逆向思維模型在初中圖形化編程教學中的應用研究

張應兵

【摘要】文章從圖形化編程教學的特點、作用和逆向思維模型的引入以及在基于設計中學習的教學模式意義出發，探尋逆向思維模型在初中圖形化編程教學中的應用模式，并從教學目標、教與學的過程設計，以及圍繞教學過程的教學實施要點包括設計任務分析、編程實踐、課本知識輸入、迭代設計、任務評價等方面進行詳細闡述。

【關鍵詞】逆向思維模型；初中；圖形化編程；教學

逆向思維模型是近幾年新興的教學模式之一，在圖像化編程、信息技術教學中具有較高的應用價值。隨著信息技術的快速發展，圖形化編程教學在初中階段的重要性日益凸顯。逆向思維模型在圖形化編程教學中的應用，旨在通過逆向思維的方式，激發學生的創新思維和問題解決能力，提升他們的信息技術素養。

一、圖形化編程教學概述

1.圖形化編程教學

圖像化編程是基于界面功能需求與編程語言，通過編寫有界面的計算機指令程序，實現計算機界面行為的編程過程。通過圖形化的編程環境，理解和應用編程語言，建立人與機械界面間的信息與功能交互，實現編程目標。能夠應用與中小學教學中常用的圖像化編程軟件主要有Scratch以及基于Python、C語言等高級編程語言而設計的圖像化編程軟件。相關研究表明，利用圖形化編程進行教學，在激發學生學習興趣，促進信息技術知識技能掌握，提高計算思維能力、動手能力、問題解決能力和創新能力等方面具有重要作用。

2.圖形化編程在初中信息化技術教育中的作用

在初中信息技術學段目標中，對信息技術的學習，要求能夠基于社會生活真實情景，提取問題的基本特征，有意識地尋求恰當的算法解決問題，了解算法的優勢和局限；對問題進行抽象、分解、建模、制定解決方案；能夠執行問題解決方案、基于數據的采集與分析，反思和優化解決方案，并遷移到解決其他問題；在學生利用數字設備開展創新實踐活動，進行數字化學習與創新，以及提高學生對原始創新在國家可持續發展的重要作用理解等方面發揮重要作用。

3.初中圖形化編程教學特點

從圖像化編程技術來講，具有包容性。圖像化編程創新圖形化、模塊化的運用高級編程語言，使其符合學生的理解和應用，具有容易理解、操作簡單、實施方便、反饋及時、避免代碼語法錯誤等特點，對于初學者具有較強的包容性；圖形化編程可以基于初中各學科內容開展綜合性的教學活動。同時，基于Pyhon、C語言等高級編程語言的圖像化編程程序，對計算機語言深入學習、高級計算機語言學習，以及更高階的應用程序開發、實際創新項目應用等具有足夠的兼容性。

從學生認知能力來講，符合認知要求。初中階段學生已經逐步形成抽象邏輯推理思維，能夠區分形式和內容以及進行抽象的邏輯思維，且思維逐具備了系統，能夠回答假設性問題、進行更復雜演算推理和適應更為復雜的環境條件。

從教學角度來講，更適合基于PBL、DBL模式的教學。編程本身是基于計算機語言實現人的應用需求，在編寫程序前需要基于需求對任務進行邏輯上的分析，運用計算思維以及編程語言對需求進行編程邏輯的表述；寫出來的程序，是人與計算機的語言化交流，存在反復的溝通、調試過程。從思維訓練的角度來講，編程具有多元的逆向思維性。首先，基于任務的問題發現，需要逆向思維來評估問題是否是一個需要解決的問題，即問題的處理價值；在解決問題的過程，可以用到逆向思維進行具有創新性的設計，包括創新過程、問題解決的方式、基于圖像化的功能實現；在通過圖形化編程完成設計方案的過程中，需要基于逆向思維來反復評估方案的可行性、合理性、是否是最優解等等。編程過程本身，存在多元的逆向思考。

