在中學(xué)機(jī)器人科技活動中提升中學(xué)生計算思維能力的探究

摘?要：本文闡述了中學(xué)生計算思維能力的教育價值和現(xiàn)狀，通過中學(xué)機(jī)器人科技活動Botball—“機(jī)器人探礦者”項目活動案例提升學(xué)生計算思維能力的實踐過程探究，提出了在中學(xué)機(jī)器人科技活動中提升學(xué)生計算思維能力的策略：（1）全方位出發(fā)，多種途徑提升;（2）鼓勵學(xué)生嘗試，打破傳統(tǒng)思維方式，提升計算思維;（3）注重研究過程文檔化，提煉計算思維;（4）提升知識遷移能力，注重提升創(chuàng)造力。

關(guān)鍵詞：中學(xué)機(jī)器人科技活動;中學(xué)生計算思維能力

一、中學(xué)生計算思維能力

計算思維是一種運(yùn)用計算機(jī)科學(xué)基本概念求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類行為的活動的思維模式。2011年國際教育技術(shù)協(xié)會（ISTE）和計算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會給出的計算思維的操作性定義：計算思維是一個問題解決的過程，該過程包括：制定問題并能夠利用計算機(jī)和其他工具來幫助解決該問題;邏輯化的組織和分析數(shù)據(jù);通過抽象（例如模型、仿真等）再現(xiàn)數(shù)據(jù);通過算法思想來支持自動化解決方案;識別、分析、實施可能的解決方案同時結(jié)合上述步驟和資源，找到最有效的解決方案;將該問題的解決過程推廣并遷移到更廣泛的問題中[1]。

近年來，國家對中小學(xué)機(jī)器人教育越來重視。根據(jù)國務(wù)院發(fā)布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，規(guī)劃中明確提出在中小學(xué)階段開設(shè)機(jī)器人相關(guān)課程[2-4]，以及教育部發(fā)布的《普通高中課程方案和語文等學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》，新版《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》增加了技術(shù)和電子工程學(xué)，這些都可能意味著對于機(jī)器人技術(shù)的研究和學(xué)習(xí)會在中小學(xué)的校內(nèi)外教學(xué)中全面展開，這些都直接促進(jìn)了機(jī)器人教育在中小學(xué)的應(yīng)用和發(fā)展。我國的中小學(xué)機(jī)器人教育在教育部和科協(xié)等部門組織的各類機(jī)器人競賽活動的推動下得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

二、在中學(xué)機(jī)器人科技活動中提升學(xué)生計算思維能力的實踐探究

計算思維在2017年已經(jīng)被高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)納入高中信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)體系。新課標(biāo)明確了計算思維素養(yǎng)教育的重要性和內(nèi)涵，我們在日常應(yīng)用中主要為：應(yīng)用計算機(jī)學(xué)科的方法將問題抽象化，歸納出問題特征，建立問題模型;分析和整合各類信息資源，找到解決問題的各個約束條件，形成合理的算法，確定解決問題的方案;利用計算機(jī)工具測試問題解決效果，同時把計算機(jī)解決問題的方法和經(jīng)驗遷移到類似的問題解決中。

在機(jī)器人的活動中，主要是通過分析場地和硬件條件，分解任務(wù)，抽象方案，編寫程序等計算方法來解決問題。學(xué)生可以用圖形化編程的方法將問題解決過程可視化描述，將算法流程化，從而方便任務(wù)解決的效率。最后通過機(jī)器人行為測試問題解決效果，很好地形成了一個閉環(huán)反饋控制體系，這些都可以用計算機(jī)的符號化語言展現(xiàn)出來。學(xué)生在整個機(jī)器人項目學(xué)習(xí)中將計算思維能力內(nèi)化為隱性知識，在后續(xù)的學(xué)習(xí)生活中能很好地用來解決實際問題。

