逆向思維模型在初中圖形化編程教學(xué)中的應(yīng)用研究

張應(yīng)兵

【摘要】文章從圖形化編程教學(xué)的特點、作用和逆向思維模型的引入以及在基于設(shè)計中學(xué)習(xí)的教學(xué)模式意義出發(fā)，探尋逆向思維模型在初中圖形化編程教學(xué)中的應(yīng)用模式，并從教學(xué)目標(biāo)、教與學(xué)的過程設(shè)計，以及圍繞教學(xué)過程的教學(xué)實施要點包括設(shè)計任務(wù)分析、編程實踐、課本知識輸入、迭代設(shè)計、任務(wù)評價等方面進(jìn)行詳細(xì)闡述。

【關(guān)鍵詞】逆向思維模型；初中；圖形化編程；教學(xué)

逆向思維模型是近幾年新興的教學(xué)模式之一，在圖像化編程、信息技術(shù)教學(xué)中具有較高的應(yīng)用價值。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，圖形化編程教學(xué)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(xué)中的應(yīng)用，旨在通過逆向思維的方式，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和問題解決能力，提升他們的信息技術(shù)素養(yǎng)。

一、圖形化編程教學(xué)概述

1.圖形化編程教學(xué)

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(jī)指令程序，實現(xiàn)計算機(jī)界面行為的編程過程。通過圖形化的編程環(huán)境，理解和應(yīng)用編程語言，建立人與機(jī)械界面間的信息與功能交互，實現(xiàn)編程目標(biāo)。能夠應(yīng)用與中小學(xué)教學(xué)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(shè)計的圖像化編程軟件。相關(guān)研究表明，利用圖形化編程進(jìn)行教學(xué)，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)信息技術(shù)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(chuàng)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(shù)教育中的作用

在初中信息技術(shù)學(xué)段目標(biāo)中，對信息技術(shù)的學(xué)習(xí)，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(dāng)?shù)乃惴ń鉀Q問題，了解算法的優(yōu)勢和局限；對問題進(jìn)行抽象、分解、建模、制定解決方案；能夠執(zhí)行問題解決方案、基于數(shù)據(jù)的采集與分析，反思和優(yōu)化解決方案，并遷移到解決其他問題；在學(xué)生利用數(shù)字設(shè)備開展創(chuàng)新實踐活動，進(jìn)行數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新，以及提高學(xué)生對原始創(chuàng)新在國家可持續(xù)發(fā)展的重要作用理解等方面發(fā)揮重要作用。

3.初中圖形化編程教學(xué)特點

從圖像化編程技術(shù)來講，具有包容性。圖像化編程創(chuàng)新圖形化、模塊化的運(yùn)用高級編程語言，使其符合學(xué)生的理解和應(yīng)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(xué)者具有較強(qiáng)的包容性；圖形化編程可以基于初中各學(xué)科內(nèi)容開展綜合性的教學(xué)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(jī)語言深入學(xué)習(xí)、高級計算機(jī)語言學(xué)習(xí)，以及更高階的應(yīng)用程序開發(fā)、實際創(chuàng)新項目應(yīng)用等具有足夠的兼容性。

從學(xué)生認(rèn)知能力來講，符合認(rèn)知要求。初中階段學(xué)生已經(jīng)逐步形成抽象邏輯推理思維，能夠區(qū)分形式和內(nèi)容以及進(jìn)行抽象的邏輯思維，且思維逐具備了系統(tǒng)，能夠回答假設(shè)性問題、進(jìn)行更復(fù)雜演算推理和適應(yīng)更為復(fù)雜的環(huán)境條件。