二、逆向思維模型在初中圖形化教學中的引入

1.面向信息化技術核心素養的DBL教學模式

基于設計的學習DBL，Design-Based Learning，是一種比較前沿的教學模式，將設計專業較為經典的認知與思考模式融入教學實踐中，在美國K-12互動課堂教學過程中表現良好。DBL圍繞教學目標，通過具有挑戰的學習任務建構基于事務設計與制作的教學活動，在教學過程中，基于組內異質原則建立設計小組，小組成員在根據已有的知識經驗和對未知的自主學習，將小組認知的知識經驗應用與具有挑戰性的實際問題解決當中，通過分析、討論、調查、設計，產出創造性的作品，并通過對作品及創造過程的評價與反思，對作品進行不斷修改和深化的探究，直到達成教學目標為止。

2.DBL教學中的逆向思維

逆向思維在面向信息化技術核心素養的DBL的教學模式，其逆向思考的理解可以是多維度的。比如，基于逆向思考的信息挖掘、問題分析、設計創造以及對創造的反思與評價，在教學理論中，基于逆向思維的思維重構本身也是一種逆向思維，如圖1所示，是基于克魯姆認知六個層次的逆思考循環。

以克魯姆認知六個層次為基礎，從教學的角度來講，在基于理論知識的學習過程中，從知識到創新的過程是基于理論教授，認知過程一般是從回憶、理解等基于原有認知和對新知識的內化進而在應用、分析、評價中進行創造的，這樣的創造創新能力有限，更多可能呈現的是對原有經驗知識的改良，很難發生具有完全創新性的創造。而基于逆向思維的創新，回到創新的本質—對問題的解決，將知識學習融入到創新實踐過程中，知識學習不再是教學的主體，而幫助學習進行創造性活動的一個工具而已，創造需要在原有知識的基礎上去發現人類認知還未解決的問題，在創造性解決問題的同時，發明創造新的知識。因而，通過逆向思維的創新，能夠更為科學的掙脫現有知識經驗的束縛。

3.多林·尼爾森基于認知逆思維的逆向思維學習模型

美國加州州立理工大學波莫納分校的多林·尼爾森，基于其在中小學開設的“城市建造教育”課程教學研究中，建構起基于逆向思維的DBL教學模型，如圖2所示。該模型中，首先，教師需要明確教學目標的主題、概念、標準等；基于課程目標確定一個問題，并將問題進行具體化結構和抽象，描述成一個“從未見過的”設計挑戰；并建立對問題解決的評估標準；進而讓學生“試試看”，進行3D建模、展示、反饋，通過“怎么樣”和“為什么”進行自我評估、反思和再創造；進而基于創作經歷，引入系統的教學課程內容；最后，學生基于理論學習再次進行設計修改、建模等完善設計方案，對自己的學習進行評估和整合，在形成更為完善的設計作品同時，達成教學目的。

三、逆向思維模型在初中圖形化編程教學中的應用模式探究

1.教學目標設定

基于DBL的教學模式，對標信息技術新課標教學要求，編程課程特點以及對學生思維能力的培養要求，基于逆向思維模型的初中圖像化編程教學目標更強調對基礎圖像化編程語言的實際應用，因而，需要在理解基礎的圖形化編程語言的基礎上，以工具應用的形式將圖形化編程應用到項目任務過程中，因而需要達成較高的學習目標。

2.教學實施要點設計

（1）任務分析。在編程實踐前，明確以任務為核心的教學目的，建構學習任務，并且基于學生獨立思考對任務進行可能的要素進行拆解，找出核心問題，并對自我完成任務目標有明確的期許。

