面向創造性思維培養的跨學科逆向工程教學模型研究

摘要：新時代的發展需要科技創新人才，影響科技創新人才培養的內因正是創造性思維的建設。本研究首先闡釋了創造性思維培養的跨學科主題學習內容整合及逆向工程教學法方法設計，厘清了面向創造性思維培養的跨學科逆向工程教學內在邏輯，并基于吉爾福特早前所提出的創造力三維模型理論，將跨學科整合知識和逆向工程教學法相結合形成二維基底，提出面向創造性思維培養的跨學科逆向工程教學模型。最終，基于該模型作者設計了“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研究與實踐提供參考。

關鍵詞：創造性思維；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、國務院印發的《中國教育現代化2035》明確要求“創新人才培養模式，培養學生的創新精神與實踐能力”。2022年，教育部發布的《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》提出，“創新教學方式，以真實問題或項目驅動，引導學生經歷原理運用、計算思維和數字化工具應用過程，建構知識，提升問題解決能力”。[1]在此背景下，培養科技創新人才成為教育改革的關鍵點。許多中小學校面向學生創新能力培養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。而逆向工程教學法從“成品出發”的教學方法為當前課堂教學培養科技創新人才提供了新的思路。[2]因此，本研究從創造性思維培養的內在邏輯出發，構建面向創造性思維培養的跨學科逆向工程教學模型并開展實踐應用，以期為中小學教師開展跨學科主題教學提供建設性思路。

概念界定

1.創新思維

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

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系，進而在教學實踐中實現多學科素養的綜合培養。[8]《義務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%的課時設計跨學科主題學習。[9]這表明，跨學科教育將成為未來創新人才培養的重要方向。[10]

3.逆向工程

逆向工程是利用現代設計理論與方法對現有產品進行解剖、測量與分析，以確定產品內部組件及其相互關系與再創造的過程。[11]

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

面向創造性思維培養的跨學科逆向工程教學內在邏輯

近年來，項目式學習在跨學科主題學習中廣為盛行，其本質上是一種正向的零起點構建項目的教學方式。[13]但由于完整項目的教學周期長且涉及復雜的真實問題，對一線教師造成極高的挑戰，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品來實現產品優化的過程，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造性思維培養的內在邏輯分析，具體如圖1所示。

1.內容整合：跨學科整合知識助力打破學科壁壘

跨學科強調的是通過多個學科的交叉與綜合建構新的知識體系，從而解決單一學科無法解決或不能徹底解決的復雜問題。而“交叉”與“綜合”意味著跨學科需要兼具“發散”與“聚合”思維，這也正是創造性思維的核心要義。從這一角度來看，創造性思維似乎與跨學科具有與生俱來的關聯性，故而其內涵更側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造性思維內化，最終發展問題提出與解決能力、創新能力、團隊協作能力以及系統設計思維等諸多衍生能力。

2.方法設計：逆向工程教學法設計路徑

如上所述，逆向工程從現有產品的使用出發，反向學習作品的設計和制作方法。它分為四個階段：作品使用與功能分析、作品分解與觀察、作品復原與優化以及比較評估與反思。其教學目標并不局限于產品的復原，而是強調在此基礎上的再優化，旨在讓學生逐漸達到創造性思維的進階式培養，讓相關衍生能力得到調節。

創造性思維培養的基礎模型：創造力三維模型

基于上述對面向創造性思維培養的跨學科逆向工程教學內在邏輯的分析，本研究釋義了跨學科整合知識的內容整合和逆向工程教學法的方法設計，由此可以得出在跨學科教學的各環節中有效運用逆向工程教學法在促進學生創造性思維發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節中有效運用逆向工程教學法以達成培養學生創造性思維？本研究嘗試構建面向創造性思維培養的跨學科逆向工程教學模型，以期為教師提供系統性參考。

為達成培養學生創造性思維這一目標，本研究認為創造性思維并不是由單一要素養成，而是多維復雜的能力綜合體。基于此，本研究所采用的基礎理論模型是吉爾福特所提出的創造力三維模型理論。他認為人的智力可以分為三個維度，即內容（輸入頭腦的信息內容）、操作過程（對信息的加工方式）和產物（對信息加工后的結果）（Guilford，1950）。在此背景下，創造性思維的培養更傾向于空間概念，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新的基本路徑或方向，所以，在考慮如何體現其創造性思維培養的空間結構時可通過維度來展現。

面向創造性思維培養的跨學科逆向工程教學模型構建

1.模型構架

本研究構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涵釋義的變式，該模型繼承了吉爾福特理論中智力培養所需內容、操作過程以及產物的三維空間結構。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合，形成了方法維、內容維和能力維的三維空間結構。該模型主要用于教師在面向創造性思維培養時所需的跨學科內容知識及相應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實的概括和間接性反映的過程，揭示事物的本質屬性及其中的規律性聯系，包括邏輯思維和時間思維。該觀點與本研究構建的三維模型的“內容維”和“方法維”不謀而合。綜合來看，創造性思維培養是有學科差別的。一般而言，從教育意義上講，創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步提升。

