張妮 章敏 付憧 幸大惠

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金2021年度項(xiàng)目“人工智能助力鄉(xiāng)村教師新型研修模式構(gòu)建及應(yīng)用策略研究”（項(xiàng)目編號(hào)：72164004）；貴州省教育科學(xué)規(guī)劃2023年度重點(diǎn)課題“鄉(xiāng)村教師智能教學(xué)勝任力框架構(gòu)建及應(yīng)用研究”（課題編號(hào)：2023A006）

[摘? ?要] 逆向工程法是一種“從成品出發(fā)”的教學(xué)方法，降低了創(chuàng)新門(mén)檻，容易實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)新。文章以微創(chuàng)新能力內(nèi)涵為導(dǎo)向，遵循“從仿到創(chuàng)”的階段式教學(xué)理念，在項(xiàng)目式教學(xué)理論、做中學(xué)理論的支持下，提出了基于逆向工程法培養(yǎng)小學(xué)生微創(chuàng)新能力的教學(xué)活動(dòng)框架，以“3D打印”為例進(jìn)行三輪教學(xué)實(shí)踐，并采用三角互證的方法從教師、學(xué)生、教學(xué)過(guò)程三個(gè)角度探究實(shí)踐效果，以此修正與完善活動(dòng)框架。研究結(jié)果表明，基于逆向工程法設(shè)計(jì)的教學(xué)活動(dòng)從總體上顯著提高了小學(xué)生微創(chuàng)新能力水平，對(duì)創(chuàng)新思維與創(chuàng)新技能要素也有顯著促進(jìn)作用，但對(duì)創(chuàng)新人格的影響不顯著。研究結(jié)果為小學(xué)生微創(chuàng)新能力培養(yǎng)及國(guó)家創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供了理論指導(dǎo)和實(shí)踐參考。

[關(guān)鍵詞] 逆向工程法； 微創(chuàng)新能力； 創(chuàng)新人才培養(yǎng)； 實(shí)踐研究； 3D打印

[中圖分類(lèi)號(hào)] G434? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A

[作者簡(jiǎn)介] 張妮（1982—），女，廣西南寧人。教授，博士，主要從事教師專業(yè)發(fā)展、智能技術(shù)融合教育教學(xué)研究。E-mail：jenneyhust@foxmail.com。

一、問(wèn)題的提出

創(chuàng)新能力是21世紀(jì)人才的關(guān)鍵特征，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力是我國(guó)教育改革與發(fā)展的熱點(diǎn)。《中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)總體框架》將實(shí)踐創(chuàng)新作為6項(xiàng)核心素養(yǎng)之一[1]?！缎乱淮斯ぶ悄馨l(fā)展規(guī)劃》指出，“加快3D打印、STEAM、機(jī)器人、編程等全民智能素質(zhì)教育項(xiàng)目進(jìn)入中小學(xué)課堂的進(jìn)度”[2]。《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》提出，“創(chuàng)新教學(xué)方式，以真實(shí)問(wèn)題或項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷原理運(yùn)用、計(jì)算思維和數(shù)字化工具應(yīng)用過(guò)程，建構(gòu)知識(shí)，提升問(wèn)題解決能力”[3]。許多中小學(xué)校面向?qū)W生創(chuàng)新能力培養(yǎng)進(jìn)行了大量探索和實(shí)踐，問(wèn)題解決、項(xiàng)目式教學(xué)等方法被廣泛應(yīng)用于教學(xué)活動(dòng)中，但存在課堂耗時(shí)長(zhǎng)、教學(xué)效果有待提高等問(wèn)題[4]。逆向工程法作為一種“從成品出發(fā)”的教學(xué)方法，不僅能縮短課時(shí)量，還能降低項(xiàng)目難度，為當(dāng)前課堂教學(xué)培養(yǎng)中小學(xué)生創(chuàng)新能力提供了新思路[5]。對(duì)于小學(xué)生而言，創(chuàng)新不可一蹴而就[6]，微創(chuàng)新相對(duì)來(lái)說(shuō)更符合小學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)和發(fā)展規(guī)律。因此，本研究將從微創(chuàng)新能力內(nèi)涵出發(fā)，構(gòu)建基于逆向工程法培養(yǎng)小學(xué)生微創(chuàng)新能力的教學(xué)活動(dòng)框架并開(kāi)展實(shí)踐應(yīng)用，以期助力國(guó)家創(chuàng)新人才培養(yǎng)。

二、研究基礎(chǔ)

（一）小學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)研究現(xiàn)狀

面向小學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)實(shí)踐大致包括三類(lèi)研究視角，分別是傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程的革新視角[7]、教學(xué)活動(dòng)要素創(chuàng)新的視角[8]及從“仿”到“創(chuàng)”的階段式學(xué)習(xí)視角[9]。將發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)分成微創(chuàng)新和原始創(chuàng)新兩種模式，在微創(chuàng)新階段以逆向工程為指導(dǎo)思想設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)，可讓學(xué)生在“模仿—微創(chuàng)新—?jiǎng)?chuàng)新”過(guò)程中逐步提高發(fā)明創(chuàng)造水平[10]。當(dāng)前，小學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)仍存在“窄口徑”與“高要求”之間的突出矛盾[11]，仍需挖掘適切的理論方法，探索小學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的方式和路徑。

