逆向思维模型在小学机器人教学中的应用探索

韩平 李卉

摘要：本文以尼尔森的“逆向思维学习过程模型”为基础，以培养探索精神、问题解决能力、实践能力、创新能力为目标，从师生活动的角度出发构建小学机器人的教学模式，并详细阐述了该模式包含项目确立、设计——实践、组织指导课程、再设计——实践、评价反思五个阶段，同时对具体教学实践案例进行深入剖析，提出教师在实施中应注意教学思路的逆向性、教与学的循环迭代性、师生之间的评价与反思，以期为小学机器人教学实践提供参考。

关键词：逆向思维模型;小学机器人教学;教学模式

近几年来，有关逆向思维的教学受到学者们和一线教师的关注，其核心观点“学生的学习应始于高级别的分析、推理”得到教师们的认可。国内外学者也在不断尝试实践尼尔森教授所提出的“逆向思维学习过程模型”（以下简称“逆向思维模型”），并取得显著成果。研究表明，该模型能够培养学生分析推理、自主学习、合作探索、实践创新等能力，与机器人教育不谋而合。据此，本研究以尼尔森教授的“逆向思维模型”为基础，探讨小学机器人教学模式。

一、逆向思维模型的小学机器人教学模式构建

为了在小学机器人教学中更好地激发学生的自主学习，积极探索，充分实践，促进学生问题解决能力、创新能力的形成，针对小学机器人课堂如何实施逆向思维模型。本模式以培养学生探索精神、问题解决能力、实践能力、创新能力为目标，从教师活动、学生活动出发构建逆向思维模型的小学机器人教学模式，包含以下五个阶段：

（一）项目确立阶段

机器人的学习采用小组合作方式进行。教师根据学生意愿、兴趣、特长进行分组（2-4人），组间同质，组内异质。

教学之初，通过描述或铺设机器人项目场地，创设具体的情境，提出需要解决的问题。通过师生互动交流，提出“从未见过”的挑战，并明确挑战项目的要求，如，详细阐述机器人需要完成的动作和效果，激发学习热情。

针对这一挑战，生生之间、小组之间、师生之间进行头脑风暴，依据项目挑战要求共同设置评价标准。该评价标准作为学生进行机器人设计的引导，作为自我评估的衡量标准。

（二）设计——实践阶段

学生首先明确项目要求，小组分工合作，初步设计机器人结构、绘制结构图，并进行调查探究，小组交流，全班展示分享，师生针对每组设计提出合理性建议，各小组依据建议修改。在这一过程中，小组的设计、分享、修改并不是一次完成的，根据各小组想法、设计有可能需要多次的修改与分享，甚至是复盘重设。最后，初步设计的机器人为学生提供了创新的基础，学生开始真正进入学习探索。

依据设计方案，小组分工合作，依据以往的学习经验，通过查阅相关资料、视频、学习支持等方法，自主学习和探究新课的知识和技能，并运用所学设计搭建初始机器人结构，随后根据所搭建的结构编写机器人的脚本，在场地中模拟尝试机器人动作，做好调试记录，最后根据反馈对所设计的机器人进行结构和脚本的修改与完善，记录问题，尝试解决。在此过程中，教师要注意观察学生的探究活动，根据实际情况对学生进行适当指导。

（三）组织指导课程阶段

在学生自主探索的过程中，学生会对未能解决的问题、难点，向教师提出新知需求。教师依据学生需求开展新知的课程教学，重点讲解大部分学生遇到的重难点知识，如，传感器的使用技巧、某段程序编写等，帮助学生解决问题。

（四）再设计——实践阶段

学生依据教师的补充知识对机器人修改，完善方案，进行再次的设计、搭建、调试、修改，优化机器人，这样迭代“设计——实践”，直至完成项目。在此过程中，“设计与实践”并不是孤立的，有可能还需要重返之前的阶段，这将逐步促进学生新知和技能的习得与掌握，逐步培养探索精神、实践能力和创新能力，促进学生的发展。在此过程中，教师仍要注意观察学生的探究活动，根据实际情况对学生进行适当指导，注意提醒学生工程笔记的撰写，原始资料和数据的收集，指导学生以工程师的方式完成项目。

