创造力的影响

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【摘要】以广东省两所普通高中的学生为调查对象，采用《青少年科学创造力测验》和《中学课堂教学策略感知量表》，测量中学生的科学创造力水平、教师的课堂教学策略实效以及课堂教学策略对中学生科学创造力的影响情况，研究发现，中学课堂教学策略中的教学动机策略维度和教学方法策略维度能够正向预测学生的科学创造力水平。为了优化课堂教学策略，促进学生科学创造力的发展，教师可以通过教学动机策略维持学生认知与情感的开放性、制造学生情感与认知的冲突；通过教学方法策略引导学生从多个角度发现和解决问题、训练学生复杂的思维过程和想象力、提升学生解决真实问题的能力。

【关键词】课堂教学策略；科学创造力；教学动机；科学教育

一、引言

为了提高我国的科技竞争力，《国家中长期人才发展规划纲要（2010—2020年）》指出，未来人才队伍建设的主要任务应“突出培养造就创新型科技人才”[1]。科学创造力作为创新型科技人才的关键能力，其核心是科学创造性思维。[2]青少年是创新人才成长的关键阶段，胡卫平将青少年科学创造力定义为：青少年根据一定目的，运用已知信息，产生出某种新颖、独特、有社会价值的产品的能力或特性。[3]研究表明，我国青少年的创新素质不高，有些方面如创造性产品设计能力、创造性学习动机、创造性学习行为、创造性人格还有下降的趋势。[4]为此，研究者们围绕科学创造力展开了大量研究，分析了科学创造力的各种影响因素和培养策略。中小学阶段是学生求知欲和好奇心最为旺盛的时期，也是培养科学创造力的起点。20世纪50年代以来，国际上培养青少年科技创新素质主要有4种模式：教学创新模式、课程创新模式、联合培养模式、教师发展模式。其中，教学创新是科技创新素质培养的主渠道。[5]目前，我国中小学生主要通过学校课堂学习自然科学知识，因此课堂教学是培养学生科学创造力的重要途径。有研究表明，学校的规章制度、师生关系、教学策略、同伴关系、课堂气氛、课外活动、硬件设施及自然条件与学生的科学创造力都呈现显著的正相关。[6]但由于该研究探讨的因素较多，并没有就课堂教学策略与科学创造力的关系展开深入讨论，目前还缺少相关的实证研究。哪些策略可以有效促进学生发展科学创造力，这是一个值得深入探讨的问题。为此，本研究采用《青少年科学创造力测验》和《中学课堂教学策略感知量表》，测量中学生的科学创造力水平与教师的课堂教学策略实效，研究课堂教学策略对中学生科学创造力的影响，并根据研究结果为优化课堂教学策略提出相应的建议。

二、研究对象与方法

1.研究对象。从广州市、东莞市各选取一所省级示范性普通高中，每所学校随机选择高一年级3个班的学生作为调查对象。发放问卷250份，其中，A学校133人，B学校108人；男生97人，女生144人。回收有效问卷241份，有效回收率为96.4%。2.研究方法。（1）《中学课堂教学策略感知量表》《中学课堂教学策略感知量表》是参考孟迎芳编制的《中学教师教学策略量表》[7]和吴莹莹编制的《中学课堂教学策略感知量表》[8]改编而成的。具体包括3个维度：①动机策略：主要指教师在课堂上如何激发学生的学习兴趣，对学生的反应保持敏感性和批判性；②方法策略：教师在授课过程中具体使用的教学手段，如是否做到新旧知识联系，讲授是否清晰、充满热情、抓住要点，所提问题是否适合学生能力水平、有挑战性，布置的练习是否恰当，是否有助于学生能力的发展等；③指导策略：主要指教师能否协助学生掌握良好的学习策略、学会学习。《中学课堂教学策略感知量表》采用教师自评的方式，将课堂教学策略分为4个维度：管理策略、动机策略、方法策略、指导策略。本研究为加强评价的客观性，将教师的“自评”改为学生的“他评”，将《中学课堂教学策略感知量表》改编成感知量表。因此笔者转换了《中学课堂教学策略感知量表》中相关题项的表述，将“我（教师）是否实施某种教学策略”改为“我（学生）是否感知到某种教学策略”。考虑到教师的管理策略难以直接被学生感知，本研究的感知量表删去了管理策略这一维度，剩余3个维度的界定与原量表一致，题项内容仅转换人称而不改变原意，最终形成《中学课堂教学策略感知量表》。经测量，《中学课堂教学策略感知量表》信度和效度都较好。量表的内部一致性系数为0.931，其中动机策略为0.854，方法策略为0.835，指导策略为0.870；验证性因素分析的模型拟合指标也都符合要求，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）《青少年科学创造力测验》本文使用申继亮、胡卫平、林崇德编制的《青少年科学创造力测验》[9]测查学生的科学创造力水平。该测验在国内被广泛使用，一共包括7道题，每道题表示1个维度，包括物体应用、问题提出、产品改进、科学想象、问题解决、科学实验以及产品设计，详见表1。《青少年科学创造力测验》的所有问题均为开放性问题，每个题目的测试时间为6分钟，从答案的流畅性、灵活性和独创性进行计分。流畅性指有效答案的个数，灵活性指有效答案的类别，独创性指有效答案的新颖性。量与评价使用SPSS22.0进行量表的信度与效度分析、共同方法偏差分析、描述性分析、相关性分析。运用R中的lavaan0.6-2程序包进行测验的验证性因子分析和结构方程模型分析。本文首先对数据进行KMO和Bartlett球形检验，结果显示：KMO值为0.882，Bartlett值为2513.251，df=231，p<0.001，因此该数据适合因素分析。然后采用Harman单因子检验法，结果表明：特征值大于1的因子共3个，第1个因子解释的变异为39.77%，小于临界标准（40%），可见，本研究不存在明显的共同方法偏差问题。