“微創(chuàng)新”從“創(chuàng)新”拓展而來(lái)。符合中小學(xué)生發(fā)展水平的微創(chuàng)新能力是指學(xué)生在了解原產(chǎn)品相關(guān)服務(wù)和規(guī)則的基礎(chǔ)上做出一些有意義的改變或調(diào)整的能力，但并不從根本上改變?cè)性O(shè)計(jì)，其可以分為1.0、2.0及3.0三個(gè)水平層次，分別對(duì)應(yīng)模仿階段——對(duì)原型產(chǎn)品簡(jiǎn)單仿照，微調(diào)階段——通過(guò)增減要素對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行優(yōu)化，重構(gòu)階段——產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與功能的重新構(gòu)造[12]。已有研究提出了指向?qū)W生微創(chuàng)新能力培養(yǎng)的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新型教學(xué)模式，包括試用與感知、分解與觀察、復(fù)原與再設(shè)計(jì)、制作與測(cè)試、評(píng)價(jià)與總結(jié)等環(huán)節(jié)，強(qiáng)調(diào)教師應(yīng)該更關(guān)注技術(shù)的整合和遷移，讓學(xué)生模仿后再創(chuàng)新[4]。然而，小學(xué)生因創(chuàng)造力水平有限，大多停留在模仿階段，獨(dú)立創(chuàng)作出一件原創(chuàng)性作品仍存在較大的困難。因此，小學(xué)生微創(chuàng)新能力培養(yǎng)更應(yīng)得到學(xué)界和業(yè)界的關(guān)注。

（二）逆向工程法及其教育應(yīng)用

逆向工程最初是一種技術(shù)課程的內(nèi)容，在20世紀(jì)末作為一種教學(xué)方法應(yīng)用于教育領(lǐng)域。Otto等提出了逆向工程與再設(shè)計(jì)“十步法”，其中，逆向工程包含逆向、建模與分析以及再設(shè)計(jì)三個(gè)階段[13]。逆向工程法較多應(yīng)用于工程類(lèi)課程的研究與實(shí)踐中，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)物體驗(yàn)、觀察、拆解、分析，使學(xué)生獲得再設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)[14]，從而開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，有助于學(xué)生消化理論知識(shí)并進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用[15-16]。逆向工程法支持的各類(lèi)教學(xué)或?qū)W習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)為本研究探索面向小學(xué)生微創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)活動(dòng)提供了方向指引。

由于小學(xué)生認(rèn)知能力與身心發(fā)展的特殊性，直接開(kāi)展創(chuàng)新活動(dòng)有一定難度，需要由微創(chuàng)新能力培養(yǎng)逐漸過(guò)渡到創(chuàng)新能力培養(yǎng)。研究團(tuán)隊(duì)多年來(lái)和一線學(xué)校開(kāi)展深度合作，發(fā)現(xiàn)部分學(xué)校致力于信息科技、通用技術(shù)課程教學(xué)革新的探討，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。3D打印可將創(chuàng)意變成現(xiàn)實(shí)，有助于激發(fā)小學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，提高其動(dòng)手能力，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要手段之一。因此，“3D打印”這一教學(xué)內(nèi)容以信息科技拓展課程或者社團(tuán)活動(dòng)的形式逐步走進(jìn)了小學(xué)校園。逆向工程法倡導(dǎo)對(duì)成品進(jìn)行“拆解—分析—再設(shè)計(jì)”，將其應(yīng)用于“3D打印”教學(xué)中，讓小學(xué)生在了解產(chǎn)品構(gòu)成要素及關(guān)系的基礎(chǔ)上，完成對(duì)3D模型原型作品的再設(shè)計(jì)，降低了創(chuàng)新門(mén)檻，有利于小學(xué)生微創(chuàng)新能力培養(yǎng)?；诖?，本研究嘗試引入逆向工程法開(kāi)展面向小學(xué)生微創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實(shí)踐研究，研究問(wèn)題包括：（1）如何基于逆向工程法構(gòu)建培養(yǎng)小學(xué)生微創(chuàng)新能力的教學(xué)活動(dòng)框架？（2）基于逆向工程法培養(yǎng)小學(xué)生微創(chuàng)新能力的教學(xué)實(shí)踐效果如何？

三、面向小學(xué)生微創(chuàng)新能力培養(yǎng)的逆向工程

教學(xué)活動(dòng)框架初構(gòu)

（一）理論依據(jù)

1. 項(xiàng)目式教學(xué)理論

項(xiàng)目式教學(xué)的一般流程為選定項(xiàng)目、制定計(jì)劃、合作探究、作品制作、成果展示、評(píng)價(jià)總結(jié)，注重實(shí)踐式和體驗(yàn)式學(xué)習(xí)，鼓勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)或開(kāi)展小組協(xié)作學(xué)習(xí)[17]。逆向工程法的核心步驟為“拆解—分析—再設(shè)計(jì)”，將項(xiàng)目式教學(xué)理論引入本研究，可彌補(bǔ)逆向工程法缺乏評(píng)價(jià)與反思的不足。參照項(xiàng)目式教學(xué)的基本流程，在作品的再設(shè)計(jì)階段，教師應(yīng)充當(dāng)引導(dǎo)者和組織者的角色，帶領(lǐng)學(xué)生圍繞大項(xiàng)目分組開(kāi)展子項(xiàng)目學(xué)習(xí)，進(jìn)而完成作品制作。

