“城市.教育.科普”科技教育国际论坛交流论文·通过智能课培养中学生科学思维能力的研究
第一部分 引言
一、研究背景
时代的发展，社会的进步，是人类不断更新实践内容的结晶，当今世界很多发达的国家之所以能在科技、经济方面占有领先的地位，是由于他们非常注重人才的培养。
现代社会所需要的人才，既要具备广博而深厚的理论知识，更要求具有将理论知识付诸实践的能力。目前的中学教育是学生形成能力的重要时期，科学思维能力在学生的成长过程中具有较强的指导作用，通过思维，人就可以认识那些没有直接作用于人的种种事物，也可预见事物发展、变化的进程。学生学会科学地思维，将使学生在今后的学习和生活中受益。
随着我国的青少年科学普及教育日益受到重视，教育部门的研究工作也围绕着如何培养中学生科学技术素养来开展。在《2001-2005年中国青少年科学技术普及活动指导纲要》的指导下确立了“十五”教科研课题。按照海淀区教委的要求，我校也加入了本课题的研究工作。在研究过程中考虑到科学思维能力对当前中学生整体素质的影响，制定了以科学思维能力为研究课题的研究方向。能力是在大量的实践活动中形成的，所以一个有效的教学平台、一套科学的教学内容以及适合的教学方法和恰当的组织形式是发展学生能力的必要保障。
经过大量的研究和多方面的考察，我们找到了一套适合培养学生科学思维能力的课程内容，开设了校本课程“智能课”。以LEGO机器人为教学平台，通过一系列的教学内容逐渐培养学生如何科学地思考问题、解决问题，如何科学地观察事物并发现新事物，从而锻炼他们的科学思维能力。
二、综述
目前中学培养学生能力一般都是在学科教学内进行的，在教学过程中不容易进行学科领域之间的比较。而实际问题往往是综合性的，因此学生在遇到实际问题时仍然难以解决。另外，在学科教学中，学生实践活动的物质条件和时间都有一定的局限性。
因此培养学生科学思维能力，仅靠渗透式教学是不够的。提倡探究式的教学方式，学生只有在探究式的学习中才能形成科学思维能力。人的各种能力是在社会实践活动中最终形成和发展起来的。虽然，掌握知识对于能力发展是重要的，但越来越多的科学家认识到，个人直接经验的积累在人的能力发展中有着不可替代的重要作用。为了突破目前学生实践活动的局限性，应改善实践的物质条件，更重要的是探索适合于实践活动的课堂教学模式。教师必须要创设适当的教学情境，并且依靠适合的教学平台。学生学习的程度需要及时的反馈，尽量避免技术难度的干扰，造成学生思维上的困扰。不同的教学情境将有利于学生深刻地认识并掌握所学内容。
第二部分 理论基础
一、科学思维能力的定义
科学思维能力是指拥有正确科学思维理念与科学观念，并能够依赖科学概念，正确运用辨证逻辑、形式逻辑、形象思维和直觉思维等诸种方法的思维能力。
二、理论基础
1、能力形成的条件
能力的形成受多方面因素的影响，先天素质、环境和教育的影响、实践的经验以及个人主观努力，都对能力的形成和发展具有不同的作用。先天素质是能力发展的自然基础，决定着能力发展的潜力。学校教育对能力形成和发展所起的作用是系统性的，学生不仅掌握必备的知识和技能，而且能力也不断得到发展。对儿童和青少年来说，发展能力是与系统学习和掌握知识、技能分不开的。人的各种能力是在社会实践活动中最终形成和发展起来的。虽然，掌握知识对于能力发展是重要的，但越来越多的科学家认识到，个人直接经验的积累在人的能力发展中有着不可替代的重要作用。人在多大范围内和多深程度上经历和掌握事物，也就在多大范围内和多大程度上形成对事物的能力，人的最终能力不同，归根结底是由于实践的性质、广度与深度不同造成的。
2、促进能力形成的桥梁
据研究显示，科学方法的迁移是促进学生科学思维能力的有效桥梁。简单地讲，迁移就是一种学习对另一种学习的影响，也就是学生已获得的知识经验、认知结构、动作技能、学习态度、策略和方法等，与新知识、新技能的学习之间所发生的影响。它是指学生将一种情境中习得的知识与技能运用于另一种情境中的能力。