三、研究结果

1.科学创造力的现状分析。从表2可以看出，在科学创造力测试中，物体应用和科学实验两个维度的平均得分较高，这与我国近年来新课改强调培养学生的科学探究能力有关。正确使用器材进行实验成为许多选拔性考试的考查要点，学生在这两个方面加强了训练，相应的能力得到一定提升。但是科学想象和产品改进两个维度的平均得分较低，说明学生在这两方面的能力较弱，值得教师关注。受到考试竞争压力的影响，为了在有限的时间内更快提高学生的考试成绩，中学课堂普遍重视知识传授和解题训练，容易忽视培养学生的科学想象和产品改进能力。采用独立样本t检验探索科学创造力的性别差异，结果表明，男女生在科学创造力的各维度上均存在一定差异，但没有达到显著水平，说明目前我国高中生科学创造力水平不存在显著的性别差异。由表2的标准差可以看到，个体差异较大的维度分别为：物体应用、科学实验及产品设计。其原因是这3道题可供学生自由发挥的空间较大，学生所思所想的个性化程度高，容易造成个体间较大的差异。高中生科学创造力差异较小的维度是产品改进和科学想象，这可能是因为大多学生在课堂教学中未能得到有针对性的训练，学生在这两个方面能想到的内容偏于大众化，创新实践能力有待提升。2.课堂教学策略与科学创造力的相关性分析。对课堂教学策略3个维度的均分和科学创造力的总分进行相关分析。由表3可知，教学动机策略、教学方法策略均与科学创造力存在显著的正相关，而教学指导策略与学生的科学创造力虽然存在正向相关，但并不显著。教学指导策略与学生科学创造力之所以不存在显著相关，是因为教学指导策略的使用往往需要因材施教，教师要给予不同类型学生有差异的指导，从时间上来看，教师的教学指导策略不容易维持连续性和系统性。相比之下，教学动机策略和教学方法策略几乎在每一节课的教学中都被使用，教师对这两种策略的使用非常熟悉，这可能是它们与科学创造力显著相关的原因。3.课堂教学策略与科学创造力的结构方程模型。由表3可知，课堂教学策略中的教学动机策略、教学方法策略与科学创造力存在显著正相关，为了进一步探索教学动机策略和教学方法策略对科学创造力的影响，笔者建立结构方程模型替代多重回归、通径分析、因子分析、协方差分析等方法，清晰分析单项指标对总体的作用和单项指标间的相互关系。结构方程模型是一种建立、估计及检验因果关系的方法。结构方程模型既包含可观测的显在变量，也可能包含无法直接观测的潜在变量。假设教学动机策略和教学方法策略可以正向预测学生的科学创造力，笔者以此建立理论模型，运行R中的lavaan0.6-2程序包，对理论模型进行验证，结果发现该模型是适用的。为了进一步提高模型的拟合度，笔者根据修正指数对模型进行适当修正，得到最终结构方程模型（图1），这进一步验证了教学动机策略、教学方法策略均能正向预测学生的科学创造力。拟合指标显示，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，说明结构方程模型拟合得比较理想。图1中，m1、m2、m3、m4和m5表示的是教学动机策略的测量题目，w2、w3、w4、w5和w6表示的是教学方法策略的测量题目。教学动机与教学方法之间的相关系数为0.46，呈现0.001水平的显著性；教学动机策略指向科学创造力的路径系数为0.22，呈现0.01水平的显著性；教学方法策略指向科学创造力的路径系数为0.40，呈现0.001水平的显著性。