2. 做中學(xué)理論

美國(guó)學(xué)者杜威提出了“做中學(xué)”理論，也就是“從活動(dòng)中學(xué)”“從經(jīng)驗(yàn)中學(xué)”，依托活動(dòng)和行為來(lái)提高學(xué)習(xí)能力[18]。本研究中，學(xué)生需聯(lián)系自身生活經(jīng)驗(yàn)進(jìn)入學(xué)習(xí)情境，在對(duì)原型作品進(jìn)行分解的基礎(chǔ)上，通過(guò)協(xié)作探究、制定方案、作品創(chuàng)作，再設(shè)計(jì)出改變?cè)凶髌逢P(guān)鍵要素的新作品，從而提高微創(chuàng)新能力。在教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，強(qiáng)調(diào)教師要為學(xué)生構(gòu)建有意義的教學(xué)情境，將教學(xué)知識(shí)與學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系起來(lái)，讓學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，在活動(dòng)中將創(chuàng)意想法轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)成果。

（二）教學(xué)活動(dòng)框架初步構(gòu)建

結(jié)合微創(chuàng)新能力內(nèi)涵，本研究中的微創(chuàng)新能力分為三個(gè)等級(jí)，分別對(duì)應(yīng)模仿、微調(diào)和重構(gòu)三個(gè)階段。模仿階段的學(xué)習(xí)任務(wù)是產(chǎn)品拆解與復(fù)原，旨在了解產(chǎn)品基本構(gòu)成與制作的基本流程；微調(diào)階段通過(guò)增減要素優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與功能，應(yīng)用學(xué)科及技術(shù)知識(shí)解決問(wèn)題；重構(gòu)階段聚焦產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與功能的重新建構(gòu)，并進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐。本研究在項(xiàng)目式教學(xué)以及做中學(xué)理論支持下，重點(diǎn)參考面向創(chuàng)客教育的中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)四階段[9]和面向機(jī)器人教育的“燈籠模型”[5]，依照微創(chuàng)新能力層次，初構(gòu)面向微創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)活動(dòng)框架，如圖1所示。

1. 模仿階段：強(qiáng)調(diào)學(xué)生新舊知識(shí)聯(lián)系

模仿階段是逆向工程教學(xué)活動(dòng)的基礎(chǔ)階段，學(xué)生需要完成3D打印基本知識(shí)的學(xué)習(xí)，通過(guò)拆解、復(fù)原掌握作品制作的基本知識(shí)與技能，保證創(chuàng)意活動(dòng)的順利開(kāi)展。首先，教師發(fā)布本堂課學(xué)習(xí)任務(wù)并展示3D模型實(shí)物，學(xué)生在教師的組織下對(duì)物品進(jìn)行感知與試用，喚起已有生活經(jīng)驗(yàn)。其次，教師引導(dǎo)學(xué)生在3D One軟件中對(duì)3D模型進(jìn)行拆解，以了解模型構(gòu)成要素及各部分之間的關(guān)系。最后，學(xué)生在學(xué)案提示下自主探究模仿復(fù)原模型。在模仿階段，教師為學(xué)生提供學(xué)習(xí)支架，使學(xué)生明晰工具選擇情境、使用方法及問(wèn)題解決策略，掌握模型制作的一般性知識(shí)，并通過(guò)自主探究，完成作品的復(fù)原。

2. 微調(diào)階段：注重學(xué)生創(chuàng)意思維啟發(fā)

微調(diào)階段在逆向工程教學(xué)活動(dòng)中起承前啟后的重要作用，啟發(fā)學(xué)生增減作品要素，引領(lǐng)學(xué)生創(chuàng)新思維并對(duì)模仿階段獲得的知識(shí)進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用。在此階段，學(xué)生需要對(duì)模仿的作品進(jìn)行微調(diào)，教師創(chuàng)設(shè)情境，使學(xué)生置身于情境中，學(xué)生由學(xué)習(xí)者身份轉(zhuǎn)換為用戶身份，分析當(dāng)前物品可以新增哪些功能，對(duì)原型作品元素進(jìn)行增減，實(shí)現(xiàn)對(duì)原型作品的微調(diào)。本階段注重對(duì)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)意啟發(fā)，使學(xué)生在微調(diào)過(guò)程中獲得更多靈感，激發(fā)創(chuàng)造潛能，為重構(gòu)項(xiàng)目的實(shí)施做好鋪墊。

3. 重構(gòu)階段：注重跨學(xué)科知識(shí)融合

重構(gòu)階段是學(xué)生在具備微創(chuàng)新基本知識(shí)與技能的基礎(chǔ)上，融合跨學(xué)科知識(shí)對(duì)作品進(jìn)行結(jié)構(gòu)性創(chuàng)新的過(guò)程。本階段主要采用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)方式，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)原型作品進(jìn)行結(jié)構(gòu)重構(gòu)。在此過(guò)程中，教師并不為每個(gè)小組指定項(xiàng)目，而是為學(xué)生創(chuàng)設(shè)多樣化的生活情境，將項(xiàng)目的決定權(quán)與選擇權(quán)交給學(xué)生。學(xué)生借助信息技術(shù)解決項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中遇到的困難，發(fā)展創(chuàng)新思維，通過(guò)對(duì)作品的展示與評(píng)價(jià)，增強(qiáng)自信心，體驗(yàn)學(xué)習(xí)的快樂(lè)。

四、面向小學(xué)生微創(chuàng)新能力培養(yǎng)的

教學(xué)實(shí)踐及框架修正

（一）教學(xué)目標(biāo)

西部X省G市某小學(xué)以社團(tuán)課形式開(kāi)設(shè)了“3D打印”課程，目前正處于利用3D One開(kāi)展教學(xué)的探索階段。3D One是一款適合小學(xué)生表達(dá)創(chuàng)意想法的三維軟件。研究團(tuán)隊(duì)基于初構(gòu)的教學(xué)活動(dòng)框架，依托該?！?D打印”課程開(kāi)展三輪教學(xué)實(shí)踐研究，教學(xué)目標(biāo)見(jiàn)表1。

