“G-A-C-O”范式：指向計(jì)算思維培養(yǎng)的編程教學(xué)策略建構(gòu)與實(shí)踐

王嘉煥

【摘要】本文以編程教育為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合計(jì)算思維的特征，以比例巡線算法為基點(diǎn)，構(gòu)建編程教育中學(xué)生計(jì)算思維培育的“G-A-C-O”教學(xué)范式。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐解決存在的問(wèn)題。從而達(dá)到培育計(jì)算思維的目標(biāo)。希望此范式為計(jì)算思維的培養(yǎng)提供思路與方法。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算思維? 編程? 比例巡線算法? “G-A-C-O”教學(xué)范式

一、引言

信息技術(shù)之所以得到進(jìn)步和發(fā)展，其根本在于充足的信息技術(shù)人力資源支撐。培養(yǎng)信息技術(shù)人才成為世界需求，而計(jì)算思維又是信息技術(shù)人才的必備能力。這是當(dāng)今時(shí)代對(duì)教育的新要求。新版《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》提出：計(jì)算思維是信息技術(shù)核心素養(yǎng)的重要組成。計(jì)算思維作為解決問(wèn)題的能力特征，滲透在整個(gè)問(wèn)題解決過(guò)程中。

二、思考：“G-A-C-O”范式的由來(lái)

筆者認(rèn)為編程是邏輯流動(dòng)的體現(xiàn)。借助計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的編程技術(shù)，形成合理的形式化方案將問(wèn)題解決。可見(jiàn)，編程體現(xiàn)了計(jì)算思維。

筆者以比例巡線算法為基點(diǎn)對(duì)中學(xué)生計(jì)算思維培育展開(kāi)思考：如何提升學(xué)生解析能力，助力編程學(xué)習(xí);如何訓(xùn)練學(xué)生思維嚴(yán)謹(jǐn)，適用學(xué)習(xí)生活;如何培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維，適應(yīng)信息社會(huì)發(fā)展？

歷經(jīng)一年教學(xué)實(shí)踐，資料匯總分析后，筆者總結(jié)歸納了編程教育“G-A-C-O”范式，即Gather-Abstract-Conclude-Optimize，將編程的抽象映射到具體的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜問(wèn)題一般化，從而解決問(wèn)題。

三、發(fā)現(xiàn)：“G-A-C-O”范式中的計(jì)算思維

以“樂(lè)高機(jī)器人比例巡線”為例——基于光電傳感器調(diào)整巡線轉(zhuǎn)向從而優(yōu)化巡線過(guò)程的控制算法。

（一）計(jì)算思維本質(zhì)：人的思維主導(dǎo)計(jì)算機(jī)完成指令

學(xué)生看到提示，首先想到路線的復(fù)雜度而非機(jī)器人如何巡線，這是人的思維決定的，圖像優(yōu)先。從機(jī)器人巡線看，就是通過(guò)樂(lè)高編程控制機(jī)器人自動(dòng)完成。這對(duì)機(jī)器人而言是思維復(fù)刻，是一種機(jī)械化操作，是人的思維主導(dǎo)機(jī)器人完成。這說(shuō)明計(jì)算思維雖在機(jī)器人中體現(xiàn)，本質(zhì)上仍是人的思維。

（二）計(jì)算思維要求：像計(jì)算機(jī)科學(xué)家那般嚴(yán)謹(jǐn)?shù)厮伎紗?wèn)題

完成比巡線算法，不單是編程，更重要的是將任務(wù)進(jìn)行抽象分析，將任務(wù)一般化，通過(guò)思考形成結(jié)構(gòu)化解決方案。一些學(xué)生會(huì)忽視“比例”，直接套用“Z字形巡線”。實(shí)際上前者主體是順序結(jié)構(gòu)，后者主體是選擇結(jié)構(gòu)，雖能實(shí)現(xiàn)巡線但與“優(yōu)化”無(wú)關(guān)（如圖2）。

這歸根結(jié)底是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃伎紝?dǎo)致。說(shuō)明計(jì)算思維不只是需要我們學(xué)會(huì)編程，而是需要我們像計(jì)算機(jī)科學(xué)家那般嚴(yán)謹(jǐn)?shù)厮伎紗?wèn)題。

（三）計(jì)算思維核心：抽象與自動(dòng)化

根據(jù)圖2描述，實(shí)現(xiàn)比例巡線算法需更多的數(shù)據(jù)，顯得更復(fù)雜抽象，需要有良好的數(shù)學(xué)和邏輯思維能力為基礎(chǔ)。從具象感官到抽象分析，再到模型建構(gòu)形成自動(dòng)化方案，探索比例巡線算法的過(guò)程可以輔助學(xué)生理解計(jì)算思維的自動(dòng)化和抽象兩個(gè)特點(diǎn)。