我校自2003年開始機(jī)器人活動，到現(xiàn)在已經(jīng)快20年，我們嘗試了多種方式開展學(xué)生機(jī)器人活動，從最初的幾人小組活動和機(jī)器人競賽到后來的100多人的機(jī)器人選修課，機(jī)器人創(chuàng)新實踐活動，我們一直在探索最好的機(jī)器人教育活動開展方式。隨著學(xué)校科技活動開展日益豐富，學(xué)生的知識面和活動范圍越來越廣，我們究竟該怎樣開展活動才能更好地培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，是我們研究最重要的一個切入點。

下面我們用Botball——“機(jī)器人探礦者”項目活動案例來看我們?nèi)绾卫脤W(xué)校良好的軟硬件資源，開展了機(jī)器人探礦者研究，通過項目組隊、材料準(zhǔn)備、方案確定、方案設(shè)計、項目研發(fā)、調(diào)試等整個項目完成過程，分析項目完成的每個環(huán)節(jié)如何提升隊員的計算思維能力，探究機(jī)器人教育活動提升學(xué)生計算思維能力。

（一）準(zhǔn)備工作

Botball是一個國際機(jī)器人比賽項目，每年都會有一個主題，融合了妙趣橫生的故事、高難度的任務(wù)和各種豐富的硬件種類。參加該項目組的成員都是根據(jù)隊員各自特點，選擇了部分上屆學(xué)生和該課題成員，以及機(jī)器人社團(tuán)自己報名的本屆學(xué)生共同組隊，課題組根據(jù)任務(wù)角色不同，分為組長、淘汰組編程、淘汰組搭建、種子賽編程、種子賽搭建、材料管理等10名選手組成，并且有些隊員身兼數(shù)職。項目隊員掌握了機(jī)器人C語言在線編程、基本的機(jī)械搭建和電子、單片機(jī)基礎(chǔ)知識，并且在Botball項目中掌握了基本的走線、抓舉等基本任務(wù)實現(xiàn)方法。

（二）項目實施

1.分析、抽象、細(xì)化問題

機(jī)器人教育活動中每個項目每年都會有一個主題和一系列的任務(wù)，該案例中學(xué)生分析了Botball國際機(jī)器人大賽的規(guī)則，搭建好場地，研究了各個任務(wù)的難點和得分點，在30多個任務(wù)中舍棄了花費時間多而得分少的任務(wù);學(xué)習(xí)、研究了比賽所使用的硬件的特點和工作原理，研究各項任務(wù)的完成策略，細(xì)化了任務(wù)，找出程序完成任務(wù)的關(guān)鍵點。

這個階段項目組的同學(xué)需要研究規(guī)則，根據(jù)已掌握的機(jī)器人搭建和編程知識，分析任務(wù)，細(xì)化任務(wù)，將實際任務(wù)抽象為可以通過程序控制解決的任務(wù)，這個過程培養(yǎng)學(xué)生的“問題分解”能力，學(xué)生利用計算概念和方法解決現(xiàn)實問題的能力。

2.確定方案和制訂計劃

全組成員講解各自解決方案，討論各種解決方案的優(yōu)缺點，權(quán)衡各種解決方案的利弊，最后整合形成完成的初期解決方案，然后制訂一份詳細(xì)計劃，并確定執(zhí)行解決方案的步驟。這個階段，研究方案的確定中，提升學(xué)生的“概括”能力、溝通能力，能否將具體的解決方案抽象到通過計算機(jī)算法解決辦法，學(xué)生能想出任務(wù)完成的基本流程。學(xué)生能否確定要使用的編程方法，想到之前所用的類似方法完成任務(wù)程序，學(xué)生能否重新使用部分程序。

3.嘗試實施方案

整個方案分成了四塊，抓取顏色方塊、放置顏色方塊、抓取Botgal、清理臺地。第一次細(xì)化的任務(wù)流程圖見圖1。

這個階段學(xué)生需要把具體的任務(wù)用流程圖來描述，整個任務(wù)完成過程在大腦里是一段段程序結(jié)構(gòu)模型。這個階段里，需要將程序代碼輸入機(jī)器人控制器中，通過運(yùn)行程序，學(xué)生的解決問題的想法得到了驗證，他們的“算法思維”將得到提升。也就是學(xué)生用程序設(shè)計語言描述了自己解決問題策略，將之前學(xué)過的順序、循環(huán)、條件語句等程序結(jié)構(gòu)用于完成一個個任務(wù)的程序中。

