淺談如何在機(jī)器人教學(xué)中提高學(xué)生編程思維能力

王春勝

（大連經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)金源小學(xué)，遼寧 大連 116600）

當(dāng)前，編程教學(xué)在小學(xué)信息技術(shù)教學(xué)中所占的分量已經(jīng)越來(lái)越大了，在機(jī)器人教學(xué)、創(chuàng)客教學(xué)、人工智能教學(xué)這些信息技術(shù)教學(xué)活動(dòng)中，都離不開(kāi)編程技術(shù)的支持，編程技術(shù)能力的核心就是編程思維能力。學(xué)生的編程思維能力的高低是信息技術(shù)學(xué)科中對(duì)學(xué)生信息素養(yǎng)培養(yǎng)的一個(gè)重要指標(biāo)。當(dāng)前，由于教育機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的興起，在中小學(xué)信息技術(shù)學(xué)科中開(kāi)展機(jī)器人教學(xué)已經(jīng)是非常普遍了，機(jī)器人的學(xué)習(xí)需要運(yùn)用多種學(xué)科的知識(shí)，綜合運(yùn)用，其中編程在機(jī)器人教學(xué)中是核心內(nèi)容，本文探討的就是在如何在機(jī)器人教學(xué)中提高學(xué)生的編程思維能力。

思維是人類探索與發(fā)現(xiàn)事物的內(nèi)部本質(zhì)聯(lián)系和規(guī)律性，是認(rèn)識(shí)過(guò)程的高級(jí)階段。編程思維則是對(duì)思維過(guò)程進(jìn)行條理性的梳理、概括和表達(dá)，讓思維過(guò)程更加精準(zhǔn)化、邏輯化、抽象化。

眾所周知，小學(xué)生的形象思維能力是他們認(rèn)識(shí)事物的主要思維方式，教師在機(jī)器人教學(xué)中必須依據(jù)兒童的思維特點(diǎn)，以形象思維的操作為基礎(chǔ)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察操作，逐漸向邏輯思維過(guò)渡，逐步提高學(xué)生編程思維能力。

一、充分利用圖形化編程軟件的特點(diǎn)，利用闖關(guān)游戲功能，激發(fā)學(xué)生編程的興趣，讓編程思維形象化

圖形化編程軟件，直觀、形象、生動(dòng)。容易被小學(xué)生接受，同時(shí)有些圖形化編程軟件還帶有仿真功能，這就為編程教學(xué)增加了無(wú)窮的趣味性。以蘿卜圈虛擬編程軟件為例，先讓學(xué)生在仿真虛擬環(huán)境中利用一輛形態(tài)各異的機(jī)器人小車，進(jìn)行“大發(fā)現(xiàn)尋找消失的輪子”的闖關(guān)游戲，學(xué)生在游戲仿真過(guò)程之中會(huì)發(fā)現(xiàn)，因?yàn)闄C(jī)器人的輪子殘缺不全，會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人原地旋轉(zhuǎn)或者摔得七零八落，就會(huì)先把機(jī)器人的輪子安裝好，然后通過(guò)編程控制電機(jī)轉(zhuǎn)速與方向，讓機(jī)器人前進(jìn)，雖然是簡(jiǎn)單的直行順序程序，但是當(dāng)機(jī)器人到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)候，聽(tīng)到場(chǎng)地的歡呼聲，學(xué)生獲得了成功的喜悅，學(xué)生經(jīng)過(guò)這樣游戲編程的過(guò)程，編程思維通過(guò)程序表現(xiàn)出來(lái)，自然而然就喜歡上了編程學(xué)習(xí)，同時(shí)理解了機(jī)器人速度與方向的編程控制方法。利用軟件中自帶的闖關(guān)功能，讓學(xué)生進(jìn)行編程實(shí)踐，在他們一次次完成任務(wù)的時(shí)候，增加他們編程的興趣，培養(yǎng)了學(xué)生編程思維能力[1]。