從教學(xué)角度來講，更適合基于PBL、DBL模式的教學(xué)。編程本身是基于計算機(jī)語言實現(xiàn)人的應(yīng)用需求，在編寫程序前需要基于需求對任務(wù)進(jìn)行邏輯上的分析，運(yùn)用計算思維以及編程語言對需求進(jìn)行編程邏輯的表述；寫出來的程序，是人與計算機(jī)的語言化交流，存在反復(fù)的溝通、調(diào)試過程。從思維訓(xùn)練的角度來講，編程具有多元的逆向思維性。首先，基于任務(wù)的問題發(fā)現(xiàn)，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(jìn)行具有創(chuàng)新性的設(shè)計，包括創(chuàng)新過程、問題解決的方式、基于圖像化的功能實現(xiàn)；在通過圖形化編程完成設(shè)計方案的過程中，需要基于逆向思維來反復(fù)評估方案的可行性、合理性、是否是最優(yōu)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(xué)中的引入

1.面向信息化技術(shù)核心素養(yǎng)的DBL教學(xué)模式

基于設(shè)計的學(xué)習(xí)DBL，Design-Based Learning，是一種比較前沿的教學(xué)模式，將設(shè)計專業(yè)較為經(jīng)典的認(rèn)知與思考模式融入教學(xué)實踐中，在美國K-12互動課堂教學(xué)過程中表現(xiàn)良好。DBL圍繞教學(xué)目標(biāo)，通過具有挑戰(zhàn)的學(xué)習(xí)任務(wù)建構(gòu)基于事務(wù)設(shè)計與制作的教學(xué)活動，在教學(xué)過程中，基于組內(nèi)異質(zhì)原則建立設(shè)計小組，小組成員在根據(jù)已有的知識經(jīng)驗和對未知的自主學(xué)習(xí)，將小組認(rèn)知的知識經(jīng)驗應(yīng)用與具有挑戰(zhàn)性的實際問題解決當(dāng)中，通過分析、討論、調(diào)查、設(shè)計，產(chǎn)出創(chuàng)造性的作品，并通過對作品及創(chuàng)造過程的評價與反思，對作品進(jìn)行不斷修改和深化的探究，直到達(dá)成教學(xué)目標(biāo)為止。

2.DBL教學(xué)中的逆向思維

逆向思維在面向信息化技術(shù)核心素養(yǎng)的DBL的教學(xué)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(shè)計創(chuàng)造以及對創(chuàng)造的反思與評價，在教學(xué)理論中，基于逆向思維的思維重構(gòu)本身也是一種逆向思維，如圖1所示，是基于克魯姆認(rèn)知六個層次的逆思考循環(huán)。

以克魯姆認(rèn)知六個層次為基礎(chǔ)，從教學(xué)的角度來講，在基于理論知識的學(xué)習(xí)過程中，從知識到創(chuàng)新的過程是基于理論教授，認(rèn)知過程一般是從回憶、理解等基于原有認(rèn)知和對新知識的內(nèi)化進(jìn)而在應(yīng)用、分析、評價中進(jìn)行創(chuàng)造的，這樣的創(chuàng)造創(chuàng)新能力有限，更多可能呈現(xiàn)的是對原有經(jīng)驗知識的改良，很難發(fā)生具有完全創(chuàng)新性的創(chuàng)造。而基于逆向思維的創(chuàng)新，回到創(chuàng)新的本質(zhì)—對問題的解決，將知識學(xué)習(xí)融入到創(chuàng)新實踐過程中，知識學(xué)習(xí)不再是教學(xué)的主體，而幫助學(xué)習(xí)進(jìn)行創(chuàng)造性活動的一個工具而已，創(chuàng)造需要在原有知識的基礎(chǔ)上去發(fā)現(xiàn)人類認(rèn)知還未解決的問題，在創(chuàng)造性解決問題的同時，發(fā)明創(chuàng)造新的知識。因而，通過逆向思維的創(chuàng)新，能夠更為科學(xué)的掙脫現(xiàn)有知識經(jīng)驗的束縛。

