面向创造性思维培养的跨学科逆向工程教学模型研究

摘要：新时代的发展需要科技创新人才，影响科技创新人才培养的内因正是创造性思维的建设。本研究首先阐释了创造性思维培养的跨学科主题学习内容整合及逆向工程教学法方法设计，厘清了面向创造性思维培养的跨学科逆向工程教学内在逻辑，并基于吉尔福特早前所提出的创造力三维模型理论，将跨学科整合知识和逆向工程教学法相结合形成二维基底，提出面向创造性思维培养的跨学科逆向工程教学模型。最终，基于该模型作者设计了“改造扫拖一体机器人”跨学科主题项目案例，以期为开展跨学科教学相关研究与实践提供参考。

关键词：创造性思维；逆向工程教学法；跨学科；信息科技

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2024）24-0089-05

问题的提出

中共中央、国务院印发的《中国教育现代化2035》明确要求“创新人才培养模式，培养学生的创新精神与实践能力”。2022年，教育部发布的《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》提出，“创新教学方式，以真实问题或项目驱动，引导学生经历原理运用、计算思维和数字化工具应用过程，建构知识，提升问题解决能力”。[1]在此背景下，培养科技创新人才成为教育改革的关键点。许多中小学校面向学生创新能力培养进行了大量探索和实践，问题解决、项目式学习等方法被广泛应用于教学活动，但时间跨度大、教学效果欠佳等问题也逐步出现。而逆向工程教学法从“成品出发”的教学方法为当前课堂教学培养科技创新人才提供了新的思路。[2]因此，本研究从创造性思维培养的内在逻辑出发，构建面向创造性思维培养的跨学科逆向工程教学模型并开展实践应用，以期为中小学教师开展跨学科主题教学提供建设性思路。

概念界定

1.创新思维

研究指出，创造性思维是创造力的核心。[3]创造性思维在科学技术、发明创造等诸多社会领域均发挥关键作用，被誉为引领社会发展的重要动力。[4]有学者认为，创造性思维（creative thinking）是一种可以产生新颖、独特且适用观点或产品的智力品质，它包括发散思维和聚合思维。[5]也有学者认为，创造性思维是基于特定的环境通过多角度思维创造出新颖独特、有社会价值的产品的一种思维过程。[6]而思维是意识向能力转化的关键。[7]故本研究认为创造性思维等同于创新思维，是指能够察觉问题并找出原因，产生能够解决该问题的新颖想法，最终传达出的结果更多的是一种创造力的表现。

2.跨学科

在学科融合的大背景下，单一学科知识将难以有效解决生活中的复杂问题，而跨学科跨越了学科之间的边界，建立起多学科之间的联系，进而在教学实践中实现多学科素养的综合培养。[8]《义务教育课程方案和课程标准（2022年版）》明确要求，各门课程原则上用不少于10%的课时设计跨学科主题学习。[9]这表明，跨学科教育将成为未来创新人才培养的重要方向。[10]

3.逆向工程

逆向工程是利用现代设计理论与方法对现有产品进行解剖、测量与分析，以确定产品内部组件及其相互关系与再创造的过程。[11]

与正向工程相比，逆向工程的思想更符合人类认知规律，其所具有的强操作性可以更好地继承原有产品优势，从而实现理论与实践的融合创新。从认知角度看，逆向工程的本质是在先前产品的基础上就原产品的缺点或不足作局部创新。从实践角度看，逆向工程更侧重通过体验生活中的实物产品，启发学生代入设计者的身份，启发学生的创作意图。[12]可见，本研究认为的逆向工程并非彻底颠覆原教学环节设计，而是以更贴合实际的问题情境激发学习兴趣，丰富体验活动，推动学生在感知与实践的基础上培养创造性思维。