四、启示与建议

培养学生的科学创造力是21世纪永恒的教育话题。由于中学阶段学习任务繁重，学生缺乏时间和精力参加各种科学创造活动和课程，故在课堂教学中潜移默化地发展科学创造力至关重要。本研究表明，教学动机策略和教学方法策略可以显著预测学生的科学创造力，因此，本文结合中学理科课程与教材的要求，从教学动机策略和教学方法策略出发，提出一系列提升学生科学创造力的建议。琼菲格尔（Treffinger）的创造性学习模型（MCL）是比较有影响的创造性教学理论，可以为课堂教学策略的改进提供理论指导。该模型把创造性学习过程分为三级：第一级强调认知与情感的开放性，提倡发现和解决问题的多样性；第二级强调复杂的思维过程、情感与认知的冲突、想象力等；第三级要求学生解决真实的问题，面对现实的挑战。[5]表4为教学动机策略和教学方法策略对应的创造性学习过程层级。1.针对教学动机策略。（1）优化口语姿态，促进学生认知与情感的开放性研究表明，积极情绪状态能够提高创造性科学问题提出能力，尤其表现在流畅性和灵活性品质上，恐惧情绪则对创造性科学问题提出能力有着显著的抑制作用。[10]教师积极的口语姿态其实就是一种隐性的、关注学生内心的评价，是一种可以唤醒学生自主思考的教学艺术。与评价因此，教师需要调整自己的口语和姿态，让学生保持在积极情绪状态之中。比如，增进与学生的目光交流，在提问时用眼神表达疑惑，在鼓励时用目光表达欣喜和肯定；增进与学生的言语交流，通过控制语音、语调的起伏来感染学生。通过友善的、具有一定诱导性的口语姿态与学生建立和谐的师生关系，给学生心理安全和自由，促进学生开放地、创造性地提出自己的问题。值得注意的是，教师的评价既要关注学生的知识掌握情况，也要留意学生的情感和态度。[11]（2）精心设计疑问，激发学生的好奇心在人教版高中物理、化学和生物教材（2019年版）中，每一章节开篇都会抛出一个问题，启发学生思考该节所学的内容，教师可以据此精心设计疑问，激发学生的好奇心。例如，在物理选择性必修3第三章第三节“能量守恒定律”这节课中，教师可先请学生阅读一段材料，并抛出一个问题：玩具“饮水小鸭”[12]（图2）是一架永动机吗？这个精心设计的疑问可以引起学生的认知冲突，因为永动机是制造不出来的，而眼前的小鸭似乎又可以永远地动下去，这不就违反了能量守恒定律吗？它的能量来自哪里呢？这些问题情境能有效地激发学生的好奇心。与此同时，教师可以组织学生进行分组讨论、辩论，不用急于给出答案，以最大限度地激发学生强烈的好奇心。（3）展示创意产品，激发学生的创造动机创造动机是指激发和维持个体的创造性活动，并使创造活动朝向一定目标的内部动力，它是创造力结构的关键因素。[13]教师可以在课堂上展示相关的创意产品，引起学生兴趣，激发他们的创造动机。互联网时代，很多中学生也成为网购大军的成员，他们对网购平台的一些学习和生活用品非常感兴趣。教师可以根据学生的这一心理特点，在课堂上展示各种创意家居“神器”（图3），请学生思考这些产品用到了哪些科学知识和技术，体现了什么创意，自己是否可以借鉴，鼓励学生在日常生活中形成创造的习惯，树立创造改变生活的信念。例如，在学习“摩擦力”这一节内容时，教师可以展示一款洗碗手套，请学生思考手套的材料和形状为什么是这样设计的，是为了达到什么目的，运用了什么科学原理。学生看到手套表面的胶粒会联想到，洗碗需要一定的摩擦力才可以洗干净，而手套所用的材料是塑胶，方便人们用完之后进行清洗，不像抹布一样残留很多污渍。这能引发学生不自觉地反思自己在生活中是否也可以制作一些简单实用的创意产品。2.针对教学方法策略。（1）重视科学探究，提升学生的问题提出与科学实验能力胡卫平在中英青少年科学创造力的比较研究中发现，英国科学教学相比中国更加重视科学探究。[14]科学探究是基于观察和实验提出问题、形成猜想和假设、设计实验与制定方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并做出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力。[15]科学探究的各个环节可以调动学生的发散思维和辐合思维，促进学生发展科学创造力，比如，从多个角度观察、提出不同的问题与猜想、设计有效而新颖的实验方案、做出独特的解释、在讨论交流期间畅所欲言等。