在师范教育中落实“科学探究与创新意识”
摘要：在师范教育中渗透和指导创新方法十分必要，也是在本科师范教育中落实验化学核心素养之“科学探究与创新意识”的重要措施。本文以中学化学知识及师范生教学设计中的创新实验为例，介绍了思维方式创新及操作方式创新的几种具体方法，为师范院校相关学科教师将这些方法渗透到专业课教学和师范生教学设计、模拟授课的指导中去提供参考。
关键词：创新方法；思维方式创新；操作方式创新；师范生；教学设计
创新是一个民族进步的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力。提高我们国家的自主创新能力、建设创新型国家，这是我国发展战略的核心，是提高我国综合国力的关键。教育部2016年公布了化学学科的核心素养，其中的“科学探究与创新意识”，就是旨在培养具有创新性和世界竞争力的社会主义接班人。师范教育是教育的“前教育”，是培养师资的工作“母机”，师范专业的学生具有创新精神和创新能力，才可能在未来的教师岗位上培养出具有创新精神和能力的学生。所以，我们应该在师范教育中渗透“科学探究与创新意识”。
如果在师范生的专业课程开设、教学设计、模拟授课和教学技能大赛时给以创新方法的渗透和指导，对他们形成创新意识和创新能力将更直接有效。创新的方法可以归纳为思维方式创新法、操作方法创新法、思维形式创新法，本文以化学师范生的教学设计为例，谈谈这几种创新方法。
一、思维方式创新法
思维方式创新法是在推理的方式上进行变换而产生的创新。可分为聚合思维法、发散思维法、逆向思维法和类推法。
1.聚合思维法。聚合思维法又称为求同思维法、集中思维法、辐合思维法、收敛思维和同一思维法等。聚合思维法是把广阔的思路聚集成一个焦点的方法。它是一种有方向、有范围、有条理的收敛性思维方式。如多个知识点的共性、多题同解的核心步骤、多仪一用核心功能（多种仪器共同的用途），多物一性（多种元素、多种物质具有相似的性质和具相似的规律）等。
例如：人教版《高中化学必修1》“氧化还原”一节。可以建议在教学给出以下反应：H2+CuO△H2O+Cu、2Na+Cl2点燃2NaCl、CO+CuO△Cu+CO2、2KClO3△2KCl+3O2↑，NaCl+AgNO3AgCl↓+NaNO3、NH4HCO3△NH3↑+CO2↑+H2O，要求学生找出前四个反应与后两个反应有什么不同（提示从化合价角度）。通过思考或小组讨论，前四个反应元素有化合价升降，后两个没有；进一步提示元素化合价有升降的本质是什么？请学生阅读教材P36并看“图2-10”“图2-11”回答。在教师引导下最后得出“前四个反应有电子得失或电子转移”，从而引出“氧化还原反应”的概念。
在进行其他的教学设计时，只要适合找共性及共同本质的内容，都可指导师范学生以用同样方式设计教学，以训练学生的聚合思维。
2.发散思维法。发散思维又称求异思维、辐射思维。它是从一个目标或思维起点出发，沿着不同方向、不同角度，提出各种设想，寻找各种途径，从而达到解决具体问题的思维方法。如一题多解、一仪多用（同一仪器、同一装置多种用途）和一性多仪（用多种仪器做同一实验）等。