4.測試和優(yōu)化方案

在測試過程中，探礦機(jī)器人的動作與預(yù)想的差距較大，遇到了后退找黑線會有未成功識別黑線的情況;機(jī)器人重心不穩(wěn)，容易倒，于是有抓空的現(xiàn)象等諸多問題。測試的過程實際在驗證我們的編程是否合理，是否滿足我們的實際需求，每次的測試中學(xué)生需要觀察出現(xiàn)的各種問題，從中找到最關(guān)鍵點，以及程序中解決方案，在修改程序時是否完成了最關(guān)鍵點。

上面案例中學(xué)生們經(jīng)過思考，抽取關(guān)鍵點，列出相應(yīng)算法、編程解決了各個問題，對應(yīng)的改進(jìn)方案見圖2流程圖中紅色標(biāo)注的部分。

該過程中學(xué)生用設(shè)定好的機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)根據(jù)任務(wù)完成的成功率來評估解決方案，并利用自己的評估技能，利用前期機(jī)器人學(xué)習(xí)和活動中掌握的知識和經(jīng)驗，根據(jù)機(jī)器人動作確定程序是否需要修改、修改的地方，這里主要看隊員是否使程序?qū)崿F(xiàn)了迭代;項目隊員能否根據(jù)機(jī)器人動作問題抽象分析出程序中問題并及時修改以及根據(jù)之前的經(jīng)驗找到問題的知識遷移能力。

5.項目記錄、總結(jié)、整理研究報告

活動研究過程隊員會記錄下來包括每周的階段小結(jié)，整體項目結(jié)束后撰寫研究報告和總結(jié)，因為整個項目都是多人共同完成的，你的總結(jié)可以是其他隊員下一步工作開展提供很好的思路，搭建人員對設(shè)備的小小改進(jìn)，也許可以大大簡化編程人員的編程工作。這既是對過去一個階段工作的回顧與總結(jié)，也是提升認(rèn)識與能力的過程。

學(xué)生日常活動記錄、總結(jié)、研究報告除了記錄日常活動內(nèi)容，還將日常操作中得到的經(jīng)驗逐漸抽象為知識，也就是對沒法在書本中獲取的，多次實踐中得來的經(jīng)驗進(jìn)行重新整理、抽象分析，對比、反思自己的實際操作，結(jié)合自己在課堂中已經(jīng)掌握的基礎(chǔ)知識，逐步形成科學(xué)知識的自我建構(gòu)，并最終形成自己的知識體系。

這是計算思維提升最關(guān)鍵的一個階段，這個過程提升學(xué)生溝通能力、抽象、概括、總結(jié)能力，分析問題解決的最優(yōu)辦法，將該問題的解決過程整理記錄，從而在未來研究中推廣并遷移到更廣泛的問題中。

三、在中學(xué)機(jī)器人科技活動中提升學(xué)生計算思維能力的策略

近年來學(xué)校通過人工智能、創(chuàng)客教育、STEM教育活動的開展，可以看到中學(xué)機(jī)器人教育活動中提升中學(xué)生計算思維能力的策略有：

（一）全方位出發(fā)，多種途徑提升

雖然機(jī)器人項目開發(fā)一定需要計算機(jī)軟硬件知識的支持，但絕不僅僅是計算機(jī)課程提升了學(xué)生計算思維，機(jī)器人項目研發(fā)中，學(xué)生需要機(jī)械、電子等工程設(shè)計思維，同時需要數(shù)學(xué)、物理等多學(xué)科知識知識。中小學(xué)技術(shù)教育最好能將信息技術(shù)、勞動技術(shù)、通用技術(shù)課課程統(tǒng)一部署，共同提升學(xué)生的計算思維。