第三部分 在智能课中培养中学生科学思维能力的内容、目标
一、理论内容
确定教学目标和教学内容
1、教学目标
初步理解和掌握课堂教学内容，让学生认识到科学思维能力的重要性。在课堂教学过程中，经过多个实践内容的探索式学习，使学生初步地养成科学的思维习惯，锻炼科学思维能力。在活动过程中，尽量为每一位学生提供表达的机会，让他们的能力在课堂教学中得到展现。以最直接的方式运用实践平台将他们的创造成果固化下来，从而激发学生的创造灵感。在合作式教学的环境中，促进学生之间的相互沟通、相互理解、相互帮助。
2、教学内容
以一系列探究式的课题为主，以硬件教学和软件教学作为基础，展开教学。硬件是指LEGO套材，软件是指ROBOLAB软件。
由于方法是能力的外显，所以通过培养学生使用科学方法来培养科学思维能力。
二、实践内容
教学环境的设置
传统的教学环境利于教师的教学、演示和讲解。而“智能课”是新课程改革中的新型课程，相应的教学环境也有着特殊的要求。特殊的课堂设计以学生为中心、课程为中心的一种座位排列模式，即分组的矩形座位模式。
第四部分 在智能课中培养中学生科学思维能力的原则、方法、途径
一、教学原则
综合性原则
开放性原则
主动性原则
实践性原则
以上四项原则在教育教学中得到了充分的体现，例如在《能源的利用——4秒小车》的活动中，课题融合了物理、环保、数学等多学科知识，体现了活动的综合性原则；本课题要求学生在生活中注意观察和总结，通过大量的实验总结数据，不断改进作品，反映了课题的开放性原则；在活动过程中每个学生都能够主动参与、积极思考、认真实践，充分体现了课题的主动性原则和实践性原则。
又如在《创新之门——奥斯本检核表法》的活动中，学生通过使用社会调查法充分了解社会锻炼了整合信息的能力，体现了该活动的综合性原则和开放性原则；奥斯本检核表法是一种创造发明技法，学生通过主动参与和大量的科学实践，最终实现自己的创新设想，体现了活动中学生作为主体的实践原则。
二、教学方法
合作学习是为了进一步调动所有学生学习的积极性，发挥群体在学习中的作用，并能增强学生的合作和利他行为的一种教学方法。
合作学习的形式多种多样。如按成绩分组、同质分组、小组锦标赛等等，我采取的是异质分组的形式。
三、教学途径
1、“智能课”课堂教学
“智能课”是我校2001年设置的一门新课，它的主要内容是运用一套LEGO教学实验器材培养学生的“科学思维能力”。教学中学生要在学会硬件搭接的基础上，学会编写ROBOLAB软件，用软件控制单板计算机工作，完成各种任务。目前的“智能课”是我校的校本课程，经过了近两年的教学实践，收到了良好的教学效果。在海淀区教委的大力支持和重视下，取得了一些成绩，受到了有关各界的关注。
所谓“智能”有两方面的涵义：一是要通过本课程培养学生的智力和能力；二是这门课使用的是一套高度智能化的教学研究产品。在课堂教学中提出了“五个学会”的教学指导思想，即学会观察、学会思考、学会表达、学会合作、学会创造。
学会观察是了解世界和发现新事物的重要手段，是科学探索的前提条件。人们只有乐于观察，并且善于观察，才能与环境和谐相处，创造美好的生活。
如何进行科学地思考！需要两个必要的条件，一个是要具备一定的科学知识，更重要的是要掌握科学的思维方法。知识和方法是互相作用的，知识并不能自动转化为生产力创造价值，它只有在科学方法的指引下才能发挥作用。但只掌握方法也是不够的，知识和方法的更新往往是交织在一起的，相辅相成的。知识只是前人揭开未知世界的总结，方法却能指导人们探索未来。
学会表达，能让自身和周围的人进行良好的沟通和交流，促进相互的了解，进而相互理解，从而进行良好的合作。在智能课中良好的表达能力可以对作品做出全面而深刻的解释，使同伴协力对其进行改进和再创造。