二、實(shí)驗(yàn)探究控制器的工作方式和工作原理，逐步提高編程思維能力

機(jī)器人編程過(guò)程之中，經(jīng)常會(huì)使用輸入輸出的命令，而輸入輸出，又分為數(shù)字輸入輸出和模擬輸入輸出，以ArduinoUNO控制板為例，為了理解14個(gè)數(shù)字口輸入輸出和六個(gè)模擬輸出口的用途，教師指導(dǎo)學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)學(xué)習(xí)和理解端口的用途。實(shí)際教學(xué)中，教師以編程控制一個(gè)LED發(fā)光小燈為最小系統(tǒng)，和學(xué)生一起探究控制板各個(gè)端口的用途，為思維能力打下基礎(chǔ)。教師和學(xué)生先一起了解發(fā)光二極管的用途，通過(guò)把發(fā)光二極管的長(zhǎng)腳和短腳分別插在控制板的5伏和GND的端口，此時(shí)小燈點(diǎn)亮，交換插針的位置，此時(shí)小燈不亮。通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解到小燈長(zhǎng)腳為正極，短腳為負(fù)極。接下來(lái)把小燈長(zhǎng)腳插在13號(hào)端口，把短腳插在GND端口，通過(guò)編程利用輸入輸出命令控制13號(hào)端口的電平為高電平，使小燈點(diǎn)亮，13號(hào)端口為低電平時(shí)小燈熄滅。學(xué)生就很容易理解到控制板上14個(gè)數(shù)字端口的功能特點(diǎn)了，了解了基本原理之后，學(xué)生的編程就會(huì)有的放矢，思維能力就會(huì)提高。

三、實(shí)驗(yàn)探究傳感器工作原理，豐富形象思維寬度，更進(jìn)一步提高學(xué)生的編程思維能力

傳感器一般可以分為數(shù)字傳感器和模擬傳感器，不理解傳感器的工作原理就無(wú)法提高學(xué)生編程思維能力。數(shù)字傳感器的工作狀態(tài)基本上可以用1或0表示，例如探究觸碰傳感器的工作狀態(tài)，把觸碰傳感器的數(shù)字號(hào)引腳插在控制板的7號(hào)數(shù)字端口上，再把傳感器vcc和gnd分別插在控制板5V和gnd端口，完成電路搭建。此時(shí)通過(guò)編程，使用串口換行打印7號(hào)端口數(shù)據(jù)命令，完成程序編寫(xiě)。學(xué)生在串口監(jiān)測(cè)中查看數(shù)據(jù)，按下和松開(kāi)觸碰按鈕，可以直觀地看到按下時(shí)數(shù)串口顯示數(shù)字為1，松開(kāi)時(shí)，串口顯示數(shù)字為零。通過(guò)此種方法，學(xué)生通過(guò)動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，學(xué)生就掌握了人體紅外感應(yīng)傳感器、傾角傳感器、按鍵傳感器等數(shù)字傳感器的工作原理，在今后的編程中，能夠自如地控制根據(jù)這些傳感器的狀態(tài)，對(duì)機(jī)器人執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。學(xué)生在探究學(xué)習(xí)過(guò)程中不但鍛煉了動(dòng)手操作能力，同時(shí)學(xué)生思考學(xué)習(xí)能力和編程思維能力也得到了連續(xù)的訓(xùn)練。

模擬傳感器的數(shù)值可以用0至1024表示。教師指導(dǎo)學(xué)生仍然用實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行測(cè)試和探究，以紅外測(cè)距傳感器為例，把數(shù)字端口插在A0口上，Vcc和gnd端口分別插在控制板的5V和gnd端口，這樣完成電路搭建。此時(shí)通過(guò)編程使用串口換行打印模擬端口A0的數(shù)值，學(xué)生仍然可以在串口監(jiān)視器之中，看到紅外測(cè)距傳感器，在距離障礙物比較近時(shí)顯示的數(shù)值很大，離障礙物很遠(yuǎn)時(shí)，數(shù)字很小。紅外測(cè)距傳感器的數(shù)值變化范圍在0到1024之間，通過(guò)此實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生模擬傳感器的用法，學(xué)生的編程思維能力再次得到了提高訓(xùn)練。

綜上，在機(jī)器人教學(xué)中，對(duì)機(jī)器人硬件的核心器材進(jìn)行原理理解，豐富和積累學(xué)生的具象思維，讓學(xué)生的思維在比較分類中、分析綜合中，進(jìn)行抽象和概括，編程思維得到了鍛煉。實(shí)踐證明，這樣的學(xué)習(xí)方法對(duì)學(xué)生編程思維能力的訓(xùn)練有極大的作用。反之，學(xué)生編程思維能力的提高，離不開(kāi)實(shí)踐探索，隨著實(shí)踐探索的逐步深入，學(xué)生的編程思維能力也會(huì)隨之提高，學(xué)生的解決問(wèn)題與創(chuàng)新能力也會(huì)逐步提高，這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生信息技術(shù)核心素養(yǎng)中的計(jì)算思維目標(biāo)就水到渠成地實(shí)現(xiàn)了。