四、探究：“G-A-C-O”范式使用

理解巡線任務(wù)情境，明確巡線工作原理——讓顏色傳感器始終停留在線的邊緣，保障機(jī)器人平穩(wěn)巡線行進(jìn)。這一點(diǎn)非常關(guān)鍵。類似數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)，只有知道了某條定理或概念，才會(huì)運(yùn)用相關(guān)知識(shí)解題。“G-A-C-O”范式遵循認(rèn)知規(guī)律，有效輔助教學(xué)。

（一）Gather：獲取數(shù)據(jù)，形成圖表

為排除手動(dòng)測(cè)量的誤差，一般采用程序獲取場(chǎng)地反射光強(qiáng)度，并記錄于數(shù)據(jù)表格。

（1）確定測(cè)量路徑

圖中紅圈表示傳感器檢測(cè)點(diǎn)，黑色長(zhǎng)條表示路線。

（2）編寫測(cè)量程序

編寫程序控制從上往下對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行測(cè)量，電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度為前進(jìn)距離。

（3）記錄測(cè)量數(shù)據(jù)

將測(cè)量顯示的結(jié)果記錄在數(shù)據(jù)表格中，如表1。

表1中，加粗部分表示點(diǎn)位3—點(diǎn)位7的反射光強(qiáng)度和對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)角度。從表1可見(jiàn)，當(dāng)傳感器到達(dá)點(diǎn)位3之前，讀數(shù)在60以上;到達(dá)點(diǎn)位3時(shí)讀數(shù)立馬下降;過(guò)了點(diǎn)位3直至傳感器完全在黑線上（點(diǎn)位5），讀數(shù)驟降，約為5;之后讀數(shù)開(kāi)始上升，直到過(guò)點(diǎn)位7，讀數(shù)有恢復(fù)到60以上。

至此，基本可以鎖定巡線的關(guān)鍵數(shù)據(jù)在點(diǎn)位3-點(diǎn)位7產(chǎn)生。縮小分析范圍后，借助本環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集技巧對(duì)該區(qū)間進(jìn)行詳細(xì)地測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)。

（二）Abstract：處理數(shù)據(jù)，明確原理

（1）生成數(shù)據(jù)折線圖。借助Excel將記錄數(shù)據(jù)生成平面坐標(biāo)數(shù)據(jù)圖（如圖6，其中黑色長(zhǎng)條表示黑線）。

由圖可以得出2號(hào)、3號(hào)區(qū)域讀數(shù)變化近似一條直線，即傳感器接近黑線讀數(shù)慢慢變小，遠(yuǎn)離黑線讀數(shù)漸漸增大。這就是傳感器讀數(shù)與檢測(cè)點(diǎn)到黑線距離成正比例關(guān)系。

（2）建立平面直角坐標(biāo)系。為有效理解正比例關(guān)系。筆者將此圖稍作改變，轉(zhuǎn)換成熟悉的平面直角坐標(biāo)圖，如圖7。

以點(diǎn)（160，32）為原點(diǎn)，以電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度為X軸，反射光強(qiáng)度為Y軸，建立直角坐標(biāo)系。

（3）明確比例巡線工作原理。根據(jù)圖7聯(lián)想到一次函數(shù)，明白正比例關(guān)系，發(fā)現(xiàn)3號(hào)區(qū)域有類似結(jié)果。如何選擇是關(guān)鍵。1號(hào)、4號(hào)區(qū)域傳感器距離黑線太遠(yuǎn)，機(jī)器人會(huì)一直旋轉(zhuǎn)根本無(wú)法前進(jìn);3號(hào)區(qū)域傳感器在黑線上，理論上一直檢測(cè)到黑線可保持直線前進(jìn)，但由于自身結(jié)構(gòu)、摩擦、黑線形狀發(fā)生改變等因素?zé)o法保持直線行進(jìn)，雖是正比例關(guān)系，可一旦走偏，就無(wú)法準(zhǔn)確告訴機(jī)器人傳感器與黑線的距離，導(dǎo)致無(wú)法平穩(wěn)行進(jìn);2號(hào)區(qū)域左半邊是白色區(qū)域，右半邊是黑色區(qū)域，只要將傳感器放在黑線邊緣，一旦發(fā)生偏轉(zhuǎn)或黑線形狀改變，機(jī)器人便可根據(jù)讀數(shù)確定調(diào)整幅度，繼續(xù)沿著黑線邊緣行進(jìn)。這種控制方式就是比例巡線。