面向创造性思维培养的跨学科逆向工程教学内在逻辑

近年来，项目式学习在跨学科主题学习中广为盛行，其本质上是一种正向的零起点构建项目的教学方式。[13]但由于完整项目的教学周期长且涉及复杂的真实问题，对一线教师造成极高的挑战，所以它不宜作为跨学科主题学习活动开展的首选或唯一方法。[14]因此，逆向工程教学法通过逆向分析目标产品来实现产品优化的过程，对于一线教师开展跨学科主题学习活动来说具有相当大的潜力。但若将逆向工程教学法与跨学科主题学习活动进行融合，仍需进一步细化面向创造性思维培养的内在逻辑分析，具体如图1所示。

1.内容整合：跨学科整合知识助力打破学科壁垒

跨学科强调的是通过多个学科的交叉与综合建构新的知识体系，从而解决单一学科无法解决或不能彻底解决的复杂问题。而“交叉”与“综合”意味着跨学科需要兼具“发散”与“聚合”思维，这也正是创造性思维的核心要义。从这一角度来看，创造性思维似乎与跨学科具有与生俱来的关联性，故而其内涵更侧重于学生在问题解决的过程中，通过跨学科知识整合以获得创造性思维内化，最终发展问题提出与解决能力、创新能力、团队协作能力以及系统设计思维等诸多衍生能力。

2.方法设计：逆向工程教学法设计路径

如上所述，逆向工程从现有产品的使用出发，反向学习作品的设计和制作方法。它分为四个阶段：作品使用与功能分析、作品分解与观察、作品复原与优化以及比较评估与反思。其教学目标并不局限于产品的复原，而是强调在此基础上的再优化，旨在让学生逐渐达到创造性思维的进阶式培养，让相关衍生能力得到调节。

创造性思维培养的基础模型：创造力三维模型

基于上述对面向创造性思维培养的跨学科逆向工程教学内在逻辑的分析，本研究释义了跨学科整合知识的内容整合和逆向工程教学法的方法设计，由此可以得出在跨学科教学的各环节中有效运用逆向工程教学法在促进学生创造性思维发展方面具有巨大的潜力与价值。那么，如何在跨学科教学的各环节中有效运用逆向工程教学法以达成培养学生创造性思维？本研究尝试构建面向创造性思维培养的跨学科逆向工程教学模型，以期为教师提供系统性参考。

为达成培养学生创造性思维这一目标，本研究认为创造性思维并不是由单一要素养成，而是多维复杂的能力综合体。基于此，本研究所采用的基础理论模型是吉尔福特所提出的创造力三维模型理论。他认为人的智力可以分为三个维度，即内容（输入头脑的信息内容）、操作过程（对信息的加工方式）和产物（对信息加工后的结果）（Guilford，1950）。在此背景下，创造性思维的培养更倾向于空间概念，是对其教育教学活动的方向性描述，是未来教育教学改革或创新的基本路径或方向，所以，在考虑如何体现其创造性思维培养的空间结构时可通过维度来展现。

面向创造性思维培养的跨学科逆向工程教学模型构建

1.模型构架

本研究构建的三维模型主要基于对吉尔福特的智力三维模型形式与内涵释义的变式，该模型继承了吉尔福特理论中智力培养所需内容、操作过程以及产物的三维空间结构。本研究通过将课堂教学中不同阶段采用的步骤和涉及的知识结合，形成了方法维、内容维和能力维的三维空间结构。该模型主要用于教师在面向创造性思维培养时所需的跨学科内容知识及相应的逆向工程教学法选择，具体如图2所示。

2.维度释义

思维是人脑对客观现实的概括和间接性反映的过程，揭示事物的本质属性及其中的规律性联系，包括逻辑思维和时间思维。该观点与本研究构建的三维模型的“内容维”和“方法维”不谋而合。综合来看，创造性思维培养是有学科差别的。一般而言，从教育意义上讲，创造性思维从能力上达到空间层面上的提升，不仅需要通过跨学科整合学科知识达到内容上的丰富，更需要逆向工程教学方法来助力学生思维的稳步提升。

（1）内容维

内容维主要是以跨学科大概念整合知识助力打破学科壁垒，以本学科核心素养为核心，通过将不同学科、不同学段的核心概念综合、联接以及进一步抽象，打破原传统学科壁垒，构建跨学科知识融合的桥梁，促进学生在课堂探究与工程设计实践中将跨领域知识内化为核心素养的提升。

