淺談“虛擬機器人”STEAM項目教學對學生計算思維的培養

楊雨

摘 要：計算思維是運用計算機科學的理念分析問題、設計方案的思維活動。隨著信息技術和計算機技術的迅猛發展，計算思維在學習、工作和生活中也越來越重要。就選擇“虛擬機器人”開展STEAM項目教育來闡述如何培養學生的計算思維。

關鍵詞：計算思維;虛擬機器人;STEAM

5G通信技術的成熟和應用帶來的是高網速、低延時和萬物互聯的信息時代，信息量、信息傳播和處理的速度以及應用信息的程度都以幾何級數的方式增長。5G時代對信息技術教師發起了挑戰：培養具備一定計算思維，運用計算機科學的思維分析問題、設計方案解決問題的綜合素質人才。

一、選擇虛擬機器人開展STEAM教育

STEAM是一種注重探究真實情境下的問題的項目教學技術，在培養學生的計算思維上具有明顯優勢。而機器人教育可以全方位培養學生的計算思維，提升學生的綜合應用能力，但是由于資金、場地等因素的限制，在高中開展實體機器人教育無法普及也不現實。3D虛擬機器人則不受此限制，更多的學生有了接觸機器人的機會。

選擇蘿卜圈3D機器人在線仿真平臺開展機器人教育有兩個原因：第一，蘿卜圈平臺提供了很多富有挑戰性的綜合任務，如汽車總動員、野外生存、漫游金字塔、無人駕駛等。學生可以在虛擬平臺中搭建機器人，設計并編寫程序來完成任務，在完成任務的過程中培養計算思維;第二，蘿卜圈平臺可以容納多人同時登錄，設置了積分排行榜，每完成一個任務，根據機器人完成動作的時間、完成程度和整體用時獲得不同的積分，讓學生之間有更多競爭和交流。綜上所述，蘿卜圈3D機器人在線仿真平臺能為開展“虛擬機器人”STEAM項目教育提供強大的技術支持和堅實的物質基礎。

二、STEAM項目教學的開展

筆者選擇了“無人駕駛”開展STEAM項目教育，該項目具備極高的現實意義且綜合性極強，學生能夠充分沉浸在問題的情景中，全面考慮實現“無人駕駛”需要解決的問題，調動多學科知識設計方案、解決問題。

“無人駕駛”項目要求學生設計的機器人能模擬無人駕駛交通行為：機器人從起點出發，全程自主運行完成安全行車和技能挑戰動作，并在規定的時間內抵達終點。學生在設計機器人時需考慮虛擬環境道路上車輛的位置和行車速度、行人位置、窄路曲行路段、路障和交叉路口和隔離欄桿等。緊密聯系生活的項目能引導學生運用計算機思維分析問題、設計方案并解決問題，學習知識與實踐活動相互交融，培養計算思維。學生在完成項目的過程中主動提出問題：怎樣到達終點？如何實現“避讓行人”“轉向選擇”等，為了解決這些問題又會主動吸取相關知識。有了這樣的內在驅動力，學生不但能掌握機器人的相關知識，還能提高綜合運用各學科知識的能力。

學生完成“無人駕駛”項目共分三步：第一步，全面考慮“無人駕駛”項目中需要解決的問題，設計一個初步的解決方案，包括機器人的硬件設計和程序邏輯設計;第二步，根據設計搭建機器，編寫代碼，控制機器人在不同情境下的行為模式，讓機器人能夠根據道路變化完成不同的得分動作;第三步，在虛擬賽道上仿真測試，根據測試反饋的問題不斷重復修改機器人和代碼，直到完成挑戰。

筆者將2到3個學生分為一組，組內成員通過頭腦風暴共同完成前期的方案設計，每組選擇的硬件和設計的行為邏輯都有所不同。完成第一步之后，每一組都向其他同學分享自己的解決方案、分享的過程又是一場思維的碰撞。學生在互相學習中優化設計方案，尋找最佳的解決方案，知識水平得以飛快提高，不斷拓展自己思維的廣度和深度。單純靠教師講課不可能培養具備綜合素質的人才。每一位同學在設計方案時都能應用自己所學的知識，充分思考并將思考的結果“變現”，這樣的學習過程才能真正培養學生的計算思維。第二步，組內成員分工合作，根據個人優勢選擇不同的分工，在最后階段將每個人的成果進行組合。分工合作可以提高學生的溝通能力，合作能力和團隊精神，培養具備綜合素質的人才。第三步則需要學生具備發現問題并解決問題的能力。學生將機器人放入仿真虛擬環境中測試，發現機器人實際運行時會在各種各樣的任務環節中出現故障，需要根據實際暴露的問題分析造成故障的原因，不斷修正自己的設計。在反復實踐中，學生能夠快速提升應用所學知識的能力，有效培養計算思維。因此在開展“虛擬機器人”STEAM項目教學任務時，教師必須緊緊圍繞實踐性這個特點，讓學生在解決問題中提高計算思維能力。

三、課程實施的注意事項

“無人駕駛”項目涉及知識點廣，難度高，需要時間多。如果教師在一開始直接把整個綜合性任務拋給學生，一方面學生很難理解和消化，容易挫傷學生的積極性;另一方面，大部分學生是初次接觸虛擬機器人，馬上提出綜合性任務不利于教學的開展。因此筆者認為應該在精心分析教學目標和“無人駕駛”涉及的相關知識點后進行系統規劃，截取綜合項目里重要的知識點設計成小型任務鏈。例如：（1）禮讓行人：當路口出現模擬人（發射可被檢測的紅外光）時，機器人等待模擬人優先通過;（2）安全會車：道路上出現正在行駛或臨時停靠的車輛時，機器人通過不能接觸到車輛。在學生完成小型任務鏈后再拋出“無人駕駛”綜合項目。

開展“虛擬機器人”STEAM項目教學，在發現問題解決問題的過程中學生的計算思維和創新思維得到提升和發展，良好的計算思維更讓人終身受益。

參考文獻：

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編輯 馮志強