表1? ? ? ? ? ? ? ? 三輪實(shí)踐的教學(xué)目標(biāo)

（二）學(xué)習(xí)者分析

教學(xué)實(shí)踐的對(duì)象為3D打印社團(tuán)的22名學(xué)生（男生13名，女生9名；四年級(jí)9名，五年級(jí)13名），特點(diǎn)如下：（1）學(xué)生正由具體形象思維向抽象邏輯思維轉(zhuǎn)變，進(jìn)行抽象推理活動(dòng)時(shí)需要具體形象事物支撐；（2）學(xué)生具有一定學(xué)習(xí)軟件和工具的使用經(jīng)驗(yàn)；（3）大部分學(xué)生未接觸過(guò)3D打印，但對(duì)3D打印興趣濃厚。為確保學(xué)生順利進(jìn)入微創(chuàng)新階段，授課教師充分備課，并進(jìn)行了為期一個(gè)半月的3D打印基礎(chǔ)知識(shí)講授。

（三）教學(xué)評(píng)價(jià)工具

本研究采用質(zhì)性和量化相結(jié)合的方法，基于三角測(cè)量理念，從教師、學(xué)生、教學(xué)過(guò)程三個(gè)互證角度分析研究結(jié)果。教師角度采用量化的課堂觀察表，從課堂行為了解學(xué)生微創(chuàng)新能力變化；學(xué)生角度采用微創(chuàng)新能力問(wèn)卷和量化的作品評(píng)價(jià)表，測(cè)量和分析學(xué)生微創(chuàng)新能力變化；教學(xué)過(guò)程角度采用教學(xué)滿意度問(wèn)卷及訪談提綱，進(jìn)一步了解學(xué)生的微創(chuàng)新能力變化。

1. 微創(chuàng)新能力測(cè)量問(wèn)卷

本研究主要借鑒創(chuàng)客教育課程中的學(xué)生評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[19]，同時(shí)融入威廉斯創(chuàng)造性傾向量表中的冒險(xiǎn)性、好奇心、想象力和挑戰(zhàn)性四項(xiàng)指標(biāo)[20]，設(shè)計(jì)微創(chuàng)新能力測(cè)量問(wèn)卷，包括創(chuàng)新人格、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新技能3個(gè)一級(jí)維度，共32道題目，采用李克特五級(jí)計(jì)分。由于3D打印社團(tuán)學(xué)生人數(shù)少，隨機(jī)在兩個(gè)五年級(jí)班級(jí)中進(jìn)行問(wèn)卷預(yù)測(cè)試，回收有效問(wèn)卷79份，計(jì)算出Cronbach 系數(shù)值為0.956，表明問(wèn)卷具有良好的信度。

2. 課堂觀察表

本研究通過(guò)改編陶陽(yáng)的“小學(xué)生創(chuàng)造性潛能觀察表”[21]對(duì)學(xué)生課堂表現(xiàn)進(jìn)行觀察，包括創(chuàng)新人格、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新技能三個(gè)維度，共19個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，每道題以5分為最高分計(jì)算。在每一輪教學(xué)實(shí)踐中，由2名學(xué)科教師現(xiàn)場(chǎng)聽(tīng)課并填寫(xiě)課堂觀察表，二者平均分為課堂觀察分?jǐn)?shù)。

3. 作品評(píng)價(jià)表

作品評(píng)價(jià)表由1名教育技術(shù)專家和碩士研究生協(xié)同授課教師聯(lián)合編制，由技術(shù)性（20分）、創(chuàng)意性（35分）、美觀性（10分）、科學(xué)性（15分）、可行性（20分）五個(gè)指標(biāo)構(gòu)成。

4. 學(xué)生滿意度問(wèn)卷和訪談提綱

本研究分別從學(xué)生活動(dòng)（創(chuàng)新作品、自主探究能力與協(xié)作交流能力、學(xué)習(xí)興趣與基本知識(shí)掌握）與教師活動(dòng)（教學(xué)方式、教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)、教學(xué)評(píng)價(jià)）兩個(gè)層面進(jìn)行學(xué)生滿意度調(diào)查。從教學(xué)評(píng)價(jià)、學(xué)習(xí)收獲、教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)置三個(gè)方面設(shè)計(jì)訪談提綱。教學(xué)滿意度問(wèn)卷克隆巴赫系數(shù)值為0.835，具有良好的信度。

（四）教學(xué)實(shí)施過(guò)程

教學(xué)環(huán)節(jié)由1名經(jīng)驗(yàn)豐富的信息科技學(xué)科教師執(zhí)教，其具備完備的3D打印知識(shí)與教學(xué)能力，提前了解了逆向工程法的內(nèi)涵及本研究初構(gòu)的教學(xué)框架。三輪教學(xué)共6個(gè)課時(shí)，歷時(shí)3周，每周完成一輪教學(xué)（2課時(shí)）。每輪教學(xué)均包括“計(jì)劃—實(shí)踐—觀察—反思”四個(gè)環(huán)節(jié)，通過(guò)三輪迭代循環(huán)修正教學(xué)活動(dòng)框架。實(shí)踐前進(jìn)行前測(cè)了解學(xué)生微創(chuàng)新能力初始水平，在實(shí)踐結(jié)束后一周進(jìn)行后測(cè)，對(duì)比了解學(xué)生能力水平變化。