除此之外，培养创造性科学问题提出能力也是非常重要的，因为它是发展学生科学创造力的第一步。[16]在科学探究的问题提出环节，教师可以教给学生创造性提出问题的方法，如假如、列举、比较、替代、想象、组合、类推等检查提问法。人教版高中物理、化学和生物教材（2019年版）中有大量的科学探究栏目，有一些是学生必做实验，有一些是选做拓展实验，还有一些是开放性的课题研究，教材只提供情境，研究问题的提出和实验方案的设计都需要学生自主选择与操作，这对学生的发散思维提出了更高的要求。在科学探究的实验方案设计环节，教师可以引导学生做出有别于教材的设计，如利用相应的传感器代替传统的实验器材，将定性实验改为定量实验等。（2）重视学科交叉融合，培养学生的跨学科综合素养一件创意产品的制作，往往需要综合运用多个学科知识，所以培育学科交叉型的科技人才成为我国人才培养的重要目标。学科交叉、理工融合是科学技术发展的趋势，也是科学创造力培养的有效途径。[5]通过学科交叉学习，学生可以在大脑中形成“富有弹性”的知识网络，为发展科学创造力奠定知识基础。[17]人教版生物必修1（2019年版）的“学科交叉”栏目（见表5）将化学“氢原子和氧原子的结构”、物理“比热容相关知识”与生物学科内容进行了跨学科的整合。[18]跨学科知识整合是指学习者从不同学科视角对与主题相关的知识进行创造性地连接，并进行多维度重构的心理过程。跨学科知识整合能使学生突破学科知识定势、实现发散思维和辐合思维的结合，对于提高创造性思维水平具有重要作用。[19]跨学科知识整合的关键在于找到知识整合的焦点，注重学科间的内在联系，进行跨学科问题的设计。[20]比如，在生物学科中，为了理解“水为什么能成为细胞内良好的溶剂？为什么具有支持生命的独特性质呢？”，学生需要了解水分子的原子组成结构，这是化学研究的范畴；还需要理解水的比热容，这是物理研究的范畴。在学科交叉栏目的启发下，教师在备课时应深入挖掘不同学科共通的教学内容和要求，从而设计出有效的跨学科问题。（3）利用重大的科技进展，激发学生的科学想象能力重大的科技进展是激发学生科学想象能力的重要素材。人教版高中理科教材中展示了许多突破性的、令人惊奇的科研成果，如世界上首例体细胞克隆猴[18]、我国自主研制的全球导航卫星系统[21]等素材，能自然地引起学生的联想。但是自发的联想一般是短暂且浅尝辄止的，教师可以在教学中停留更多一些时间，请学生具体想象这些科技进展将给人类社会和生活带来的改变，或者如何进行下一步的科研。这些想象看似天马行空，没有即时的知识收获，却是学生养成科学创造力的灵感来源。（4）利用课外制作等栏目，锻炼学生的物体应用能力为了提高我国中学生的动手能力，人教版高中理科教材在课外制作和“做一做”栏目中提供了丰富的主题。比如，利用废旧物品制作生物膜模型[18]、用手机测自由落体加速度[21]。废旧物品和手机都是生活中常见的物品，学生在家里就可以动手尝试。废品如何重新利用是一个创造性的过程，而手机在平时主要用于通信和娱乐，当学生量与评价发现用手机传感器还可以做实验测自由落体的加速度时，就会意识到生活中常见的物品除了具备常见的功能，还有很多其他可以被创造性利用的功能，而这恰恰是物体应用能力的关键。（5）关注STSE（科学、技术、社会、环境），促进学生的产品设计、产品改进和问题解决能力有关研究表明，科技知识是青少年科学创造力发展的一个必要条件，但它们之间并不成线性关系。随着科技知识量的增加，科技知识对学生科学创造力的影响逐渐减小。与科技知识量的积累相比，对科技知识的深度理解以及在真实情境中的灵活应用对科技创新更为重要。[10]人教版高中理科教材中设置了STSE栏目[21]，就是为了引导学生关注科学、技术、社会与环境以及它们之间的联系，教师可以充分利用这个栏目，触发学生思考当前社会生活中存在的问题以及如何通过“产品的设计与改进”来解决问题。如图4所示，人教版物理教材中的STSE栏目引导学生思考如何解决各种交通工具带来的弊端———污染和城市拥挤，并且提供一些可行的思路，如绿色汽车和立体化交通，学生则需要在已有的基础上进一步思考如何改进绿色汽车。如从能源选用、内燃机效率、废气排放等多个角度思考，提出自己的建议。科学教育应该引导学生关注STSE，提高科学创造力，学生作为非专业人士，所提建议完全可以是粗糙的，只要大胆设想都是值得鼓励的。

作者:蔡全劲 熊建文 罗林毅 张健 单位:华南师范大学物理与电信工程学院