逆向思維模型在小學機器人教學中的應用探索

韓平 李卉

摘要：本文以尼爾森的“逆向思維學習過程模型”為基礎，以培養探索精神、問題解決能力、實踐能力、創新能力為目標，從師生活動的角度出發構建小學機器人的教學模式，并詳細闡述了該模式包含項目確立、設計——實踐、組織指導課程、再設計——實踐、評價反思五個階段，同時對具體教學實踐案例進行深入剖析，提出教師在實施中應注意教學思路的逆向性、教與學的循環迭代性、師生之間的評價與反思，以期為小學機器人教學實踐提供參考。

關鍵詞：逆向思維模型;小學機器人教學;教學模式

近幾年來，有關逆向思維的教學受到學者們和一線教師的關注，其核心觀點“學生的學習應始于高級別的分析、推理”得到教師們的認可。國內外學者也在不斷嘗試實踐尼爾森教授所提出的“逆向思維學習過程模型”（以下簡稱“逆向思維模型”），并取得顯著成果。研究表明，該模型能夠培養學生分析推理、自主學習、合作探索、實踐創新等能力，與機器人教育不謀而合。據此，本研究以尼爾森教授的“逆向思維模型”為基礎，探討小學機器人教學模式。

一、逆向思維模型的小學機器人教學模式構建

為了在小學機器人教學中更好地激發學生的自主學習，積極探索，充分實踐，促進學生問題解決能力、創新能力的形成，針對小學機器人課堂如何實施逆向思維模型。本模式以培養學生探索精神、問題解決能力、實踐能力、創新能力為目標，從教師活動、學生活動出發構建逆向思維模型的小學機器人教學模式，包含以下五個階段：

（一）項目確立階段

機器人的學習采用小組合作方式進行。教師根據學生意愿、興趣、特長進行分組（2-4人），組間同質，組內異質。

教學之初，通過描述或鋪設機器人項目場地，創設具體的情境，提出需要解決的問題。通過師生互動交流，提出“從未見過”的挑戰，并明確挑戰項目的要求，如，詳細闡述機器人需要完成的動作和效果，激發學習熱情。

針對這一挑戰，生生之間、小組之間、師生之間進行頭腦風暴，依據項目挑戰要求共同設置評價標準。該評價標準作為學生進行機器人設計的引導，作為自我評估的衡量標準。

（二）設計——實踐階段

學生首先明確項目要求，小組分工合作，初步設計機器人結構、繪制結構圖，并進行調查探究，小組交流，全班展示分享，師生針對每組設計提出合理性建議，各小組依據建議修改。在這一過程中，小組的設計、分享、修改并不是一次完成的，根據各小組想法、設計有可能需要多次的修改與分享，甚至是復盤重設。最后，初步設計的機器人為學生提供了創新的基礎，學生開始真正進入學習探索。

依據設計方案，小組分工合作，依據以往的學習經驗，通過查閱相關資料、視頻、學習支持等方法，自主學習和探究新課的知識和技能，并運用所學設計搭建初始機器人結構，隨后根據所搭建的結構編寫機器人的腳本，在場地中模擬嘗試機器人動作，做好調試記錄，最后根據反饋對所設計的機器人進行結構和腳本的修改與完善，記錄問題，嘗試解決。在此過程中，教師要注意觀察學生的探究活動，根據實際情況對學生進行適當指導。

（三）組織指導課程階段

在學生自主探索的過程中，學生會對未能解決的問題、難點，向教師提出新知需求。教師依據學生需求開展新知的課程教學，重點講解大部分學生遇到的重難點知識，如，傳感器的使用技巧、某段程序編寫等，幫助學生解決問題。

（四）再設計——實踐階段

學生依據教師的補充知識對機器人修改，完善方案，進行再次的設計、搭建、調試、修改，優化機器人，這樣迭代“設計——實踐”，直至完成項目。在此過程中，“設計與實踐”并不是孤立的，有可能還需要重返之前的階段，這將逐步促進學生新知和技能的習得與掌握，逐步培養探索精神、實踐能力和創新能力，促進學生的發展。在此過程中，教師仍要注意觀察學生的探究活動，根據實際情況對學生進行適當指導，注意提醒學生工程筆記的撰寫，原始資料和數據的收集，指導學生以工程師的方式完成項目。