1. 第一輪教學(xué)實(shí)踐及反思

第一輪教學(xué)主題為“超酷的專屬筆筒”。（1）模仿階段。教師發(fā)布任務(wù)并展示實(shí)物筆筒，引導(dǎo)學(xué)生觀察并試用。隨后，學(xué)生在3D One中對(duì)筆筒模型進(jìn)行拆解，逆推出構(gòu)成3D筆筒模型的基本實(shí)體與制作步驟。在微課的指導(dǎo)下，完成筆筒模仿復(fù)原。（2）微調(diào)階段。教師發(fā)放創(chuàng)意啟發(fā)表，引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系生活經(jīng)驗(yàn)對(duì)筆筒進(jìn)行要素增減，以啟發(fā)其創(chuàng)意思維。（3）重構(gòu)階段。以“利用3D打印設(shè)計(jì)容器解決問(wèn)題”為主題設(shè)定開(kāi)放項(xiàng)目，讓學(xué)生從生活實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，重新設(shè)計(jì)容器。最后，學(xué)生展示作品，完成評(píng)價(jià)與反思。

第一輪教學(xué)結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題：（1）在課程導(dǎo)入與設(shè)計(jì)方案階段，學(xué)生的創(chuàng)新思維比較活躍，但創(chuàng)新技能比預(yù)期要低；（2）學(xué)生評(píng)價(jià)未體現(xiàn)“以評(píng)促學(xué)”的理念；（3）大部分作品缺乏創(chuàng)新性。研究助理與授課教師進(jìn)行深入交流后，共同進(jìn)行反思與改進(jìn)。首先，為彌合創(chuàng)意與實(shí)踐之間的斷點(diǎn)，導(dǎo)入環(huán)節(jié)由拋出問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)榍榫硠?chuàng)設(shè)，項(xiàng)目主題以源于生活的多情境方式設(shè)置。其次，在學(xué)生完成方案設(shè)計(jì)后，對(duì)難點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一講授，幫助其順利開(kāi)展創(chuàng)新實(shí)踐。再次，為激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，在重構(gòu)階段增加方案展示環(huán)節(jié)，以頭腦風(fēng)暴形式讓學(xué)生在思維碰撞過(guò)程中產(chǎn)生更多創(chuàng)意。最后，讓學(xué)生參與制定作品評(píng)價(jià)指標(biāo)，以調(diào)動(dòng)其創(chuàng)新積極性。

2. 第二輪教學(xué)實(shí)踐及反思

第二輪教學(xué)主題為“制作專屬鑰匙扣”。（1）模仿階段。創(chuàng)設(shè)情境“如何找回丟失的鑰匙扣”，激發(fā)學(xué)生產(chǎn)生創(chuàng)意想法。同時(shí)，用操作單代替微課，幫助學(xué)生模仿制作鑰匙扣，為學(xué)生留足自主探究空間。（2）微調(diào)階段。教師展示案例，同時(shí)提出需求，啟發(fā)學(xué)生對(duì)鑰匙扣關(guān)鍵要素進(jìn)行增改。（3）重構(gòu)階段。制作作品前，師生共同商討形成評(píng)價(jià)量表。隨后，教師組織學(xué)生圍繞“自主設(shè)計(jì)防丟失鑰匙扣”進(jìn)行討論，并且進(jìn)行方案分享。在學(xué)生完成方案設(shè)計(jì)后，教師進(jìn)行統(tǒng)一講解，幫助學(xué)生完成對(duì)鑰匙扣的改造。最后，根據(jù)評(píng)價(jià)量表，學(xué)生完成自評(píng)與互評(píng)。

相較于第一輪，第二輪教學(xué)中學(xué)生的創(chuàng)意思維與創(chuàng)新技能有所提升，但仍存在以下問(wèn)題：（1）學(xué)生作品缺乏實(shí)用性與科學(xué)性；（2）學(xué)生分享方案的積極性仍不夠高。雖然教師在該階段為學(xué)生創(chuàng)設(shè)了源于生活的情境，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的創(chuàng)作熱情，但部分學(xué)生的想法較發(fā)散，導(dǎo)致作品缺乏實(shí)用性與科學(xué)性?；诖耍芯恐砗褪谡n教師共同商議，在重構(gòu)階段增設(shè)一個(gè)自主調(diào)查環(huán)節(jié)，讓學(xué)生到生活中挖掘問(wèn)題，以保證項(xiàng)目的實(shí)用性與可操作性。同時(shí)，教師要注重引導(dǎo)學(xué)生分工合作，激發(fā)學(xué)生團(tuán)隊(duì)意識(shí)，發(fā)揮學(xué)生主體性。

3. 第三輪教學(xué)實(shí)踐及反思

第三輪教學(xué)主題為“設(shè)計(jì)多功能臺(tái)燈”?；谇皟奢唽?shí)踐與反思，本輪教學(xué)更加注重重構(gòu)階段項(xiàng)目主題的選擇，引導(dǎo)學(xué)生融合多學(xué)科知識(shí)對(duì)作品進(jìn)行改進(jìn)。以“自主設(shè)計(jì)不同應(yīng)用場(chǎng)景下的燈具”為主題設(shè)定開(kāi)放項(xiàng)目，課前讓學(xué)生回歸生活場(chǎng)景，觀察燈具應(yīng)用場(chǎng)景并思考需要改進(jìn)的地方；課中講解人類(lèi)利用光源的歷史進(jìn)程，使學(xué)生掌握光學(xué)的基本科學(xué)知識(shí)，將美術(shù)、數(shù)學(xué)、科學(xué)、信息科技等多學(xué)科知識(shí)進(jìn)行融合，設(shè)計(jì)多功能臺(tái)燈；課后引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)反思，進(jìn)而發(fā)展創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)意物化能力。

