03 第3 章
CHAPTER 3
3.1　有趣的发散思维和提出问题
3.2　比较迁移和作出假设
3.3　批判思维和制订计划
3.4　利用多渠道、多种方法收集证据
3.5　常用的实验数据分析与处理方法
3.6　以科学归纳推理得出结论
3.7　归纳类比和展示交流
3.8　反思与评价
科学思维促进
科学探究
学生获取的科学知识应该至少有一部
分是从不同形式的科学探究经验中获得
的，在这些探究活动中，学生应该能够获
得能力发展，包括构建问题、收集数据、
分析和解释数据，以及参与讨论，乐于运
用科学的方法参与探究和调研等。
科学教育的目标应该包括乐于以可控
的和系统的方式收集数据，持开放的思维
来解释数据，与他人合作，能被质疑和以
适当批判思维阐述观点和提出解释，并且
在探究过程中，在涉及环境、自己和他人
安全和健康的问题上采取负责任的态度。
第3章　科学思维促进科学探究 49
图3-1　毕加索的《牛头》雕塑
3.1　有趣的发散思维和提出问题
3.1.1　发现很有趣
1. 科学探究从发现问题开始
科学探究的一般过程，都是以发现问题和提出问题开始的。注意从日常生活、自
然现象或学习过程中发现问题，并注意准确表述这些问题，还应学习寻找问题中的矛
盾。“半亩方塘一鉴开，天光云影暗徘徊，问渠那（同“哪”）得清如许？为有源头活
水来。”这是宋朝著名的理学家、诗人朱熹的《观书有感》，这首诗表明了诗人的一种
治学态度，无论做什么，包括做学问，生命力是最重要的。科学探究必须不断吸收新
鲜的东西，才能保持活力和进步。
2.“艺术家”与“科学家”对于发现的理解
艺术与科学，看似并无联系，但其实却有着相同的思维方式。哪些是相同的理
解？哪些是站在各自角度的思考？请大家阅读艺术家的发现故事和科学家的研究故事。
牛头创作的故事。《牛头》雕塑，成品高41cm，由西班牙画家和雕塑家、现代艺
术巨匠帕伯罗·毕加索于1943 年创作，现藏于法国巴
黎路易·雷里美术馆。材料全部取自自行车，即一个
旧自行车座和一个车把。这些简单的现成品到了他的
手里，使他产生了丰富的想象，他巧妙地构思出了这
一尊“公牛”。上翘的车把形成了尖耸的牛角，狭长的
车座在毕加索安排的造型中变成了形象的牛头，整个
作品简单得无法再简单。带着毕加索惯有的幽默，一
切都显得那么妙不可言（见图3-1）。
圣捷尔吉·阿尔伯特，何许人也？匈牙利生理学家。他因“与生物燃烧过程有关
的发现，特别是关于维生素C 和延胡索酸的催化作用”而获得了1937 年的诺贝尔生
理学或医学奖。他有一句关于“发现”的名言：“发现就是与其他人观察和思考同样的
事情，但是却能得出与众不同的想法。”
两位大师，都从各自的角度超出了常人的观察，都收获了“发现”的成果。艺术
与科技原本就是一体。一部艺术史同时也是一部科技史。我们不是在浪漫的意义上谈
论艺术与科技的联姻，而是两者本来就共享着同样的方法论。艺术和科学有着基本相
创新思维
训练讲座
50 科学思维与科学探究
同的工作方法：猜想—假设—实验—求证—追求优美—通过创新解决问题，而它们也
有着相同的敌人：惯性和套路。
3. 创意广告的互动游戏
人们一般都厌倦广告，所以广告设计者需要使广告作品在短时间内让人产生深刻
印象，创意就尤为重要。利用一套“创意广告”（见图3-2），再次说明“发现”与众
不同的商业效果。同时，也让培训者思考，我们如何“发现”不同。
图3-2　水果和蔬菜的“变革”产生新的设计
第3章　科学思维促进科学探究 51
图3-3　教师展示罗马数字，但是变成liu
可以用语音表达，让同学们有更多
的联系和思维变革
活动思路：
（1）出示第一幅图，让大家一起说出看到了什么。答案可能并不相同，接下来展
示更多的图片，以帮助参与者进行归纳。
（2）出示第二幅图，大家可能就会找到规律，回答逐渐趋于一致（水果或者蔬菜
形成的不同主题，有运动主题，有童话主题）。
有的图比较难猜，是因为文化差异造成的。
这个创意的来源是一家名为Esselunga 的意大利零售连锁店。起初，他们的店面