（二）鼓勵學(xué)生嘗試，打破傳統(tǒng)思維方式，提升計算思維

在活動開展中，我們發(fā)現(xiàn)機(jī)器人社團(tuán)的老隊員在考慮問題的解決方案時，更多的是從算法、從編程角度去思考，可行性強(qiáng)。而新隊員會提出許多新穎想法，利用程序或者結(jié)構(gòu)很難實現(xiàn)，這就是計算思維雛形沒有形成，這種思維習(xí)慣形成需要多次失敗和在不斷嘗試的基礎(chǔ)上養(yǎng)成的。活動中要避免老師一直講，或者立刻否定學(xué)生想法，多給學(xué)生機(jī)會嘗試。機(jī)器人學(xué)科中涉及數(shù)學(xué)、物理、工程等多種學(xué)科，提升學(xué)生計算思維能力，需要教師引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用多門專業(yè)的學(xué)科知識來研究和去解決實際問題，提升創(chuàng)造性思維。

（三）注重研究過程文檔化，提煉計算思維

科學(xué)的研究記錄既是將研究對象所蘊(yùn)含的大量信息轉(zhuǎn)化為學(xué)習(xí)者自身知識的有效載體，又是學(xué)生實現(xiàn)知識的自我建構(gòu)，學(xué)習(xí)科學(xué)概念的重要途徑。

對探究過程的記錄是一個學(xué)生從實踐到理論的過程，是一個學(xué)生提煉自己計算思維的過程，是課題、項目持續(xù)跟進(jìn)直至成功的可靠保障。無論老師和學(xué)生都應(yīng)該對探究過程記錄高度重視，積極養(yǎng)成研究記錄的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的習(xí)慣。

（四）提升知識遷移能力和創(chuàng)造力

中學(xué)生在問題解決的過程中，要注重提升解決復(fù)雜問題的應(yīng)變能力，由于機(jī)器人傳感器和硬件結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，隊員在復(fù)雜環(huán)境下從容應(yīng)對變化的能力就顯得尤為重要。機(jī)器人研發(fā)中，要善于突破思維定式，要用發(fā)散性思維總結(jié)、反思、修改現(xiàn)有的知識體系，形成新的知識體系，例如機(jī)器人在抓取的時候為了穩(wěn)定，我們用了循環(huán)結(jié)構(gòu)分了10次100毫秒的時間抓取的物品，在針對伺服電機(jī)走路的機(jī)器人，在抬腿和抬臂時為了穩(wěn)定就可以用相同的思想和方法解決。從而靈活運(yùn)用新知識，提高創(chuàng)造性思維水平。

在上述案例中，中學(xué)生將現(xiàn)實的任務(wù)問題抽象為算法，提取關(guān)鍵點，最終經(jīng)歷測試，優(yōu)化解決方案，最終完成整個機(jī)器人研發(fā)，親歷一個項目從開始到結(jié)束的完整過程，中學(xué)生在用機(jī)器人編程解決問題過程中，他們具有的批判性思維能力、自主學(xué)習(xí)能力、合作學(xué)習(xí)能力、總結(jié)反思能力等計算思維能力均得到了提升。

機(jī)器人活動中，我們應(yīng)該引導(dǎo)中學(xué)生用計算機(jī)科學(xué)的多種方法去處理問題，解決問題，把計算思維提升成每位中學(xué)生的基本技能，不可能一蹴而就，而應(yīng)當(dāng)貫穿于整個活動中。

參考文獻(xiàn)：

[1]王榮良.計算思維的方法觀[J].中國信息技術(shù)教育，2016（6）：22-26.

[2]郭守超，周睿，鄧常梅，等.基于AppInventor和計算思維的信息技術(shù)課堂教學(xué)研究[J].中國電化教育，2014（3）：91-96.

[3]任友群，隋豐蔚，李鋒.數(shù)字土著何以可能——也談計算思維進(jìn)入中小學(xué)信息技術(shù)教育的必要性和可能性[J].中國電化教育，2016（1）：2-8.

[4]曹金華.基于高中信息技術(shù)核心素養(yǎng)下的計算思維能力的培養(yǎng)策略[J].電腦與信息技術(shù)，2018，10（10）：76-78.

作者簡介：楊靜（1973—?），女，漢族，甘肅靖遠(yuǎn)縣人，碩士，北京市昌平區(qū)第二中學(xué)，中學(xué)高級教師，研究方向：機(jī)器人科技教育。