例如：在人教版《高中化学选修4》第三章第一节“弱电解质的电离”的教学设计时，一般都安排了演示或让学生做强弱电解质的导电实验。在指导学生选择实验装置时，让他们想一想哪些装置可以做为导电性强弱的演示实验或分组实验，既方便、又能让全班学生有直观感受。在电解质浓度确定并相同情况下，同学们可以通过发散思维罗列出：电源可以是220V整流电源（变为直流电、降压至12V）和用干电池组或其他电池；电极可以是电源线、粗铜丝、组铁丝、干电池石墨电极等，显示器可以是电流表、电压表、小灯泡、LED灯泡、贺年卡音乐发声器、小风扇等。其中有同学通过试验选用“整流电源+石墨电极+小灯泡”，另外同学选用“干电池组+粗铜丝+贺年卡音乐发声器”。原因是电极太小导电性差，电流表电压表太小后排学生看不清楚，LED灯泡试验弱电解质时电流太小可能不发光；整流电源电流强劲，但体积大而重，不方便携带，用做演示实验比较好；干电池组电量弱一些，多用几次电压下降快，但体积小、重量轻方便携带，用做学生分组实验比较好。
3.逆向思维法
逆向思维就是反方向思考，从一般方法或问题的对立面反方向思考和探索。逆向思维具有普遍性（符合对立统的规律）、批判性（反判常规、常识和惯例）和新颖性（打破僵化、刻板、司空见惯的答案，出人意料和给人耳目一背后之感）。
在教学设计中可引导学生用于理论和性质逆推、反应实验过程的引入、追踪化学实验中的反常现象；逆推物质流程图、有机合成线路和复杂计算题等。
例如：学生在设计人教版《高中化学选修1》第四章第4节“探究氨气的性质”时，氨气的喷泉实验的引入，就可以这样设问：“大家回忆初中化学‘燃烧与灭火’中用碳酸钠与稀酸反应制作的灭火器，为什么里边的液体会喷出来呢（见图1）？”同学会回答“瓶里产生CO2气体压强增大了。”这时引导学生的逆向思维：“可不可以让外边的液体向瓶的里边喷呢？”让同学们思考讨论后抽问，总結出：一是增大外面液体的压强（如矿泉水塑料瓶导管插入单孔塞锥形瓶，挤压矿泉水瓶），二是减小瓶内压强，如图2是林育群同学设计的装置（获2019年第七届广东省师范生教学技能大赛获二等奖），松开铁夹，挤压装水的矿泉水瓶，使少量水进入装氨气的瓶，氨溶于水使右瓶形成负压，左瓶的水在大气压作用下在右瓶形成喷泉。教学中可以让学观看喷泉实验后再解释原理。
4.类推思维法
类推法也称类比法，是利用不同事物的某些相似性类推出其他的相似性，从而预测出它们在其他方面存在类似的可能性的方法。在师范生进行教学设计时，理论、性质、实验部分内容和习题讲评等都可以用类推思维法引导或让学生自学。
例如：人教版《高中化学必修2》第一章第1节元素周期律，做了钠的燃烧和与水反应实验后，可以让学生自学教材，类比出原子最外层电子都是1个电子的锂、钾、铷、铯的化学性质，再从原子半径不同推断性质与钠的不同点，其他主族元素性质也可以采取相似的方法。
二、操作方式的创新
操作方式创新可以分为模拟法、分解法、组合法、替换法和改变角度法，这在师范生进行教学设计时的实验改进，或到了一线教学指导学生“科技创新”或“小发明”中用得较多。
1.模拟法。百度百科写着“模拟法是指以一定的假设条件和数据为前提，借助仿真技术来估算任务的工作”。本文这里主要是指受原型启发，模拟出新的原型，或模拟出有所改进、用于别的方面新事物。如方法模拟、形状模拟、功能模拟等。
在指导师范生教学设计中，模拟一线教师或前几届师范生大赛作品的授课方法再行改进；用Flash模拟危险实验、工业生产或微观粒子的行为动画，如2019年在第七届广东省师范生教学能力大赛的教学设计中，刘惠同学（获总分第一名）使用了Flash动画翘翘板来模拟氧化还原电子得失的本质（见图3）。在实验设计中可以用其它物品进行形状模拟和功能模拟，如模拟启普发生器原理设计出其他可使反应随时发生与停止的装置（见图4）；第七届广东省师范生教学能力大赛的教学设计中，赖秀芳同学模拟试管反应设计出利用密封西药的塑料板中的做溶液反应的实验（图5）。