綜合課堂觀察、課后訪談與作品分析結(jié)果，本輪實(shí)踐效果比較理想，主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：（1）在設(shè)計(jì)方案的過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)產(chǎn)品復(fù)原、概念提取、遷移應(yīng)用等方式融合多學(xué)科知識(shí)重構(gòu)原型作品，促成對(duì)知識(shí)的深度理解；（2）在調(diào)查、討論、展示等過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)協(xié)商對(duì)話、問(wèn)題解決、模型繪制等方式展現(xiàn)出了多元?jiǎng)?chuàng)新思維能力；（3）在模仿復(fù)原、要素微調(diào)、模型重構(gòu)過(guò)程中，學(xué)生綜合利用身邊工具與資源，設(shè)計(jì)方案、制作模型，展現(xiàn)出較高的創(chuàng)新技能水平。

（五）教學(xué)實(shí)踐效果分析

1. 學(xué)生微創(chuàng)新能力分析

將問(wèn)卷數(shù)據(jù)進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。學(xué)生微創(chuàng)新能力整體水平隨著課時(shí)增加得到了提高，且存在顯著差異（p=0.020<0.05）。對(duì)微創(chuàng)新能力各要素均值進(jìn)行前后測(cè)比較，其中，創(chuàng)新思維（p=0.028<0.05）、創(chuàng)新技能（p=0.022<0.05）均有顯著差異，但創(chuàng)新人格（p=0.068>0.05）不存在顯著差異。

表2? ? ? ? ? ?微創(chuàng)新能力問(wèn)卷分析結(jié)果

2. 學(xué)生作品創(chuàng)新性分析

本研究從設(shè)計(jì)方案和3D模型兩個(gè)方面對(duì)學(xué)生作品創(chuàng)新性進(jìn)行評(píng)定。一方面，設(shè)計(jì)方案能夠反映學(xué)生對(duì)3D模型的思考和創(chuàng)意；另一方面，3D模型真實(shí)反映了學(xué)生創(chuàng)新技能。由授課教師與一名研究助理組成評(píng)價(jià)小組，根據(jù)作品評(píng)價(jià)量表以及設(shè)計(jì)方案對(duì)學(xué)生作品創(chuàng)新性進(jìn)行打分。通過(guò)分析全部作品得分發(fā)現(xiàn)，在第一輪設(shè)計(jì)方案實(shí)施時(shí)，大部分學(xué)生趨向于對(duì)原型作品進(jìn)行簡(jiǎn)單模仿，只有少部分學(xué)生能夠?qū)υ妥髌愤M(jìn)行要素微調(diào)和再設(shè)計(jì)，微創(chuàng)新三個(gè)階段的作品數(shù)分別是10、8和4。在迭代修改的過(guò)程中，學(xué)生具有創(chuàng)意性的作品增多，第二輪中對(duì)應(yīng)微創(chuàng)新三個(gè)階段的作品數(shù)分別是5、10和7，第三輪中三個(gè)階段作品數(shù)則分別變化為3、8和11，這充分說(shuō)明學(xué)生逐漸擁有了改造物品意識(shí)與能力，微創(chuàng)新水平得到提升。

3. 學(xué)生課堂表現(xiàn)分析

課堂觀察結(jié)果見(jiàn)表3。從第一輪課堂觀察可知，學(xué)生創(chuàng)新技能與思維方面表現(xiàn)較弱，第三輪三個(gè)維度較第一輪均有提升，創(chuàng)新人格方面提升較小，該結(jié)果與微創(chuàng)新能力分析以及作品評(píng)價(jià)結(jié)果一致。學(xué)生在三輪教學(xué)實(shí)踐中一直表現(xiàn)出較高的創(chuàng)新人格，尤其是當(dāng)教師以視頻、圖片等形式引入主題時(shí)，學(xué)生表現(xiàn)出較高的好奇心，提問(wèn)時(shí)能夠踴躍回答，但在討論中表現(xiàn)得比較被動(dòng)。通過(guò)三輪實(shí)踐后，學(xué)生能夠根據(jù)現(xiàn)實(shí)需求對(duì)作品構(gòu)成關(guān)鍵要素進(jìn)行修改，以達(dá)到重構(gòu)作品目的，微創(chuàng)新能力有了較大的提升。

表3? ? ? ? ? ? ? ? ? ?課堂觀察分析

4. 學(xué)生滿意度分析

本研究在教學(xué)實(shí)踐后對(duì)學(xué)生滿意度進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，學(xué)生整體滿意度較高，其中，對(duì)教師教學(xué)方式（4.73）、教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)（4.64）較滿意，但對(duì)教學(xué)評(píng)價(jià)的滿意度略低（4.35）。在學(xué)生活動(dòng)中，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與基本知識(shí)掌握情況較好（4.67），創(chuàng)新作品（4.73）、自主探究能力與協(xié)作交流能力（4.39）均有所提升。通過(guò)訪談還發(fā)現(xiàn)，在教學(xué)評(píng)價(jià)方面，學(xué)生參與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)制定，較好地達(dá)到了以評(píng)促學(xué)的效果；學(xué)習(xí)收獲方面，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間學(xué)習(xí)，學(xué)生擁有了改造物品的意識(shí)與能力，對(duì)3D打印學(xué)習(xí)興趣變得更加濃厚；教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)置方面，較好地喚醒了學(xué)生拆解、分析物品的意識(shí)，通過(guò)對(duì)物品逐步迭代再設(shè)計(jì)，提升了學(xué)生的微創(chuàng)新能力。