（五）評價反思階段

學生完成機器人設計制作后，進行小組的展示與分享。學生采用多元化的評價方式，結合教師評價、小組互評、組內評價等形式。當上述環節都結束時，教師幫助學生回顧學習過程，鞏固知識點，并針對本項目的學習效果及學生表現做出總結。

二、逆向思維模型的小學機器人教學案例

2019年至今，筆者進行多次逆向思維學習過程模型的小學機器人教學實踐。下面以“移動黃球”為例從教師活動和學生活動展開論述。

“移動黃球”來源于2021年MakeX機器人挑戰賽“智慧交通”項目的“M10采集城市數據”任務。該項目的要求是：設計能進行移動黃球的機器人，即在規定的時間內使用機器人將黃球從場地放入容器內。在進行此項目之前，學生已完成MakeBlock機器人基礎課程的學習。

（一）教師活動

在機器人教與學的逆向思維學習過程中，教師是學生學習的指導者、幫助者和促進者。教師展示項目“移動黃球”，提出挑戰“使用舵機結構能實現黃球的移動”，師生交流互動，共同設置評價標準。

（二） 學生活動

在機器人教與學的逆向思維學習過程中，學生是學習的主體，是“探究者”“設計者”“實踐者”“反思者”。學生的學習活動具體包括如下：

第一階段：確立項目，師生共同確立標準。師生、生生之間進行頭腦風暴，依據項目要求，嘗試提出在項目過程中自己需要做的和不需要做的，教師補充完善，最終確立評價標準。

第二階段：學生利用所學的《機器人行走》《搬運機器人》《球環分離》等項目建立聯系，自主學習和探究新課的知識和技能，小組討論，設計“移動黃球”的機器人方案，繪制機器人結構圖，并進行匯報交流。依據教師、小組間的反饋和建議進行調整修改，最終確立方案（各個小組的方案各不相同）。依據方案嘗試搭建機器人，編寫腳本，收集問題，嘗試解決，初步完成“移動黃球”機器人。

第三階段：提出學習要求，認真學習教師所教授的“舵機”的安裝注意點和程序設計的方法，突破難點。

第四階段：小組成員依據教師的補充知識，嘗試解決問題，交流評價，直至“移動黃球”機器人完成。

通過學習，學生以工程師的角度展開機器人項目的學習，學習小組合作，經過反復的迭代設計實踐，掌握新知和技能，并且不斷深化鞏固，完成最終的“移動黃球”機器人。

三、開展逆向思維模型的小學機器人教學注意點

在開展逆向思維模型的小學機器人教學時，教師需注意以下幾點：

（一）注意教學思路的逆向性

逆向思維模型的小學機器人教學模式最大的特點是逆向思維。對于教師而言，逆向思維的機器人教學并不始于教師講授新知，而是讓學生在設計——實踐階段中自主學習和探究新課的知識與技能。這種逆向學習方式更能讓學生進行有意義地學習，在反復迭代中逐步習得新知與技能，促進學生的認知發展。

（二）注意教與學的循環迭代性

學生探索精神、問題解決能力、實踐能力和創新能力的培養是在教與學的循環迭代中不斷發展的。克洛德納曾提出“知識應用于實踐前，通常需要反復的循環設計才能實現”，循環迭代能促進學生更好地掌握所學的知識，加強知識的鞏固與應用。

（三）注意師生之間的評價與反思

這需要重點強調，因為反思是貫穿整個逆向思維學習過程的，包含學生過程性評價反思和最后的成果評價反思。依據小組自評、小組互評、教師評價等形式對設計實踐過程及成果進行評價與反思，改進機器人，優化機器人，不斷迭代完善，最終發布成果。

結束語

本研究旨在培養學生探索精神、實踐能力、創新能力，在以尼爾森教授逆向思維模型為基礎，構建逆向思維模型的小學機器人教學模式。當前，筆者正以此模式開展一系列實踐研究，應用于我校MakeBlock機器人教學，以期逐步完善該模式，為推進機器人教育教學提供參考。