面向創(chuàng)造性思維培養(yǎng)的跨學科逆向工程教學模型研究

摘要：新時代的發(fā)展需要科技創(chuàng)新人才，影響科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)的內(nèi)因正是創(chuàng)造性思維的建設(shè)。本研究首先闡釋了創(chuàng)造性思維培養(yǎng)的跨學科主題學習內(nèi)容整合及逆向工程教學法方法設(shè)計，厘清了面向創(chuàng)造性思維培養(yǎng)的跨學科逆向工程教學內(nèi)在邏輯，并基于吉爾福特早前所提出的創(chuàng)造力三維模型理論，將跨學科整合知識和逆向工程教學法相結(jié)合形成二維基底，提出面向創(chuàng)造性思維培養(yǎng)的跨學科逆向工程教學模型。最終，基于該模型作者設(shè)計了“改造掃拖一體機器人”跨學科主題項目案例，以期為開展跨學科教學相關(guān)研究與實踐提供參考。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)造性思維；逆向工程教學法；跨學科；信息科技

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）24-0089-05

問題的提出

中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《中國教育現(xiàn)代化2035》明確要求“創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神與實踐能力”。2022年，教育部發(fā)布的《義務(wù)教育信息科技課程標準（2022年版）》提出，“創(chuàng)新教學方式，以真實問題或項目驅(qū)動，引導(dǎo)學生經(jīng)歷原理運用、計算思維和數(shù)字化工具應(yīng)用過程，建構(gòu)知識，提升問題解決能力”。[1]在此背景下，培養(yǎng)科技創(chuàng)新人才成為教育改革的關(guān)鍵點。許多中小學校面向?qū)W生創(chuàng)新能力培養(yǎng)進行了大量探索和實踐，問題解決、項目式學習等方法被廣泛應(yīng)用于教學活動，但時間跨度大、教學效果欠佳等問題也逐步出現(xiàn)。而逆向工程教學法從“成品出發(fā)”的教學方法為當前課堂教學培養(yǎng)科技創(chuàng)新人才提供了新的思路。[2]因此，本研究從創(chuàng)造性思維培養(yǎng)的內(nèi)在邏輯出發(fā)，構(gòu)建面向創(chuàng)造性思維培養(yǎng)的跨學科逆向工程教學模型并開展實踐應(yīng)用，以期為中小學教師開展跨學科主題教學提供建設(shè)性思路。

概念界定

1.創(chuàng)新思維

研究指出，創(chuàng)造性思維是創(chuàng)造力的核心。[3]創(chuàng)造性思維在科學技術(shù)、發(fā)明創(chuàng)造等諸多社會領(lǐng)域均發(fā)揮關(guān)鍵作用，被譽為引領(lǐng)社會發(fā)展的重要動力。[4]有學者認為，創(chuàng)造性思維（creative thinking）是一種可以產(chǎn)生新穎、獨特且適用觀點或產(chǎn)品的智力品質(zhì)，它包括發(fā)散思維和聚合思維。[5]也有學者認為，創(chuàng)造性思維是基于特定的環(huán)境通過多角度思維創(chuàng)造出新穎獨特、有社會價值的產(chǎn)品的一種思維過程。[6]而思維是意識向能力轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵。[7]故本研究認為創(chuàng)造性思維等同于創(chuàng)新思維，是指能夠察覺問題并找出原因，產(chǎn)生能夠解決該問題的新穎想法，最終傳達出的結(jié)果更多的是一種創(chuàng)造力的表現(xiàn)。

2.跨學科

在學科融合的大背景下，單一學科知識將難以有效解決生活中的復(fù)雜問題，而跨學科跨越了學科之間的邊界，建立起多學科之間的聯(lián)系，進而在教學實踐中實現(xiàn)多學科素養(yǎng)的綜合培養(yǎng)。[8]《義務(wù)教育課程方案和課程標準（2022年版）》明確要求，各門課程原則上用不少于10%的課時設(shè)計跨學科主題學習。[9]這表明，跨學科教育將成為未來創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要方向。[10]