（五）评价反思阶段

学生完成机器人设计制作后，进行小组的展示与分享。学生采用多元化的评价方式，结合教师评价、小组互评、组内评价等形式。当上述环节都结束时，教师帮助学生回顾学习过程，巩固知识点，并针对本项目的学习效果及学生表现做出总结。

二、逆向思维模型的小学机器人教学案例

2019年至今，笔者进行多次逆向思维学习过程模型的小学机器人教学实践。下面以“移动黄球”为例从教师活动和学生活动展开论述。

“移动黄球”来源于2021年MakeX机器人挑战赛“智慧交通”项目的“M10采集城市数据”任务。该项目的要求是：设计能进行移动黄球的机器人，即在规定的时间内使用机器人将黄球从场地放入容器内。在进行此项目之前，學生已完成MakeBlock机器人基础课程的学习。

（一）教师活动

在机器人教与学的逆向思维学习过程中，教师是学生学习的指导者、帮助者和促进者。教师展示项目“移动黄球”，提出挑战“使用舵机结构能实现黄球的移动”，师生交流互动，共同设置评价标准。

（二） 学生活动

在机器人教与学的逆向思维学习过程中，学生是学习的主体，是“探究者”“设计者”“实践者”“反思者”。学生的学习活动具体包括如下：

第一阶段：确立项目，师生共同确立标准。师生、生生之间进行头脑风暴，依据项目要求，尝试提出在项目过程中自己需要做的和不需要做的，教师补充完善，最终确立评价标准。

第二阶段：学生利用所学的《机器人行走》《搬运机器人》《球环分离》等项目建立联系，自主学习和探究新课的知识和技能，小组讨论，设计“移动黄球”的机器人方案，绘制机器人结构图，并进行汇报交流。依据教师、小组间的反馈和建议进行调整修改，最终确立方案（各个小组的方案各不相同）。依据方案尝试搭建机器人，编写脚本，收集问题，尝试解决，初步完成“移动黄球”机器人。

第三阶段：提出学习要求，认真学习教师所教授的“舵机”的安装注意点和程序设计的方法，突破难点。

第四阶段：小组成员依据教师的补充知识，尝试解决问题，交流评价，直至“移动黄球”机器人完成。

通过学习，学生以工程师的角度展开机器人项目的学习，学习小组合作，经过反复的迭代设计实践，掌握新知和技能，并且不断深化巩固，完成最终的“移动黄球”机器人。

三、开展逆向思维模型的小学机器人教学注意点

在开展逆向思维模型的小学机器人教学时，教师需注意以下几点：

（一）注意教学思路的逆向性

逆向思维模型的小学机器人教学模式最大的特点是逆向思维。对于教师而言，逆向思维的机器人教学并不始于教师讲授新知，而是让学生在设计——实践阶段中自主学习和探究新课的知识与技能。这种逆向学习方式更能让学生进行有意义地学习，在反复迭代中逐步习得新知与技能，促进学生的认知发展。

（二）注意教与学的循环迭代性

学生探索精神、问题解决能力、实践能力和创新能力的培养是在教与学的循环迭代中不断发展的。克洛德纳曾提出“知识应用于实践前，通常需要反复的循环设计才能实现”，循环迭代能促进学生更好地掌握所学的知识，加强知识的巩固与应用。

（三）注意师生之间的评价与反思

这需要重点强调，因为反思是贯穿整个逆向思维学习过程的，包含学生过程性评价反思和最后的成果评价反思。依据小组自评、小组互评、教师评价等形式对设计实践过程及成果进行评价与反思，改进机器人，优化机器人，不断迭代完善，最终发布成果。

结束语

本研究旨在培养学生探索精神、实践能力、创新能力，在以尼尔森教授逆向思维模型为基础，构建逆向思维模型的小学机器人教学模式。当前，笔者正以此模式开展一系列实践研究，应用于我校MakeBlock机器人教学，以期逐步完善该模式，为推进机器人教育教学提供参考。