开在了一个超级大的菜市场旁边，老板发明了这个有趣的活动，这种食物的创意广告
迅速吸引了很多人关注他们的食品店。如今，快20 年过去了，每年他们都会改进和
增加新的广告到收藏中。
4.“数字”表达的互动游戏
仍然是“发现”的新思路（见图3-3）。
活动思路：
依次出现Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ。
提问大家这是什么符号？（罗马数字）
现在，请改变“Ⅸ”一个地方，变成
liu（语音）。
在这个过程中，让学员们在5min 内举
手想出1 种方法。然后，提示继续思考，想
第2 种，甚至第3 种……
当学员们的思维出现停滞时，分享不同
的学员们的想法，点评有突破性的想法，提
示突破的角度，达到共鸣。可以有不同的方法成为六，要突破思维定式。
1×6，结果是6；
SIX 也是英文的liu。
给出接下来思考问题的过程，持续思考同一个问题深度的方法。
? 能否想到？
? 能否想到不同的？
? 还能再想吗？
52 科学思维与科学探究
3.1.2　思维导图怎么用
利用参与式的方法体验思维导图的构成：以“如果我是一棵树”为科技活动的主
题，让学员们来设计逐次联系的肢体表演。既启发了学员们的“科学现场事件”的思
考，又让学员们体会逐层联系拓展的思维导图特质。
操作步骤：
（1）请一位学员来表演一棵树。
（2）大家观察这棵树，思考围绕这棵树可能会有哪些事情发生？
（3）请另外一位学员做一个动作和这棵树有关。请在座的其他学员猜一下，这棵
树发生了什么事情？
（4）再请上来另一位学员，再做一个动作。这个新动作要与前面那位学员表演的
动作内容有关系，同时也要和树有关系。请在座的其他学员们再猜一下，又发生了什
么事情？
（5）根据这三位学员们的表演案例，我们已经知道这个环节要进行的科学表演方式
了。不能出声音，提前设计好围绕这棵树发生的故事内容，一组学员们依次上台表演，
把这个故事串联起来。后面的表演内容一定与前面的表演有关联并最终与树有关。
思维导图（mind map）是表达发散性思维的有效图形思维工具（见图3-4），它简单
却又很有效，是一种实用的思维工具。放射性思考是人类大脑的自然思考方式，每一种
进入大脑的资料，不论是感觉、记忆或是想法——包括文字、数字、字符、香气、食
物、线条、颜色、意象、节奏、音符等，都可以成为一个思考中心，并由此中心向外发
散出成千上万的关节点，每一个关节点代表与中心主题的一个联结，而每一个联结又可
以成为另一个中心主题，再向外发散出成千上万的关节点，呈现出放射性立体结构，而
图3-4　常用的思维导图的绘制方式
第3章　科学思维促进科学探究 53
这些关节的联结可以视为一个人的记忆，就如同大脑中的神经元一样互相联结，也就是
个人数据库。
3.1.3　利用思维导图提出问题
1. 科学选题的角度理解
探究什么？这些内容从哪里来？（见图3-5）联合国教科文组织公布的17 项可持
续发展目标：消除贫困；消除饥饿；良好的健康与福祉；优质教育；性别平等；清洁
饮水与卫生设施；廉价和清洁能源；体面工作和经济增长；工业、创新和基础设施；
缩小差距；可持续城市和社区；负责任的消费和生产；气候行动；水下生物；陆地生
物；和平、正义与强大机构；促进目标实现的伙伴关系。这些内容相对比较大，可以
用来思考研究的方向。
图3-5　联合国教科文组织发布的17 项目标（上图）与学生可以选择的更落地的内容（下图）对比
另一只眼
睛看世界
54 科学思维与科学探究
同时，还可以从生活与环境更为密切的角度思考研究的内容：食品安全、大气环
境、生态问题、固体废弃物、植物植被、健康、水、能源利用、宠物和物种入侵等。
2. 选题的头脑风暴接力游戏
如果说上述选题方向依然趋于宏观，那么生活会用到的某种家具、食品或交通工
具则是微观的选题领域。例如厕所，厕所是生活必备，既是小事又是大事。围绕“厕
所”，请大家接龙说出头脑中第一想到的词是什么，依次进行，后面表达的词汇不能