3.逆向工程

逆向工程是利用現(xiàn)代設(shè)計理論與方法對現(xiàn)有產(chǎn)品進行解剖、測量與分析，以確定產(chǎn)品內(nèi)部組件及其相互關(guān)系與再創(chuàng)造的過程。[11]

與正向工程相比，逆向工程的思想更符合人類認知規(guī)律，其所具有的強操作性可以更好地繼承原有產(chǎn)品優(yōu)勢，從而實現(xiàn)理論與實踐的融合創(chuàng)新。從認知角度看，逆向工程的本質(zhì)是在先前產(chǎn)品的基礎(chǔ)上就原產(chǎn)品的缺點或不足作局部創(chuàng)新。從實踐角度看，逆向工程更側(cè)重通過體驗生活中的實物產(chǎn)品，啟發(fā)學生代入設(shè)計者的身份，啟發(fā)學生的創(chuàng)作意圖。[12]可見，本研究認為的逆向工程并非徹底顛覆原教學環(huán)節(jié)設(shè)計，而是以更貼合實際的問題情境激發(fā)學習興趣，豐富體驗活動，推動學生在感知與實踐的基礎(chǔ)上培養(yǎng)創(chuàng)造性思維。

面向創(chuàng)造性思維培養(yǎng)的跨學科逆向工程教學內(nèi)在邏輯

近年來，項目式學習在跨學科主題學習中廣為盛行，其本質(zhì)上是一種正向的零起點構(gòu)建項目的教學方式。[13]但由于完整項目的教學周期長且涉及復(fù)雜的真實問題，對一線教師造成極高的挑戰(zhàn)，所以它不宜作為跨學科主題學習活動開展的首選或唯一方法。[14]因此，逆向工程教學法通過逆向分析目標產(chǎn)品來實現(xiàn)產(chǎn)品優(yōu)化的過程，對于一線教師開展跨學科主題學習活動來說具有相當大的潛力。但若將逆向工程教學法與跨學科主題學習活動進行融合，仍需進一步細化面向創(chuàng)造性思維培養(yǎng)的內(nèi)在邏輯分析，具體如圖1所示。

1.內(nèi)容整合：跨學科整合知識助力打破學科壁壘

跨學科強調(diào)的是通過多個學科的交叉與綜合建構(gòu)新的知識體系，從而解決單一學科無法解決或不能徹底解決的復(fù)雜問題。而“交叉”與“綜合”意味著跨學科需要兼具“發(fā)散”與“聚合”思維，這也正是創(chuàng)造性思維的核心要義。從這一角度來看，創(chuàng)造性思維似乎與跨學科具有與生俱來的關(guān)聯(lián)性，故而其內(nèi)涵更側(cè)重于學生在問題解決的過程中，通過跨學科知識整合以獲得創(chuàng)造性思維內(nèi)化，最終發(fā)展問題提出與解決能力、創(chuàng)新能力、團隊協(xié)作能力以及系統(tǒng)設(shè)計思維等諸多衍生能力。

2.方法設(shè)計：逆向工程教學法設(shè)計路徑

如上所述，逆向工程從現(xiàn)有產(chǎn)品的使用出發(fā)，反向?qū)W習作品的設(shè)計和制作方法。它分為四個階段：作品使用與功能分析、作品分解與觀察、作品復(fù)原與優(yōu)化以及比較評估與反思。其教學目標并不局限于產(chǎn)品的復(fù)原，而是強調(diào)在此基礎(chǔ)上的再優(yōu)化，旨在讓學生逐漸達到創(chuàng)造性思維的進階式培養(yǎng)，讓相關(guān)衍生能力得到調(diào)節(jié)。

創(chuàng)造性思維培養(yǎng)的基礎(chǔ)模型：創(chuàng)造力三維模型

基于上述對面向創(chuàng)造性思維培養(yǎng)的跨學科逆向工程教學內(nèi)在邏輯的分析，本研究釋義了跨學科整合知識的內(nèi)容整合和逆向工程教學法的方法設(shè)計，由此可以得出在跨學科教學的各環(huán)節(jié)中有效運用逆向工程教學法在促進學生創(chuàng)造性思維發(fā)展方面具有巨大的潛力與價值。那么，如何在跨學科教學的各環(huán)節(jié)中有效運用逆向工程教學法以達成培養(yǎng)學生創(chuàng)造性思維？本研究嘗試構(gòu)建面向創(chuàng)造性思維培養(yǎng)的跨學科逆向工程教學模型，以期為教師提供系統(tǒng)性參考。