3.多林·尼爾森基于認(rèn)知逆思維的逆向思維學(xué)習(xí)模型

美國加州州立理工大學(xué)波莫納分校的多林·尼爾森，基于其在中小學(xué)開設(shè)的“城市建造教育”課程教學(xué)研究中，建構(gòu)起基于逆向思維的DBL教學(xué)模型，如圖2所示。該模型中，首先，教師需要明確教學(xué)目標(biāo)的主題、概念、標(biāo)準(zhǔn)等；基于課程目標(biāo)確定一個問題，并將問題進(jìn)行具體化結(jié)構(gòu)和抽象，描述成一個“從未見過的”設(shè)計挑戰(zhàn)；并建立對問題解決的評估標(biāo)準(zhǔn)；進(jìn)而讓學(xué)生“試試看”，進(jìn)行3D建模、展示、反饋，通過“怎么樣”和“為什么”進(jìn)行自我評估、反思和再創(chuàng)造；進(jìn)而基于創(chuàng)作經(jīng)歷，引入系統(tǒng)的教學(xué)課程內(nèi)容；最后，學(xué)生基于理論學(xué)習(xí)再次進(jìn)行設(shè)計修改、建模等完善設(shè)計方案，對自己的學(xué)習(xí)進(jìn)行評估和整合，在形成更為完善的設(shè)計作品同時，達(dá)成教學(xué)目的。

三、逆向思維模型在初中圖形化編程教學(xué)中的應(yīng)用模式探究

1.教學(xué)目標(biāo)設(shè)定

基于DBL的教學(xué)模式，對標(biāo)信息技術(shù)新課標(biāo)教學(xué)要求，編程課程特點以及對學(xué)生思維能力的培養(yǎng)要求，基于逆向思維模型的初中圖像化編程教學(xué)目標(biāo)更強(qiáng)調(diào)對基礎(chǔ)圖像化編程語言的實際應(yīng)用，因而，需要在理解基礎(chǔ)的圖形化編程語言的基礎(chǔ)上，以工具應(yīng)用的形式將圖形化編程應(yīng)用到項目任務(wù)過程中，因而需要達(dá)成較高的學(xué)習(xí)目標(biāo)。

2.教學(xué)實施要點設(shè)計

（1）任務(wù)分析。在編程實踐前，明確以任務(wù)為核心的教學(xué)目的，建構(gòu)學(xué)習(xí)任務(wù)，并且基于學(xué)生獨立思考對任務(wù)進(jìn)行可能的要素進(jìn)行拆解，找出核心問題，并對自我完成任務(wù)目標(biāo)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(dǎo)，強(qiáng)調(diào)通過網(wǎng)絡(luò)、課本、課外書籍等學(xué)習(xí)工具的自主學(xué)習(xí)探究，實現(xiàn)學(xué)習(xí)自主的信息獲取能力培養(yǎng)；在評價標(biāo)準(zhǔn)方面，同樣強(qiáng)調(diào)學(xué)生自我理解的創(chuàng)新，并對學(xué)生予以肯定，對于思維受限的學(xué)生，通過提問的方式而非規(guī)定評價要素來幫助學(xué)生建立起對自我任務(wù)的評定規(guī)則，注重學(xué)生信息解構(gòu)與感知能力的培養(yǎng)；在描述實現(xiàn)過程中，注重學(xué)生信息表達(dá)能力的培養(yǎng)，同時，關(guān)注學(xué)生認(rèn)知系統(tǒng)的特點，并通過可視化的工具的引導(dǎo)，幫助學(xué)生加以優(yōu)化與提升；在建立評價標(biāo)準(zhǔn)方面，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對任務(wù)完成的自我預(yù)估和約定效應(yīng)，包括對完成任務(wù)所需要的工具、方法、時長以及想要達(dá)成的繪圖效果的語言描述等，強(qiáng)調(diào)對信息識別能力的培養(yǎng)。

（2）教與學(xué)過程設(shè)計。如下表。

（3）編程實踐。在編程實踐過程中，強(qiáng)調(diào)基于“設(shè)計—實踐—學(xué)習(xí)—反思—再設(shè)計”的基于設(shè)計的學(xué)習(xí)。在學(xué)生動手創(chuàng)造作品過程中，以反問而非解答的方式幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己的問題所在，強(qiáng)調(diào)學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)自己無法完成任務(wù)的原因，引領(lǐng)學(xué)生開啟探究式學(xué)習(xí)，進(jìn)入課程知識輸入環(huán)節(jié)，同時，仍需并鼓勵學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)，解決任務(wù)完成過程中遇到的難題。