在要素拆解過程中，教師不予理論知識的指導，強調通過網絡、課本、課外書籍等學習工具的自主學習探究，實現學習自主的信息獲取能力培養；在評價標準方面，同樣強調學生自我理解的創新，并對學生予以肯定，對于思維受限的學生，通過提問的方式而非規定評價要素來幫助學生建立起對自我任務的評定規則，注重學生信息解構與感知能力的培養；在描述實現過程中，注重學生信息表達能力的培養，同時，關注學生認知系統的特點，并通過可視化的工具的引導，幫助學生加以優化與提升；在建立評價標準方面，強調學生對任務完成的自我預估和約定效應，包括對完成任務所需要的工具、方法、時長以及想要達成的繪圖效果的語言描述等，強調對信息識別能力的培養。

（2）教與學過程設計。如下表。

（3）編程實踐。在編程實踐過程中，強調基于“設計—實踐—學習—反思—再設計”的基于設計的學習。在學生動手創造作品過程中，以反問而非解答的方式幫助學生發現自己的問題所在，強調學生自己發現自己無法完成任務的原因，引領學生開啟探究式學習，進入課程知識輸入環節，同時，仍需并鼓勵學生通過自主學習，解決任務完成過程中遇到的難題。

（4）課本知識輸入。在課程內容知識的系統輸入過程中，首先基于實踐中學習無法完成任務或是任務完成不完善的問題進行典型性的解疑；進而通過可視化的、系統化的知識框架樹立，關鍵問題知識點：比如表情設計設計的五官結構、微表情語義學；繪制過程的計算思維結構，流程圖的表達；編程語言的釋義、邏輯結構等進行詳細的講解。

在理論知識灌輸后，需要基于學生對知識的理解反思自己任務沒能達到預期評價標準的原因，并從工具、方法、知識儲量、操作過程等角度予以評價，將所學生學知識與實踐反思進行串聯，幫助學生更好的理解知識理論，學會反思。

（5）迭代設計。在任務的迭代設計與過程中，基于理論學習、反思以及對自主學習的探究，在完善任務，達成學生自我的設定的評價標準過程中，尤其強調學生更為具有實踐價值的應用創新、流程創新、語言設計創新等。

（6）任務評價。經過周而復始，達成學生最初設定的對任務的評價標準后，進行基于迭代設計過程的任務作品以及學習過程的最終總結，幫助學習完成自我作品的優化、學生間作品的差異性對比，同時，幫助學生基于元認知的發現，比如學習態度、學習方法、策略等元認知層面的認知和理解以及對任務完成的影響。通過以上一系列的教學活動，建立起基于設計任務、逆向思維模型以及多元教學目的的圖形化編程的教與學新模式。

同時，在基于學生任務評價之外，需要教師對自己的教學活動，進行基于教學活動設計標準的、對教學活動本身的設計—實踐—學習—反思—再設計，進行基于逆向思維模型的設計建構、實踐與反思評價和再設計。

四、總結

綜上所述，圖像化編程在初中信息技術學習中具有重要作用，基于編程語言在問題解決、思維訓練以及基礎信息技術知識學習中的特點，需要運用任務、設計型的教學模式開展教學活動。同時，為提升學習自主學習能力以及加強學生對編程所學思維的拓展等，可以采用逆向思維模型開展初中圖像化編程教學。基于逆向思維的模型教學不僅需要基于流程的教學活動設計，更需要在教學實踐過程中建立起基于問題發現、問題分析、問題解決的任務型學習模式，建立起基于逆向思維模型的以應用為目的、知識學習為輔助的設計—實踐—學習—反思—再設計學習模式。

【參考文獻】

[1]植美燁.逆向思維模型在初中圖形化編程教學中的應用研究[D].廣州：廣州大學，2023.

[2]劉秀娟.面向創造力培養的初中信息技術DBL教學模式設計與實踐研究[D].昆明：云南大學，2022.

[3]張悅.基于逆向思維模型的初中3D建模教學活動設計與實踐研究[D].蘭州：西北師范大學，2022.

【課題項目】本文系甘肅省教育科學“十四五”規劃2023年度一般課題“基于學科核心素養下初中信息科技圖形化編程教學的實踐與研究”的研究成果，課題立項號：GS[2023]GHB1046。