為達成培養(yǎng)學生創(chuàng)造性思維這一目標，本研究認為創(chuàng)造性思維并不是由單一要素養(yǎng)成，而是多維復(fù)雜的能力綜合體?；诖耍狙芯克捎玫幕A(chǔ)理論模型是吉爾福特所提出的創(chuàng)造力三維模型理論。他認為人的智力可以分為三個維度，即內(nèi)容（輸入頭腦的信息內(nèi)容）、操作過程（對信息的加工方式）和產(chǎn)物（對信息加工后的結(jié)果）（Guilford，1950）。在此背景下，創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)更傾向于空間概念，是對其教育教學活動的方向性描述，是未來教育教學改革或創(chuàng)新的基本路徑或方向，所以，在考慮如何體現(xiàn)其創(chuàng)造性思維培養(yǎng)的空間結(jié)構(gòu)時可通過維度來展現(xiàn)。

面向創(chuàng)造性思維培養(yǎng)的跨學科逆向工程教學模型構(gòu)建

1.模型構(gòu)架

本研究構(gòu)建的三維模型主要基于對吉爾福特的智力三維模型形式與內(nèi)涵釋義的變式，該模型繼承了吉爾福特理論中智力培養(yǎng)所需內(nèi)容、操作過程以及產(chǎn)物的三維空間結(jié)構(gòu)。本研究通過將課堂教學中不同階段采用的步驟和涉及的知識結(jié)合，形成了方法維、內(nèi)容維和能力維的三維空間結(jié)構(gòu)。該模型主要用于教師在面向創(chuàng)造性思維培養(yǎng)時所需的跨學科內(nèi)容知識及相應(yīng)的逆向工程教學法選擇，具體如圖2所示。

2.維度釋義

思維是人腦對客觀現(xiàn)實的概括和間接性反映的過程，揭示事物的本質(zhì)屬性及其中的規(guī)律性聯(lián)系，包括邏輯思維和時間思維。該觀點與本研究構(gòu)建的三維模型的“內(nèi)容維”和“方法維”不謀而合。綜合來看，創(chuàng)造性思維培養(yǎng)是有學科差別的。一般而言，從教育意義上講，創(chuàng)造性思維從能力上達到空間層面上的提升，不僅需要通過跨學科整合學科知識達到內(nèi)容上的豐富，更需要逆向工程教學方法來助力學生思維的穩(wěn)步提升。

（1）內(nèi)容維

內(nèi)容維主要是以跨學科大概念整合知識助力打破學科壁壘，以本學科核心素養(yǎng)為核心，通過將不同學科、不同學段的核心概念綜合、聯(lián)接以及進一步抽象，打破原傳統(tǒng)學科壁壘，構(gòu)建跨學科知識融合的橋梁，促進學生在課堂探究與工程設(shè)計實踐中將跨領(lǐng)域知識內(nèi)化為核心素養(yǎng)的提升。

（2）方法維

方法維主要是應(yīng)用逆向工程教學法發(fā)揮跨學科教學的育人價值，助力創(chuàng)造性思維培養(yǎng)，該維度是面向創(chuàng)造性思維培養(yǎng)的跨學科逆向工程模型中每項活動所實施的任務(wù)內(nèi)容與決策實施的思維程序，從逆向工程教學法的教學活動階段劃分可分為“作品使用與功能分析、作品分解與觀察、作品復(fù)原與優(yōu)化以及比較評估與反思”四個階段。

