在中學機器人科技活動中提升中學生計算思維能力的探究

摘?要：本文闡述了中學生計算思維能力的教育價值和現狀，通過中學機器人科技活動Botball—“機器人探礦者”項目活動案例提升學生計算思維能力的實踐過程探究，提出了在中學機器人科技活動中提升學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。

關鍵詞：中學機器人科技活動;中學生計算思維能力

一、中學生計算思維能力

計算思維是一種運用計算機科學基本概念求解問題、設計系統(tǒng)和理解人類行為的活動的思維模式。2011年國際教育技術協(xié)會（ISTE）和計算機科學教師協(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和其他工具來幫助解決該問題;邏輯化的組織和分析數據;通過抽象（例如模型、仿真等）再現數據;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，國家對中小學機器人教育越來重視。根據國務院發(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階段開設機器人相關課程[2-4]，以及教育部發(fā)布的《普通高中課程方案和語文等學科課程標準（2017年版）》，新版《義務教育小學科學課程標準》增加了技術和電子工程學，這些都可能意味著對于機器人技術的研究和學習會在中小學的校內外教學中全面展開，這些都直接促進了機器人教育在中小學的應用和發(fā)展。我國的中小學機器人教育在教育部和科協(xié)等部門組織的各類機器人競賽活動的推動下得到了突飛猛進的發(fā)展。

二、在中學機器人科技活動中提升學生計算思維能力的實踐探究

計算思維在2017年已經被高中信息技術課程標準納入高中信息技術學科核心素養(yǎng)體系。新課標明確了計算思維素養(yǎng)教育的重要性和內涵，我們在日常應用中主要為：應用計算機學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;利用計算機工具測試問題解決效果，同時把計算機解決問題的方法和經驗遷移到類似的問題解決中。

在機器人的活動中，主要是通過分析場地和硬件條件，分解任務，抽象方案，編寫程序等計算方法來解決問題。學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，從而方便任務解決的效率。最后通過機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的符號化語言展現出來。學生在整個機器人項目學習中將計算思維能力內化為隱性知識，在后續(xù)的學習生活中能很好地用來解決實際問題。

我校自2003年開始機器人活動，到現在已經快20年，我們嘗試了多種方式開展學生機器人活動，從最初的幾人小組活動和機器人競賽到后來的100多人的機器人選修課，機器人創(chuàng)新實踐活動，我們一直在探索最好的機器人教育活動開展方式。隨著學?？萍蓟顒娱_展日益豐富，學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——“機器人探礦者”項目活動案例來看我們如何利用學校良好的軟硬件資源，開展了機器人探礦者研究，通過項目組隊、材料準備、方案確定、方案設計、項目研發(fā)、調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，探究機器人教育活動提升學生計算思維能力。

（一）準備工作

Botball是一個國際機器人比賽項目，每年都會有一個主題，融合了妙趣橫生的故事、高難度的任務和各種豐富的硬件種類。參加該項目組的成員都是根據隊員各自特點，選擇了部分上屆學生和該課題成員，以及機器人社團自己報名的本屆學生共同組隊，課題組根據任務角色不同，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職。項目隊員掌握了機器人C語言在線編程、基本的機械搭建和電子、單片機基礎知識，并且在Botball項目中掌握了基本的走線、抓舉等基本任務實現方法。

（二）項目實施

1.分析、抽象、細化問題

機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，該案例中學生分析了Botball國際機器人大賽的規(guī)則，搭建好場地，研究了各個任務的難點和得分點，在30多個任務中舍棄了花費時間多而得分少的任務;學習、研究了比賽所使用的硬件的特點和工作原理，研究各項任務的完成策略，細化了任務，找出程序完成任務的關鍵點。

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

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算法解決辦法，學生能想出任務完成的基本流程。學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程序，學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。第一次細化的任務流程圖見圖1。