（六）教學(xué)活動(dòng)框架修正

通過(guò)三輪實(shí)踐，本研究對(duì)初構(gòu)的教學(xué)活動(dòng)框架進(jìn)行了修正與優(yōu)化，如圖2所示。相較于教學(xué)活動(dòng)框架雛形，修正后的框架同樣按照“拆解—分析—再設(shè)計(jì)”三步操作流程，設(shè)計(jì)了拆解復(fù)原、分析改造、再設(shè)計(jì)優(yōu)化、分享評(píng)價(jià)環(huán)環(huán)相扣的教學(xué)流程，使學(xué)生在迭代設(shè)計(jì)修改作品的過(guò)程中其低階能力逐步過(guò)渡到高層次創(chuàng)造力。不同的是，教師活動(dòng)與學(xué)生活動(dòng)相較于框架雛形更加具體，更有利于教師參照開(kāi)展基于逆向工程法培養(yǎng)小學(xué)生微創(chuàng)新能力的教學(xué)活動(dòng)。

五、研究討論

（一）逆向工程法對(duì)培養(yǎng)小學(xué)生微創(chuàng)新能力的支持作用

逆向工程是一項(xiàng)“認(rèn)識(shí)原型—再現(xiàn)原型—超越原型”的創(chuàng)新活動(dòng)[22]，在開(kāi)始作品創(chuàng)新活動(dòng)前，學(xué)習(xí)者需要經(jīng)歷對(duì)原型作品觀察反思、拆解分析，應(yīng)用逆向工程法，使學(xué)生能夠了解“工程”設(shè)計(jì)的全貌以及解決開(kāi)放問(wèn)題的有效方法。本研究利用逆向工程法的核心思想設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)框架，學(xué)生通過(guò)拆解掌握基本知識(shí)與技能，分析完成知識(shí)的應(yīng)用，最后再設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新實(shí)踐。從教師、學(xué)生、教學(xué)過(guò)程三個(gè)角度對(duì)學(xué)生微創(chuàng)新能力變化進(jìn)行三角互證，三個(gè)角度數(shù)據(jù)分析結(jié)果都佐證了經(jīng)過(guò)系列迭代后學(xué)生微創(chuàng)新能力顯著提升，這與Barr等的結(jié)論[23]一致。由此可見(jiàn)，逆向工程法能顯著提升小學(xué)生的微創(chuàng)新能力。其中，創(chuàng)新技能與創(chuàng)新思維兩個(gè)維度都得了顯著提升，而創(chuàng)新人格前后測(cè)沒(méi)有顯著差異，分析其原因，可能是入選參加3D打印社團(tuán)的學(xué)生是平常成績(jī)較優(yōu)異的孩子，并且教學(xué)周期過(guò)短，已有研究表明小學(xué)生的成績(jī)和創(chuàng)造性人格相關(guān)顯著[24]。逆向工程與其他學(xué)習(xí)策略或工具結(jié)合起來(lái)，如協(xié)作學(xué)習(xí)、主動(dòng)學(xué)習(xí)等，對(duì)學(xué)生產(chǎn)生綜合知識(shí)的能力有著直接和積極影響[25]。本研究在遵循逆向工程法的核心步驟的同時(shí)，在結(jié)構(gòu)創(chuàng)新階段采用小組合作的項(xiàng)目式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生就現(xiàn)實(shí)生活問(wèn)題對(duì)作品創(chuàng)新點(diǎn)進(jìn)行發(fā)散，在不斷迭代修改作品過(guò)程中學(xué)會(huì)用不同的思路解決問(wèn)題，因而較好地體現(xiàn)了逆向工程法對(duì)培養(yǎng)小學(xué)生微創(chuàng)新能力的支持作用。

（二）基于逆向工程法培養(yǎng)小學(xué)生微創(chuàng)新能力的教學(xué)活動(dòng)框架特征

本研究基于逆向工程法構(gòu)建了培養(yǎng)小學(xué)生微創(chuàng)新能力的教學(xué)活動(dòng)框架，框架特征具體如下：（1）基于問(wèn)題情境，讓創(chuàng)新思維落地生根。為避免學(xué)生由學(xué)習(xí)情境過(guò)渡到創(chuàng)新實(shí)踐出現(xiàn)斷點(diǎn)，本框架強(qiáng)調(diào)學(xué)生要在原有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上建構(gòu)新知識(shí)，設(shè)計(jì)源于生活的開(kāi)放式項(xiàng)目主題，便于學(xué)生通過(guò)對(duì)實(shí)物觀察、試用、拆解、逆向分析，逐步設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)出新作品。（2）發(fā)揮項(xiàng)目式學(xué)習(xí)優(yōu)勢(shì)，關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程。本框架中重構(gòu)階段的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)與傳統(tǒng)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)相比，更加關(guān)注項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程，而不是側(cè)重項(xiàng)目完成結(jié)果。此外，為凸顯“以評(píng)促學(xué)”，本框架將競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制融入師生共同制定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，激發(fā)學(xué)生積極性。（3）靈活調(diào)整學(xué)習(xí)支架，促進(jìn)有意義的學(xué)習(xí)。本框架中模仿階段的支架可幫助學(xué)生完成作品的模仿復(fù)原，重構(gòu)階段的支架可啟發(fā)學(xué)生開(kāi)展自主探究。需注意的是，教學(xué)過(guò)程中教師要引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展交互，經(jīng)歷產(chǎn)品需求分析、原理應(yīng)用、產(chǎn)品再設(shè)計(jì)的過(guò)程，以幫助學(xué)生建構(gòu)知識(shí)和提升微創(chuàng)新能力。