和前面的词汇重复。
先组成5~7 人一组。在一张A3 的大白纸上，每人手握一种颜色的彩笔，从中心
词“厕所”出发，先说出每人心中的一级分支词汇，确定没有重复，写下来。然后，
顺次独立完成自己的一级分支词汇对应的二级、三级分支等。
10min 后，大家全部完成，组内成员相互解读，每个小组形成“广度”解释和
“深度”解释两种展示方式。
提出小组内认为最不同的思考题目，从而确定为研究方向。最后，请学员们筛选他们
的思考题目并解读他们小组最能成为一个研究选题的设计思路。其他组的学员相互点评。
分析学员案例，同一主题的不同思考角度（见图3-6）。
图3-6　同一主题的不同思考角度
有社会问题、有家庭问题、有学校问题（见表3-1）。有调查类研究论文、有创意
设计思考、有模型成品展示。有同一科学原理“连杆机构”的不同作品的表现。
第3章　科学思维促进科学探究 55
表3-1　几种学员最相关的问题提出的方向
问 题调 查 研 究创 意 设 计机 械 模 型问题提出思路
社会问题
西单及金融街地区
如厕文明之现状
自己找厕所的亲身
经历，提出问题
家庭问题
防止细菌飞溅的马
桶盖
阅读科普文章，找
到相同的关注点
学校问题
学校用厕所便后冲
厕习惯养成装置
同学之间的行为
观察
3. 除了“厕所”，还有别的
在“防止细菌飞溅的马桶盖”这个研究中，学生使用了“连杆原理”进行马桶盖
的改造（见图3-7）。再有学生看到连杆原理的使用环境后，又有了新的想法：自动封
口垃圾桶（见图3-8）。同样利用“连杆原理”，把从手动调整到脚踏，思维跳转后就
成了一个新的发明创意。
图3-7　学生最终稿利用连杆机构实现的自动
盖盖儿，非常简单可行，但是有缺陷
图3-8　自动封口垃圾桶，脚踏后自动弹出四角
的簧片，直接拎起垃圾袋即可。同时，
垃圾桶内可同时容纳50 个空袋，免去
反复套垃圾袋的环节
3.2　比较迁移和作出假设
3.2.1　关于假设
初中生物课程标准中对于“作出假设”探究能力的内容是这样要求的：“应用已有
知识，对问题的答案提出可能的设想，估计假设的可检验性。”著名科学家牛顿曾说
过：“没有大胆的猜测，就做不出伟大的发现。”因此，表述清晰、明确的假设是完成
56 科学思维与科学探究
一项成功的科学探究的关键。
对科学探究中“作出假设”能力的培养也非常重要。
3.2.2　师法自然——从荷叶效应到纳米仿生学
《老子》说：“道法自然”，意思就是说世间的一切智慧都是从自然那里学来的，要
研究探索大自然的法则，领悟大自然的真谛。人类文明的每一个重大成就都有大自然
的影子，都能在自然中找到母体。在科学技术的发展史上，人类的许多发明创造都是
从自然界的某种生物身上获得灵感，都是某个自然物种的“摹本”。大自然是一部无
字天书，这就告诉人们一个道理，不能忘记到大自然中去寻找老师。
向自然学习不是盲目地学习，要在研究自然客观规律的基础上，通过比较、迁移等
科学的思维方法，将自然的规律应用到科学探究过程中。这里所提到的比较与迁移，实
际上对应了逻辑推理：在观察发现生物的某种特性后，运用科学方法和工具开展探究，
归纳推理出一般性原理，再利用现代技术手段在人类生活中加以应用，即演绎推理。
纳米仿生学的发展就是“师法自然”的经典案例。下面我们先简单回顾一下人类
“师法自然”，学习“荷叶效应”发展纳米仿生学的过程。
自古以来，荷花因其“出淤泥而不染”的纯洁品性而备受人们的喜爱（见图3-9）。
夏日的清晨，人们总是可以看见在荷叶的表面上存在着露水，并且是呈接近球形存在
的（见图3-10）。
图 3-9　美丽的荷花 图 3-10　荷叶上的水滴
为何荷叶的表面会有如此现象？科学家用电子显微镜放大后发现，荷叶表面除了
一层蜡质之外，其实并不平整，而是存在很多微米级的周期性凹凸结构（见图3-11 和
图3-12）。进一步放大，发现这些凹凸结构由更多的纳米级亚结构构成，这种独特结
构使水和污染物不容易粘附在荷叶上面，从而具有自清洁效果。其实荷叶并不是唯一