（4）課本知識輸入。在課程內(nèi)容知識的系統(tǒng)輸入過程中，首先基于實踐中學(xué)習(xí)無法完成任務(wù)或是任務(wù)完成不完善的問題進(jìn)行典型性的解疑；進(jìn)而通過可視化的、系統(tǒng)化的知識框架樹立，關(guān)鍵問題知識點：比如表情設(shè)計設(shè)計的五官結(jié)構(gòu)、微表情語義學(xué)；繪制過程的計算思維結(jié)構(gòu)，流程圖的表達(dá)；編程語言的釋義、邏輯結(jié)構(gòu)等進(jìn)行詳細(xì)的講解。

在理論知識灌輸后，需要基于學(xué)生對知識的理解反思自己任務(wù)沒能達(dá)到預(yù)期評價標(biāo)準(zhǔn)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(xué)生學(xué)知識與實踐反思進(jìn)行串聯(lián)，幫助學(xué)生更好的理解知識理論，學(xué)會反思。

（5）迭代設(shè)計。在任務(wù)的迭代設(shè)計與過程中，基于理論學(xué)習(xí)、反思以及對自主學(xué)習(xí)的探究，在完善任務(wù)，達(dá)成學(xué)生自我的設(shè)定的評價標(biāo)準(zhǔn)過程中，尤其強(qiáng)調(diào)學(xué)生更為具有實踐價值的應(yīng)用創(chuàng)新、流程創(chuàng)新、語言設(shè)計創(chuàng)新等。

（6）任務(wù)評價。經(jīng)過周而復(fù)始，達(dá)成學(xué)生最初設(shè)定的對任務(wù)的評價標(biāo)準(zhǔn)后，進(jìn)行基于迭代設(shè)計過程的任務(wù)作品以及學(xué)習(xí)過程的最終總結(jié)，幫助學(xué)習(xí)完成自我作品的優(yōu)化、學(xué)生間作品的差異性對比，同時，幫助學(xué)生基于元認(rèn)知的發(fā)現(xiàn)，比如學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)方法、策略等元認(rèn)知層面的認(rèn)知和理解以及對任務(wù)完成的影響。通過以上一系列的教學(xué)活動，建立起基于設(shè)計任務(wù)、逆向思維模型以及多元教學(xué)目的的圖形化編程的教與學(xué)新模式。

同時，在基于學(xué)生任務(wù)評價之外，需要教師對自己的教學(xué)活動，進(jìn)行基于教學(xué)活動設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的、對教學(xué)活動本身的設(shè)計—實踐—學(xué)習(xí)—反思—再設(shè)計，進(jìn)行基于逆向思維模型的設(shè)計建構(gòu)、實踐與反思評價和再設(shè)計。

四、總結(jié)

綜上所述，圖像化編程在初中信息技術(shù)學(xué)習(xí)中具有重要作用，基于編程語言在問題解決、思維訓(xùn)練以及基礎(chǔ)信息技術(shù)知識學(xué)習(xí)中的特點，需要運(yùn)用任務(wù)、設(shè)計型的教學(xué)模式開展教學(xué)活動。同時，為提升學(xué)習(xí)自主學(xué)習(xí)能力以及加強(qiáng)學(xué)生對編程所學(xué)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(xué)。基于逆向思維的模型教學(xué)不僅需要基于流程的教學(xué)活動設(shè)計，更需要在教學(xué)實踐過程中建立起基于問題發(fā)現(xiàn)、問題分析、問題解決的任務(wù)型學(xué)習(xí)模式，建立起基于逆向思維模型的以應(yīng)用為目的、知識學(xué)習(xí)為輔助的設(shè)計—實踐—學(xué)習(xí)—反思—再設(shè)計學(xué)習(xí)模式。

【參考文獻(xiàn)】

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

[2]劉秀娟.面向創(chuàng)造力培養(yǎng)的初中信息技術(shù)DBL教學(xué)模式設(shè)計與實踐研究[D].昆明：云南大學(xué)，2022.

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

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