這個階段學生需要把具體的任務用流程圖來描述，整個任務完成過程在大腦里是一段段程序結構模型。這個階段里，需要將程序代碼輸入機器人控制器中，通過運行程序，學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。也就是學生用程序設計語言描述了自己解決問題策略，將之前學過的順序、循環(huán)、條件語句等程序結構用于完成一個個任務的程序中。

4.測試和優(yōu)化方案

在測試過程中，探礦機器人的動作與預想的差距較大，遇到了后退找黑線會有未成功識別黑線的情況;機器人重心不穩(wěn)，容易倒，于是有抓空的現象等諸多問題。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，每次的測試中學生需要觀察出現的各種問題，從中找到最關鍵點，以及程序中解決方案，在修改程序時是否完成了最關鍵點。

上面案例中學生們經過思考，抽取關鍵點，列出相應算法、編程解決了各個問題，對應的改進方案見圖2流程圖中紅色標注的部分。

該過程中學生用設定好的機器人機械結構根據任務完成的成功率來評估解決方案，并利用自己的評估技能，利用前期機器人學習和活動中掌握的知識和經驗，根據機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實現了迭代;項目隊員能否根據機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之前的經驗找到問題的知識遷移能力。

5.項目記錄、總結、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，整體項目結束后撰寫研究報告和總結，因為整個項目都是多人共同完成的，你的總結可以是其他隊員下一步工作開展提供很好的思路，搭建人員對設備的小小改進，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，也是提升認識與能力的過程。

學生日?；顒佑涗洝⒖偨Y、研究報告除了記錄日常活動內容，還將日常操作中得到的經驗逐漸抽象為知識，也就是對沒法在書本中獲取的，多次實踐中得來的經驗進行重新整理、抽象分析，對比、反思自己的實際操作，結合自己在課堂中已經掌握的基礎知識，逐步形成科學知識的自我建構，并最終形成自己的知識體系。

這是計算思維提升最關鍵的一個階段，這個過程提升學生溝通能力、抽象、概括、總結能力，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、在中學機器人科技活動中提升學生計算思維能力的策略

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

（一）全方位出發(fā)，多種途徑提升

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

（二）鼓勵學生嘗試，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)現機器人社團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。而新隊員會提出許多新穎想法，利用程序或者結構很難實現，這就是計算思維雛形沒有形成，這種思維習慣形成需要多次失敗和在不斷嘗試的基礎上養(yǎng)成的?；顒又幸苊饫蠋熞恢敝v，或者立刻否定學生想法，多給學生機會嘗試。機器人學科中涉及數學、物理、工程等多種學科，提升學生計算思維能力，需要教師引導學生運用多門專業(yè)的學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

科學的研究記錄既是將研究對象所蘊含的大量信息轉化為學習者自身知識的有效載體，又是學生實現知識的自我建構，學習科學概念的重要途徑。

對探究過程的記錄是一個學生從實踐到理論的過程，是一個學生提煉自己計算思維的過程，是課題、項目持續(xù)跟進直至成功的可靠保障。無論老師和學生都應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、標準化的習慣。

（四）提升知識遷移能力和創(chuàng)造力

中學生在問題解決的過程中，要注重提升解決復雜問題的應變能力，由于機器人傳感器和硬件結構的不穩(wěn)定性，隊員在復雜環(huán)境下從容應對變化的能力就顯得尤為重要。機器人研發(fā)中，要善于突破思維定式，要用發(fā)散性思維總結、反思、修改現有的知識體系，形成新的知識體系，例如機器人在抓取的時候為了穩(wěn)定，我們用了循環(huán)結構分了10次100毫秒的時間抓取的物品，在針對伺服電機走路的機器人，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。從而靈活運用新知識，提高創(chuàng)造性思維水平。

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

機器人活動中，我們應該引導中學生用計算機科學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生的基本技能，不可能一蹴而就，而應當貫穿于整個活動中。

參考文獻：

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

[3]任友群，隋豐蔚，李鋒.數字土著何以可能——也談計算思維進入中小學信息技術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，2018，10（10）：76-78.

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