逆向思维模型在初中图形化编程教学中的应用研究

张应兵

【摘要】文章从图形化编程教学的特点、作用和逆向思维模型的引入以及在基于设计中学习的教学模式意义出发，探寻逆向思维模型在初中图形化编程教学中的应用模式，并从教学目标、教与学的过程设计，以及围绕教学过程的教学实施要点包括设计任务分析、编程实践、课本知识输入、迭代设计、任务评价等方面进行详细阐述。

【关键词】逆向思维模型；初中；图形化编程；教学

逆向思维模型是近几年新兴的教学模式之一，在图像化编程、信息技术教学中具有较高的应用价值。随着信息技术的快速发展，图形化编程教学在初中阶段的重要性日益凸显。逆向思维模型在图形化编程教学中的应用，旨在通过逆向思维的方式，激发学生的创新思维和问题解决能力，提升他们的信息技术素养。

一、图形化编程教学概述

1.图形化编程教学

图像化编程是基于界面功能需求与编程语言，通过编写有界面的计算机指令程序，实现计算机界面行为的编程过程。通过图形化的编程环境，理解和应用编程语言，建立人与机械界面间的信息与功能交互，实现编程目标。能够应用与中小学教学中常用的图像化编程软件主要有Scratch以及基于Python、C语言等高级编程语言而设计的图像化编程软件。相关研究表明，利用图形化编程进行教学，在激发学生学习兴趣，促进信息技术知识技能掌握，提高计算思维能力、动手能力、问题解决能力和创新能力等方面具有重要作用。

2.图形化编程在初中信息化技术教育中的作用

在初中信息技术学段目标中，对信息技术的学习，要求能够基于社会生活真实情景，提取问题的基本特征，有意识地寻求恰当的算法解决问题，了解算法的优势和局限；对问题进行抽象、分解、建模、制定解决方案；能够执行问题解决方案、基于数据的采集与分析，反思和优化解决方案，并迁移到解决其他问题；在学生利用数字设备开展创新实践活动，进行数字化学习与创新，以及提高学生对原始创新在国家可持续发展的重要作用理解等方面发挥重要作用。

3.初中图形化编程教学特点

从图像化编程技术来讲，具有包容性。图像化编程创新图形化、模块化的运用高级编程语言，使其符合学生的理解和应用，具有容易理解、操作简单、实施方便、反馈及时、避免代码语法错误等特点，对于初学者具有较强的包容性；图形化编程可以基于初中各学科内容开展综合性的教学活动。同时，基于Pyhon、C语言等高级编程语言的图像化编程程序，对计算机语言深入学习、高级计算机语言学习，以及更高阶的应用程序开发、实际创新项目应用等具有足够的兼容性。

从学生认知能力来讲，符合认知要求。初中阶段学生已经逐步形成抽象逻辑推理思维，能够区分形式和内容以及进行抽象的逻辑思维，且思维逐具备了系统，能够回答假设性问题、进行更复杂演算推理和适应更为复杂的环境条件。

从教学角度来讲，更适合基于PBL、DBL模式的教学。编程本身是基于计算机语言实现人的应用需求，在编写程序前需要基于需求对任务进行逻辑上的分析，运用计算思维以及编程语言对需求进行编程逻辑的表述；写出来的程序，是人与计算机的语言化交流，存在反复的沟通、调试过程。从思维训练的角度来讲，编程具有多元的逆向思维性。首先，基于任务的问题发现，需要逆向思维来评估问题是否是一个需要解决的问题，即问题的处理价值；在解决问题的过程，可以用到逆向思维进行具有创新性的设计，包括创新过程、问题解决的方式、基于图像化的功能实现；在通过图形化编程完成设计方案的过程中，需要基于逆向思维来反复评估方案的可行性、合理性、是否是最优解等等。编程过程本身，存在多元的逆向思考。

二、逆向思维模型在初中图形化教学中的引入

1.面向信息化技术核心素养的DBL教学模式

基于设计的学习DBL，Design-Based Learning，是一种比较前沿的教学模式，将设计专业较为经典的认知与思考模式融入教学实践中，在美国K-12互动课堂教学过程中表现良好。DBL围绕教学目标，通过具有挑战的学习任务建构基于事务设计与制作的教学活动，在教学过程中，基于组内异质原则建立设计小组，小组成员在根据已有的知识经验和对未知的自主学习，将小组认知的知识经验应用与具有挑战性的实际问题解决当中，通过分析、讨论、调查、设计，产出创造性的作品，并通过对作品及创造过程的评价与反思，对作品进行不断修改和深化的探究，直到达成教学目标为止。

2.DBL教学中的逆向思维

逆向思维在面向信息化技术核心素养的DBL的教学模式，其逆向思考的理解可以是多维度的。比如，基于逆向思考的信息挖掘、问题分析、设计创造以及对创造的反思与评价，在教学理论中，基于逆向思维的思维重构本身也是一种逆向思维，如图1所示，是基于克鲁姆认知六个层次的逆思考循环。

以克鲁姆认知六个层次为基础，从教学的角度来讲，在基于理论知识的学习过程中，从知识到创新的过程是基于理论教授，认知过程一般是从回忆、理解等基于原有认知和对新知识的内化进而在应用、分析、评价中进行创造的，这样的创造创新能力有限，更多可能呈现的是对原有经验知识的改良，很难发生具有完全创新性的创造。而基于逆向思维的创新，回到创新的本质—对问题的解决，将知识学习融入到创新实践过程中，知识学习不再是教学的主体，而帮助学习进行创造性活动的一个工具而已，创造需要在原有知识的基础上去发现人类认知还未解决的问题，在创造性解决问题的同时，发明创造新的知识。因而，通过逆向思维的创新，能够更为科学的挣脱现有知识经验的束缚。