2.分解法。分解法是将某一事物拆分成几个部分，直接利用单一功能及特性的方法。化学实验的加热分解、电解、光谱分析、复杂功能的仪器拆分为单一功能的小型仪器等都是分解法。在教学中把一个较难的知识点拆分为几个小问题设问，以达到突破难点的方法也是分解法。
例如：人教版《高中化学选修4》第四章第1节“原电池”，师范生在进行教学设计时往往复习了《高中化学必修2》形成原电池的条件后，由单池电池直接过渡到盐桥双池电池，对为什么要改为双池电池的难点没有突破，学生对原因是迷茫的。我们可以引导他们利用分解法，将这个难点拆分为几个小步骤设置问题串：（1）铜-锌原电池（CuSO4溶液或稀硫酸）连电流表，过一会儿电流怎样变化？锌片上有什么现象（溶液浓度不能太小）？（2）出现这种现象的原因是什么？（3）怎样避免氧化剂与还原剂直接接触？（4）与锌片氧化剂Cu2+或H+分开后，电流表无电流，原因是什么？（5）如何使氧化剂Cu2+或H+不会扩散到放锌片的池，又能使两池电中性？
学生观察现象，受教师启发引导、讨论依次得出结论是：（1）1分钟后电流开始不断下降，锌片上有少量铜析出或气泡放出；（2）有副反应发生，原因是锌片直接接触到氧化剂Cu2+或H+直接发生了氧化还原反应，故而造成总反应削弱使电流减小，且氧化剂浓度在下降也使电流减小；（3）将还原剂锌片与氧化剂分离，变为两个池；（4）当锌片上电子流向铜片，锌片池带上正电荷、铜片池带上负电荷，阻碍了电子进一步流动（或阻碍了氧化还原进一步进行）所以无电流；（5）将两池连通。但直接连通因扩散仍然会跑到锌片池，只好口从上面连，用装含电解质的琼胶盐桥，盐桥中的阳离子移向铜片池、阴离子移向锌片池从而保持两池电中性使氧化还原反应（电流）持续发生。
任何学科的知识难点，都可以用这种分解法拆分为几个小步骤，递进式没置问题串来予以突破。
3.组合法。组合法与分解法是思路刚好相反的两种方法，这种方法则是将某几个简单事物组合成多种功能的事物，如发光二极管加在球鞋成为发光鞋、把多种功能的软件装入通话的手机成为现在的智能手机等。在教学设计组合法主要应用在教学方法的组合、实验装置组合式创新方面。
例如《高中化学选修4》第四章第1节原电池的教学设计，从复习必修1知识、引入、新课、小结、练习，整个过程可以是：复习法、情境法、设问法、实验法、讨论法、练习法等教学方法的组合。其实每课包含了几个的教学环节，不同教学环节就应该采用不同的教学方法穿插组合，才可能使课堂更加生动活泼。
4.替代法。替代法在教学中可以是师生角色互换、演示实验改为学生实验等。如抽学生上台代替教师演示实验、某些难点知识让成绩好的学生代替教师讲；又如溶液酸碱性测试、焰色反应，本来安排是演示实验，可以抽学生上台演示，还可以设计为学生实验。在实验仪器的改进中，可以用其它物品替代常规仪器，如用矿泉水瓶和青霉素瓶替代集气瓶和反应容器，用一次性注射器替代滴管，用V形管、W管替代试管或玻璃管。
还有一类“思维形式创新法”包括抽象思维法、形象思维法、灵感思维法，主要用在科研和发明创造中，本文不再此讨论。
要在师范教育中落实核心素养的“科学探究和創新意识”，可以把思维方式创新法、操作方法创新法、思维形式创新法渗透到专业课教学中，还可以应用到师范生的教学设计和模拟授课之中，使他们少走弯路、形成习惯，应用到今后的教学各项活动之中，对创新型人才培养尽一点绵薄之力。