随着社会的发展，人与人之间的合作日趋起到重要的作用，这也是目前中学生必备的素质之一。合作式学习是“智能课”的教学特点（每个小组四个学生），通过小组中的相互沟通，发挥出群体在学习中的作用，促进学生之间的相互交流、理解、帮助，增强学习中的合作行为和利他行为，充分体现集体的力量。
创造是智能课教学的主要目标之一。科学知识是进行科学创造的坚实基础，科学方法是科学创造的有效手段，而科学态度是进行科学创造的必要保障。因此，在教学中不但要对这三者给予必要的重视，更重要的是应恰当处理好它们的关系。这样，学生在良好的研究氛围中，通过知识的运用和科学方法的迁移，在课题研究中不断地进行探索，力求有所突破，推陈出新，从而锻炼自身的创造能力。
在“五个学会”的教学思想指导下，我设计了一系列的教学实践活动，启发学生对课题进行探索。课题举例：《能源的利用——四秒小车》等等。在课堂活动中，学生要从现有的理论知识出发，对课题进行充分地了解和分析，使用适当的科学方法总结得出科学规律。随后进行硬件部分的装配，并认真编写程序，最后经过仔细的调试完成理想的作品。在研究过程中，既要求学生达到一定的硬件装配水平，又要求学生具备一定的软件编写能力，学生还要考虑到软件、硬件结合等等的一系列实际问题。在解决实际问题中，学生运用所学的科学知识和科学方法，在热烈的讨论中充分发挥出个体和集体的力量，创造出理想的作品。
本课程能够用有效的实践平台将科学的思维成果很好地展现出来，将学生的创造结晶转变为现实，让他们体验到创造的由衷乐趣；另外本课程的教学能使学生初步认识科学研究的全过程，初步领悟科学研究的内涵。在较为系统的研究和探索中，使学生逐步养成科学的思维习惯，从而形成一定的科学思维能力，为今后的学习和工作打好基础。经过几节课的学习和实践，学生已经体验到了合作的力量和创造的乐趣，在动手实践过程中，提高了科学思维的能力，发展了他们的科学思维素质。
2、选修课——学生活动
3、参加系列的科技活动（比赛）
四、教学评价
每次活动后，学生提交活动报告。根据有关资料，对学生的科学思维能力进行评价。
第五部分 在智能课中培养中学生科学思维能力的价值研究
在智能课中，提出了五个学会的教学思想，即学会观察、学会思考、学会表达、学会创造、学会合作。
学会观察是从兴趣出发，兴趣是一个人最好的老师，现在的中学生对很多事情漠不关心，但这只是表面的教育现象。通过与学生交流，我却发现是由于他们欠缺科学的观察方法和由此导致的缺乏耐心所至。
要学会科学地思考，如何进行科学地思考有两个必要的条件，一个是要具备一定的科学知识，更重要的是要掌握科学的思维方法。知识和方法是互相作用的，只掌握知识的人就象一个图书馆，海量的知识并不能自动转化为生产力创造价值。它只有在科学方法的指引下才能产生作用。但只掌握方法也是不够的，知识和方法的更新往往是交织在一起的，相辅相成的。知识只是前人揭开未知世界的总结，方法却能指导我们探索未来。
只有学会了表达，才能让自身和周围的人进行良好的沟通和交流，促进相互的了解，进而相互理解，从而进行良好的合作。在智能课中良好的表达能力可以对作品做出全面而深刻的解释，使同伴协力对其进行改进和再创造。
创造是智能课教学的主要目标之一，学生通过知识和科学方法的学习，逐渐培养创造能力。把科学的思维结果利用有效的实践平台得以实现，将他们的创造结晶变为现实，让学生体验到创造的乐趣，初步感受科学研究的过程，逐步养成科学的思维习惯，从而形成一定的科学思维能力，为今后的学习和工作打好基础。
人与人之间的合作是社会发展的趋势，是目前中学生缺乏的重要素质之一。合作式学习是“智能课”的教学特点。通过小组中的相互沟通能让学生意识到合作的重要性，促进学生之间的相互交流、相互理解、相互帮助，充分体现集体的力量。
在五个学会的教学指导方针下，经过了两年的教学实践，摸索出了一套比较系统的教学方法和组织形式。在实践中，通过适时地改变教学方式，锻炼了学生上述几方面的能力，为他们科学思维能力的形成奠定了基础。
第六部分 实践研究