3.多林·尼尔森基于认知逆思维的逆向思维学习模型

美国加州州立理工大学波莫纳分校的多林·尼尔森，基于其在中小学开设的“城市建造教育”课程教学研究中，建构起基于逆向思维的DBL教学模型，如图2所示。该模型中，首先，教师需要明确教学目标的主题、概念、标准等；基于课程目标确定一个问题，并将问题进行具体化结构和抽象，描述成一个“从未见过的”设计挑战；并建立对问题解决的评估标准；进而让学生“试试看”，进行3D建模、展示、反馈，通过“怎么样”和“为什么”进行自我评估、反思和再创造；进而基于创作经历，引入系统的教学课程内容；最后，学生基于理论学习再次进行设计修改、建模等完善设计方案，对自己的学习进行评估和整合，在形成更为完善的设计作品同时，达成教学目的。

三、逆向思维模型在初中图形化编程教学中的应用模式探究

1.教学目标设定

基于DBL的教学模式，对标信息技术新课标教学要求，编程课程特点以及对学生思维能力的培养要求，基于逆向思维模型的初中图像化编程教学目标更强调对基础图像化编程语言的实际应用，因而，需要在理解基础的图形化编程语言的基础上，以工具应用的形式将图形化编程应用到项目任务过程中，因而需要达成较高的学习目标。

2.教学实施要点设计

（1）任务分析。在编程实践前，明确以任务为核心的教学目的，建构学习任务，并且基于学生独立思考对任务进行可能的要素进行拆解，找出核心问题，并对自我完成任务目标有明确的期许。

在要素拆解过程中，教师不予理论知识的指导，强调通过网络、课本、课外书籍等学习工具的自主学习探究，实现学习自主的信息获取能力培养；在评价标准方面，同样强调学生自我理解的创新，并对学生予以肯定，对于思维受限的学生，通过提问的方式而非规定评价要素来帮助学生建立起对自我任务的评定规则，注重学生信息解构与感知能力的培养；在描述实现过程中，注重学生信息表达能力的培养，同时，关注学生认知系统的特点，并通过可视化的工具的引导，帮助学生加以优化与提升；在建立评价标准方面，强调学生对任务完成的自我预估和约定效应，包括对完成任务所需要的工具、方法、时长以及想要达成的绘图效果的语言描述等，强调对信息识别能力的培养。

（2）教与学过程设计。如下表。

（3）编程实践。在编程实践过程中，强调基于“设计—实践—学习—反思—再设计”的基于设计的学习。在学生动手创造作品过程中，以反问而非解答的方式帮助学生发现自己的问题所在，强调学生自己发现自己无法完成任务的原因，引领学生开启探究式学习，进入课程知识输入环节，同时，仍需并鼓励学生通过自主学习，解决任务完成过程中遇到的难题。

（4）课本知识输入。在课程内容知识的系统输入过程中，首先基于实践中学习无法完成任务或是任务完成不完善的问题进行典型性的解疑；进而通过可视化的、系统化的知识框架树立，关键问题知识点：比如表情设计设计的五官结构、微表情语义学；绘制过程的计算思维结构，流程图的表达；编程语言的释义、逻辑结构等进行详细的讲解。

在理论知识灌输后，需要基于学生对知识的理解反思自己任务没能达到预期评价标准的原因，并从工具、方法、知识储量、操作过程等角度予以评价，将所学生学知识与实践反思进行串联，帮助学生更好的理解知识理论，学会反思。

（5）迭代设计。在任务的迭代设计与过程中，基于理论学习、反思以及对自主学习的探究，在完善任务，达成学生自我的设定的评价标准过程中，尤其强调学生更为具有实践价值的应用创新、流程创新、语言设计创新等。

（6）任务评价。经过周而复始，达成学生最初设定的对任务的评价标准后，进行基于迭代设计过程的任务作品以及学习过程的最终总结，帮助学习完成自我作品的优化、学生间作品的差异性对比，同时，帮助学生基于元认知的发现，比如学习态度、学习方法、策略等元认知层面的认知和理解以及对任务完成的影响。通过以上一系列的教学活动，建立起基于设计任务、逆向思维模型以及多元教学目的的图形化编程的教与学新模式。

同时，在基于学生任务评价之外，需要教师对自己的教学活动，进行基于教学活动设计标准的、对教学活动本身的设计—实践—学习—反思—再设计，进行基于逆向思维模型的设计建构、实践与反思评价和再设计。

四、总结

综上所述，图像化编程在初中信息技术学习中具有重要作用，基于编程语言在问题解决、思维训练以及基础信息技术知识学习中的特点，需要运用任务、设计型的教学模式开展教学活动。同时，为提升学习自主学习能力以及加强学生对编程所学思维的拓展等，可以采用逆向思维模型开展初中图像化编程教学。基于逆向思维的模型教学不仅需要基于流程的教学活动设计，更需要在教学实践过程中建立起基于问题发现、问题分析、问题解决的任务型学习模式，建立起基于逆向思维模型的以应用为目的、知识学习为辅助的设计—实践—学习—反思—再设计学习模式。

【参考文献】

[1]植美烨.逆向思维模型在初中图形化编程教学中的应用研究[D].广州：广州大学，2023.

[2]刘秀娟.面向创造力培养的初中信息技术DBL教学模式设计与实践研究[D].昆明：云南大学，2022.

[3]张悦.基于逆向思维模型的初中3D建模教学活动设计与实践研究[D].兰州：西北师范大学，2022.

【课题项目】本文系甘肃省教育科学“十四五”规划2023年度一般课题“基于学科核心素养下初中信息科技图形化编程教学的实践与研究”的研究成果，课题立项号：GS[2023]GHB1046。