（三）基于逆向工程法培養(yǎng)小學(xué)生微創(chuàng)新能力的策略建議

基于實(shí)踐研究結(jié)果，本研究提出基于逆向工程法培養(yǎng)小學(xué)生微創(chuàng)新能力的三點(diǎn)建議：（1）注重任務(wù)設(shè)計(jì)并提供學(xué)習(xí)支架，促進(jìn)教學(xué)的深入實(shí)施。在逆向工程法的指導(dǎo)下，教師需為不同的教學(xué)階段創(chuàng)設(shè)不同難度的任務(wù)，模仿階段拆解復(fù)原，微調(diào)階段增減要素，重構(gòu)階段結(jié)構(gòu)再造，每一階段任務(wù)由易到難，循序漸進(jìn)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行微創(chuàng)新。此外，為不同學(xué)習(xí)階段提供支架，以支持學(xué)生設(shè)計(jì)方案、制作模型、評(píng)價(jià)反思，引導(dǎo)學(xué)生逐步解決問(wèn)題。（2）注重情境創(chuàng)設(shè)和學(xué)習(xí)需求，保證學(xué)習(xí)情境和實(shí)踐的銜接性。一是課程導(dǎo)入環(huán)節(jié)創(chuàng)設(shè)情境，幫助學(xué)生將項(xiàng)目與真實(shí)世界相關(guān)聯(lián)，從用戶視角出發(fā)思考問(wèn)題，將創(chuàng)意和方案可視化實(shí)現(xiàn)；二是組織學(xué)生圍繞大項(xiàng)目進(jìn)行課前調(diào)查，從學(xué)生熟知的生活和學(xué)習(xí)環(huán)境中選取多樣化、可操作、具有創(chuàng)新空間的大項(xiàng)目，各小組自行確定子項(xiàng)目，促使學(xué)生在做項(xiàng)目的過(guò)程中提高微創(chuàng)新能力。（3）引導(dǎo)學(xué)生融合多學(xué)科知識(shí)創(chuàng)新作品，促進(jìn)知識(shí)的遷移與應(yīng)用。教師及時(shí)對(duì)教學(xué)實(shí)踐進(jìn)行總結(jié)和反思，引導(dǎo)學(xué)生圍繞項(xiàng)目主題，回歸到現(xiàn)實(shí)情境中尋找問(wèn)題，主動(dòng)利用多學(xué)科知識(shí)完成學(xué)習(xí)任務(wù)，通過(guò)拆解復(fù)原完成概念提取、要素微調(diào)進(jìn)行遷移應(yīng)用、作品重構(gòu)實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)內(nèi)化，逐步獲得跨學(xué)科創(chuàng)新作品能力[26]。

六、結(jié)? ?語(yǔ)

本研究以“3D打印”課程為例，探索了基于逆向工程法培養(yǎng)小學(xué)生微創(chuàng)新能力的教學(xué)實(shí)踐，為培養(yǎng)小學(xué)生創(chuàng)新能力帶來(lái)了新思路。值得注意的是，微創(chuàng)新與創(chuàng)新并不是兩個(gè)完全獨(dú)立的階段，兩者均需要“模仿”作為前導(dǎo)階段，模仿—微創(chuàng)新—?jiǎng)?chuàng)新環(huán)環(huán)相扣，逐步提高學(xué)生的創(chuàng)新能力?；谀嫦蚬こ谭ㄅ囵B(yǎng)小學(xué)生微創(chuàng)新能力的教學(xué)活動(dòng)框架體現(xiàn)了“循序漸進(jìn)提升學(xué)生微創(chuàng)新能力”的思想，對(duì)于一線教師而言，尤其要注意根據(jù)學(xué)生身心發(fā)展?fàn)顩r，靈活選擇任意階段作為起始階段開(kāi)展教學(xué)。盡管本研究驗(yàn)證了逆向工程法可用于提高小學(xué)生的微創(chuàng)新能力，但受研究對(duì)象、教學(xué)條件等因素限制，研究結(jié)果具有較強(qiáng)的個(gè)案特征，且未深入探究創(chuàng)新人格培養(yǎng)結(jié)果不顯著的原因。因此，未來(lái)研究還需依托其他學(xué)科和課程進(jìn)行長(zhǎng)期、深入的應(yīng)用與測(cè)評(píng)，從而助力國(guó)家創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

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Practical Research on Cultivating Primary School Students' Micro-innovation Ability Based on Reverse Engineering Method

—A Case of "3D Printing"

ZHANG Ni，? ZHANG Min，? FU Chong，? XING Dahui

（Institute of Education， Guizhou Normal University， Guiyang Guizhou 550025）

[Abstract] Reverse engineering method is a teaching method that "starts with the finished product" and lowers the threshold of innovation， making it easy to realize micro-innovations. Guided by the connotation of micro-innovation ability， this paper follows the teaching concept of "imitation preceding creation"， and proposes a teaching activity framework for cultivating primary school students' micro-innovation ability based on the reverse engineering method with support of project-based teaching and learning by doing. Taking "3D printing" as an example， three rounds of teaching practice are carried out， and the practice effect is explored from three perspectives of teachers， students and teaching process with the triangulation method， so as to revise and improve the activity framework. The research results indicate that the teaching activities designed based on reverse engineering method can significantly improve the level of primary school students' micro innovation ability， and also significantly promote the innovative thinking and innovative skills， but the impact on innovative personality is not significant. The research results provide valuable theoretical guidance and practical reference for cultivating primary school students' micro-innovation ability and cultivating national innovative talents.

[Keywords] Reverse Engineering Method; Micro-innovation Ability; Cultivation of Innovative Talents; Practical Research; 3D Printing