一、 实验过程及结论
为了培养中学生的科学思维能力，我开展了一系列的教学实践活动。具体情况如下：
1、制订教学内容，确定教学方法和组织形式
本课题的研究载体是以校本课程的形式出现的，具备着广泛的学生基础，先后有1500名学生参加了本课程的学习。从教学内容上，可分为机器人硬件知识部分、软件知识部分和课题活动部分。教学活动中，是以4名同学为一个小组的形式开展学习和探索的，以合作学习为主要教学方法展开教学活动。
2、开展多年级多层次的教学实践
我校在高一和初一年级同时开设了智能课，他们学习的基础内容相同，但在教学中提出的要求不同，特别是在高中的教学内容中，加入了大量的课题活动的内容。为了体现学校在社区教育中的辐射作用，为周围适龄小学生开设了智能课。从而在各年龄段的教学过程中，逐渐摸索规律，进行教学的比较，制定更加科学的教学计划，达到递进式培养学生科学思维能力的目标。
3、开设选修课、参加竞赛等多种教学形式
选修课是体现某些学生在此方面有所专长的舞台。在选修课的教学过程中，教师作为学生的指导者，所有的学生都必须设计自己的研究方向和课题。他们通过课堂上学习和掌握的科学文化知识和科学方法，在研究过程中不断总结和提高发现问题和解决问题的能力。经过一段时间的训练，某些学生体现出具备了良好的科学思维能力。
二、阶段性成果
1、2002—2003学年，经过一年的教学探索，积累大量的课堂教学素材和经验，为今后的教学工作提供重要的基础。
2、2003—2004学年，总结出一套适合智能机器人课堂教学模式。
3、2004—2005学年，将总结出的教学模式进行再次的教学实践，并不断完善。
4、在教学过程中，培养特长学生，获得优异的比赛成绩：
（1）2002年7月，获 “北京市中学生电脑机器人大赛”团体第一名。
（2）2002年8月，获三项“全国青少年电脑机器人竞赛”一等奖。
（3）2002年11月，获“亚太地区青少年电脑机器人国际邀请赛”银奖两名。
（4）2003年8月，获“全国青少年电脑机器人竞赛”银奖一项、铜奖三项。
（5）
（6）
（7）2004年6月在澳门《大中华机器人比赛》中“双足直立行走机器人”获创意赛冠军。
（8）2004年8月在第五届全国中小学电脑制作活动电脑机器人竞赛中荣获高中组机器人足球比赛亚军。
（9）2004年8月在“全国青少年科技创新大赛”中“仿真人比例双足直立行走机器人”荣获优秀项目二等奖。
5、在教学理论的指导下，及时总结教学经验，塌实肯干，从而取得了一系列的教育教学成果。
（1）2002年11月撰写的《能源的利用——4秒小车》，获得了《中国青少年科普活动指导纲要实施项目》总课题组优秀科技活动方案评选二等奖。
（2）2003年10月被评为海淀区“《2001——2005年中国青少年科学技术普及活动指导纲要》实施项目”先进个人。
（3）2003年11月在北京市中小学无线电测向、电子科普活动中做出突出贡献被评为优秀辅导员。
（4）2003年11月课题《智能机器人课》荣获海淀区首届中学“教学创新奖”。
（5）2003年10月被评为海淀区“《2001——2005年中国青少年科学技术普及活动指导纲要》实施项目”先进个人。
（6）、
（7）2003年12月被认定为海淀区青年劳技学科带头人。
（8）2003年12月获得“中国青少年机器人竞赛裁判员资格”。
（9）
（10）2004年4月由于在教育工作中成绩优异，特授予北京市2004年度优秀教师称号。
参考资料：
1、张世臣等著.《心理学》.北京师范学院出版社.1993
2、续佩君著.《物理能力测量研究》.广西教育出版社.1998
3、张燕镜著.《教育学》.北京师范学院出版社.1993
4、章永生著.《教育心理学》.河北教育出版社.1996
5、张楚廷等著.《现代认知学习心理学》.警官教育出版社.1998
6、郭德俊等.教育心理学概论.警官教育出版社.2000
2004年教育科研创新课题
相关链接