（1）內容維

內容維主要是以跨學科大概念整合知識助力打破學科壁壘，以本學科核心素養為核心，通過將不同學科、不同學段的核心概念綜合、聯接以及進一步抽象，打破原傳統學科壁壘，構建跨學科知識融合的橋梁，促進學生在課堂探究與工程設計實踐中將跨領域知識內化為核心素養的提升。

（2）方法維

方法維主要是應用逆向工程教學法發揮跨學科教學的育人價值，助力創造性思維培養，該維度是面向創造性思維培養的跨學科逆向工程模型中每項活動所實施的任務內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、作品復原與優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容和教師教學方法的使用，讓學生創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工程。而其底層理論基礎需要通過跨學科內容知識整合及應用逆向工程教學法助力打破原傳統思維固式，教師在現實成品設計基礎上，引導學生在體驗、分析、復原再創新作品的過程中習得相關概念知識，達成高階創造性思維的提升。

從該模型各維度觀察來看，跨學科教學的本質內涵、逆向工程教學法的核心思想及創造性思維培養的高階目標都以現實成品原型研究為起點，從而構建面向創造性思維培養的跨學科逆向工程教學體系。

面向創造性思維培養教學案例

本研究以北京市海淀區某小學為實驗基地，針對六年級信息科技課中“過程與控制”單元模塊，應用前文構建的面向創造性思維培養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的工作原理，以模型內容維和方法維為二維支撐，在項目實施過程中加深對以創造性思維為核心的各方能力建設系統性、規范性的理解，這樣有助于學生創造性思維的持續提升。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

教師向學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品具備哪些功能，教師借此滲透信息科技中系統的概念，并通過分析產品工作過程的表現，發現該機器人在掃地過程中經常出現的撞墻、掃不干凈現象，促使學生思考反思。

2.作品分解與觀察

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

3.作品復原與優化

深化學生對產品結構和工作原理的理解程度，通過分層設計任務讓學生分析該機器人各結構環節是否能正常運行，聚焦其中的問題點，對其進行復原與優化。針對不同基礎水平的學生，實施分層教學：基礎薄弱的小組在有限的時間內正確復原各個模塊；中等水平的小組可以從實際需求出發，改進部分模塊性能；基礎較好的小組，識別現有模塊問題，重構產品要素間的結構關系，創新其他子系統功能。最后，所有學生形成一個完整的設計方案，并自主通過編程測試產品運行效能。

4.比較評估與反思

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

結語

研究表明，本研究構建的教育模型兼具理論與實踐價值。從本質上來說，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，需要教師們進一步探索。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.義務教育信息科技課程標準（2022年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2022.

[2]康斯雅，鐘柏昌.機器人教育中的逆向工程教學模式構建[J].現代遠程教育研究，2019，31（04）：56-64.

[3]GUILFORD J P.Creativity[J].American psychologist，1950（09）：444-454．

[4]Yang，W.，Green，A.E.，Chen，Q.，Kenett， Y. N.，Sun，J.，Wei，D.，& Qiu，J.Creative problem solving in knowledge-rich contexts[J].Trends in Cognitive Sciences，2022，26（10）：849-859.

[5]林崇德.創造性心理學的幾項研究[J].山東師范大學學報：人文社會科學版，2014，59（06）：5-14+2.

[6]劉春雷，王敏，張慶林.創造性思維的腦機制[J].心理科學進展，2009，17（01）：106-111.

[7]詹澤慧，梅虎，麥子號，等.創造性思維與創新思維：內涵辨析、聯動與展望[J].現代DPgru6xMNBgJ7YLrAvLUsw==遠程教育研究，2019（02）：40-49+66.

[8]穆瑤甲，劉春瓊.跨學科主題教學設計的關鍵問題與實踐路徑[J].教育理論與實踐，2024，44（08）：9-14.

[9]中華人民共和國教育部.義務教育課程方案和課程標準（2022年版）[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A26/s8001/202204/t20220420_619921.html.

[10]鄭昱，蔡穎蔚，徐駿.跨學科教育與拔尖創新人才培養[J].中國大學教學，2019（Z1）：36-40.

[11]ZU W M. Application of reverse engineering technology and current status and development trend of research at home and abroad[J].Value Engineering，2011（21）：30-31.

[12]LITT，ZHONG B C. Core theoretical research on robot education in primary and secondary schools——on experimental simulation teaching mode[J].E-Education Research，2017（09）：96-101.

[13]董艷，夏亮亮，李心怡，等.ChatGPT賦能學生學習的路徑探析[J].電化教育研究，2023（12）：14-20+34.

[14]鐘柏昌，劉曉凡，陳嵐鑫.“新師范”背景下師范生跨學科創新能力培養的基本框架與實踐案例[J].電化教育研究，2023，44（07）：114-120+128.