（2）方法维

方法维主要是应用逆向工程教学法发挥跨学科教学的育人价值，助力创造性思维培养，该维度是面向创造性思维培养的跨学科逆向工程模型中每项活动所实施的任务内容与决策实施的思维程序，从逆向工程教学法的教学活动阶段划分可分为“作品使用与功能分析、作品分解与观察、作品复原与优化以及比较评估与反思”四个阶段。

（3）能力维

能力维主要是通过课堂教学内容和教师教学方法的使用，让学生创造性思维能力在空间维度上得到提升。正如前文所提，学生思维的提升是一种能力建设工程。而其底层理论基础需要通过跨学科内容知识整合及应用逆向工程教学法助力打破原传统思维固式，教师在现实成品设计基础上，引导学生在体验、分析、复原再创新作品的过程中习得相关概念知识，达成高阶创造性思维的提升。

从该模型各维度观察来看，跨学科教学的本质内涵、逆向工程教学法的核心思想及创造性思维培养的高阶目标都以现实成品原型研究为起点，从而构建面向创造性思维培养的跨学科逆向工程教学体系。

面向创造性思维培养教学案例

本研究以北京市海淀区某小学为实验基地，针对六年级信息科技课中“过程与控制”单元模块，应用前文构建的面向创造性思维培养的跨学科逆向工程教学模型，以跨学科主题项目“改造扫拖一体机器人”为案例展开教学，教学目标如下表所示。在改造过程中，学生通过讨论机器人扫地系统的工作原理，以模型内容维和方法维为二维支撑，在项目实施过程中加深对以创造性思维为核心的各方能力建设系统性、规范性的理解，这样有助于学生创造性思维的持续提升。最后以逆向工程教学方法的实施过程为线索简要概述本案例的实施过程。

1.作品使用与功能分析

教师向学生展示一个扫拖一体机器人成品供学生实践操作。学生通过体验了解该产品具备哪些功能，教师借此渗透信息科技中系统的概念，并通过分析产品工作过程的表现，发现该机器人在扫地过程中经常出现的撞墙、扫不干净现象，促使学生思考反思。

2.作品分解与观察

教师引导学生分解机器人，仔细观察其构造和工作原理，深入探究“为什么会出现机器人在扫地过程中撞墙而且扫不干净的现象”的核心问题，据此了解机器人的内部运行状态。为规范学生分解流程并确保操作规范性，教师采用演示视频将机器人初步分解为开关、马达及毛刷三大模块，引导学生分解各个模块，分析部件间的相互作用，确保学生掌握并理解相互间的关系。

3.作品复原与优化

深化学生对产品结构和工作原理的理解程度，通过分层设计任务让学生分析该机器人各结构环节是否能正常运行，聚焦其中的问题点，对其进行复原与优化。针对不同基础水平的学生，实施分层教学：基础薄弱的小组在有限的时间内正确复原各个模块；中等水平的小组可以从实际需求出发，改进部分模块性能；基础较好的小组，识别现有模块问题，重构产品要素间的结构关系，创新其他子系统功能。最后，所有学生形成一个完整的设计方案，并自主通过编程测试产品运行效能。

4.比较评估与反思

最后的竞赛环节，旨在展示、对比以及评价各组项目作品。每组通过产品演示与汇报，分享复原与优化过程中遇到的问题，重构思路和实施步骤，同时从优点与不足两方面进行反思。

结语

研究表明，本研究构建的教育模型兼具理论与实践价值。从本质上来说，该教育模型是一个多阶段、可迭代的教育框架。但由于该框架的理论性较强，与传统可操作性教学模式差异较大，在实施过程中也面临着巨大的挑战，需要教师们进一步探索。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.义务教育信息科技课程标准（2022年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2022.

[2]康斯雅，钟柏昌.机器人教育中的逆向工程教学模式构建[J].现代远程教育研究，2019，31（04）：56-64.