（3）能力維

能力維主要是通過課堂教學內(nèi)容和教師教學方法的使用，讓學生創(chuàng)造性思維能力在空間維度上得到提升。正如前文所提，學生思維的提升是一種能力建設(shè)工程。而其底層理論基礎(chǔ)需要通過跨學科內(nèi)容知識整合及應(yīng)用逆向工程教學法助力打破原傳統(tǒng)思維固式，教師在現(xiàn)實成品設(shè)計基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學生在體驗、分析、復(fù)原再創(chuàng)新作品的過程中習得相關(guān)概念知識，達成高階創(chuàng)造性思維的提升。

從該模型各維度觀察來看，跨學科教學的本質(zhì)內(nèi)涵、逆向工程教學法的核心思想及創(chuàng)造性思維培養(yǎng)的高階目標都以現(xiàn)實成品原型研究為起點，從而構(gòu)建面向創(chuàng)造性思維培養(yǎng)的跨學科逆向工程教學體系。

面向創(chuàng)造性思維培養(yǎng)教學案例

本研究以北京市海淀區(qū)某小學為實驗基地，針對六年級信息科技課中“過程與控制”單元模塊，應(yīng)用前文構(gòu)建的面向創(chuàng)造性思維培養(yǎng)的跨學科逆向工程教學模型，以跨學科主題項目“改造掃拖一體機器人”為案例展開教學，教學目標如下表所示。在改造過程中，學生通過討論機器人掃地系統(tǒng)的工作原理，以模型內(nèi)容維和方法維為二維支撐，在項目實施過程中加深對以創(chuàng)造性思維為核心的各方能力建設(shè)系統(tǒng)性、規(guī)范性的理解，這樣有助于學生創(chuàng)造性思維的持續(xù)提升。最后以逆向工程教學方法的實施過程為線索簡要概述本案例的實施過程。

1.作品使用與功能分析

教師向?qū)W生展示一個掃拖一體機器人成品供學生實踐操作。學生通過體驗了解該產(chǎn)品具備哪些功能，教師借此滲透信息科技中系統(tǒng)的概念，并通過分析產(chǎn)品工作過程的表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)該機器人在掃地過程中經(jīng)常出現(xiàn)的撞墻、掃不干凈現(xiàn)象，促使學生思考反思。

2.作品分解與觀察

教師引導(dǎo)學生分解機器人，仔細觀察其構(gòu)造和工作原理，深入探究“為什么會出現(xiàn)機器人在掃地過程中撞墻而且掃不干凈的現(xiàn)象”的核心問題，據(jù)此了解機器人的內(nèi)部運行狀態(tài)。為規(guī)范學生分解流程并確保操作規(guī)范性，教師采用演示視頻將機器人初步分解為開關(guān)、馬達及毛刷三大模塊，引導(dǎo)學生分解各個模塊，分析部件間的相互作用，確保學生掌握并理解相互間的關(guān)系。

3.作品復(fù)原與優(yōu)化

深化學生對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工作原理的理解程度，通過分層設(shè)計任務(wù)讓學生分析該機器人各結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)是否能正常運行，聚焦其中的問題點，對其進行復(fù)原與優(yōu)化。針對不同基礎(chǔ)水平的學生，實施分層教學：基礎(chǔ)薄弱的小組在有限的時間內(nèi)正確復(fù)原各個模塊；中等水平的小組可以從實際需求出發(fā)，改進部分模塊性能；基礎(chǔ)較好的小組，識別現(xiàn)有模塊問題，重構(gòu)產(chǎn)品要素間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，創(chuàng)新其他子系統(tǒng)功能。最后，所有學生形成一個完整的設(shè)計方案，并自主通過編程測試產(chǎn)品運行效能。

4.比較評估與反思

最后的競賽環(huán)節(jié)，旨在展示、對比以及評價各組項目作品。每組通過產(chǎn)品演示與匯報，分享復(fù)原與優(yōu)化過程中遇到的問題，重構(gòu)思路和實施步驟，同時從優(yōu)點與不足兩方面進行反思。

結(jié)語

研究表明，本研究構(gòu)建的教育模型兼具理論與實踐價值。從本質(zhì)上來說，該教育模型是一個多階段、可迭代的教育框架。但由于該框架的理論性較強，與傳統(tǒng)可操作性教學模式差異較大，在實施過程中也面臨著巨大的挑戰(zhàn)，需要教師們進一步探索。

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