（三）Conclude：建立模型，編寫程序

（1）建立模型。明確比例巡線工作原理，是建構(gòu)模型的基礎(chǔ)。傳感器偏離距離大，轉(zhuǎn)向幅度就大;反之，轉(zhuǎn)向幅度就小。不難得出，“偏離距離”由傳感器讀數(shù)與邊緣處讀數(shù)之差來(lái)確定，前者為“誤差值”，后者為“目標(biāo)值（一般選擇點(diǎn)位3與點(diǎn)位5讀數(shù)的平均數(shù)）”。結(jié)合正比例函數(shù)解析式（y=k·x）可得到：

轉(zhuǎn)向幅度=（傳感器讀數(shù)-目標(biāo)值）×比例系數(shù)

（2）編寫程序。根據(jù)計(jì)算公式，完成編程：

編程中的數(shù)據(jù)傳遞是關(guān)鍵，借助數(shù)學(xué)公式，構(gòu)建計(jì)算模型，完成編程。

（四）Optimize：優(yōu)化程序，遷移類比

調(diào)試是比例巡線程序重要部分。通過(guò)不斷調(diào)試，驗(yàn)證目標(biāo)值的可靠性，確定補(bǔ)償值的有效性，保障機(jī)器人平穩(wěn)行進(jìn)。

（1）優(yōu)化程序：優(yōu)化測(cè)量程序：驅(qū)動(dòng)模塊放到循環(huán)結(jié)束前，可獲取初始光值，確定最大讀數(shù)助力分析，顯得思維過(guò)程更嚴(yán)謹(jǐn);優(yōu)化穩(wěn)定性：如果將目標(biāo)值增加到35，機(jī)器人將沿著邊緣線稍偏左行進(jìn)。這使機(jī)器人既可遠(yuǎn)離3號(hào)、4號(hào)區(qū)域，也可增大機(jī)器人的反應(yīng)空間。測(cè)試路徑?jīng)Q定目標(biāo)值。如果路徑是圓形，就需要將傳感器放在3號(hào)、4號(hào)區(qū)域的邊緣線，重新確定目標(biāo)值，確保只朝一個(gè)方向轉(zhuǎn)彎。補(bǔ)償值則需嘗試不同系數(shù)，以機(jī)器人穩(wěn)定行進(jìn)確定最佳補(bǔ)償值。

（2）遷移類比。學(xué)生根據(jù)“G-A-C-O”范式可以一步步去分析復(fù)雜的編程，將復(fù)雜的過(guò)程細(xì)分成單個(gè)編程步驟，由繁化簡(jiǎn)、由難變易，上一步做到位，就可進(jìn)行下一步，最后都可以實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)。學(xué)生可以借助范式解決問(wèn)題后，習(xí)得相關(guān)技，實(shí)現(xiàn)解決一個(gè)問(wèn)題到解決一批問(wèn)題。

五、總結(jié)：“G-A-C-O”范式的成效

筆者歷經(jīng)一年實(shí)踐驗(yàn)證范式的可行性。使用范式一步步對(duì)問(wèn)題進(jìn)行抽象分析，是對(duì)學(xué)生抽象思維鍛煉，使學(xué)生面對(duì)問(wèn)題時(shí)較快理清思路，更好參與到學(xué)習(xí)中。回到“G-A-C-O”范式，來(lái)看看取得的成效：

（一）促進(jìn)學(xué)生解析能力提升，助力編程學(xué)習(xí)。

利用“G-A-C-O”范式學(xué)習(xí)編程，進(jìn)行解析并推導(dǎo)數(shù)據(jù)間關(guān)系，最終完成編程。這意味著“G-A-C-O”范式促使形成一套基于信息技術(shù)編程解決問(wèn)題的方法。從而知曉編程背后的機(jī)理，掌握編程解決問(wèn)題的解析能力。

（二）促進(jìn)學(xué)生形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)木幊趟季S，適用學(xué)習(xí)方方面面。

抽象思維將具體問(wèn)題一般化，得到參數(shù)間的一般關(guān)系，從而建構(gòu)模型。學(xué)生運(yùn)用“G-A-C-O”范式解決編程問(wèn)題，必須確保每個(gè)過(guò)程的各個(gè)參數(shù)都有根有據(jù)，每一步都要合理準(zhǔn)確。這有利于形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)木幊趟季S。

（三）促進(jìn)計(jì)算思維培育，提升信息社會(huì)的生存能力。

“G-A-C-O”教學(xué)范式幫助學(xué)生抽象分析問(wèn)題，尋求本質(zhì)。這有助于深化對(duì)信息技術(shù)的本質(zhì)理解。往后遇到諸多品牌的教學(xué)機(jī)器人都可以實(shí)現(xiàn)比例控制算法。從而促進(jìn)學(xué)生對(duì)信息技術(shù)的運(yùn)用，甚至創(chuàng)造出新的信息技術(shù)，提升學(xué)生在信息社會(huì)的生存能力。

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