計算思維視角下的線上編程教學應用探究

金亞明

一、研究背景

2006年計算機科學家周以真首次提出“計算思維”這一概念：“通過運用計算機科學的基本概念求解問題、設計系統和理解人類行為的方式，涵蓋了計算機科學領域廣度的一系列思維工具”。這一概念提出后，眾多國家及地區開始關注學生計算思維的發展。

計算思維的定義，可以從廣義與狹義兩個角度進行理解。從廣義上講，計算思維是分析和解決各種問題的基礎。從狹義上講，計算思維是計算機編程的相關概念，是開始編程前的思考過程，是將編程解決方案的思路轉換成計算機能夠操作執行的計算機語言的過程。從2014年浙江開始實行7選3考試，正式把技術列入到高考學科。自此程序設計課程的學習不再局限于拓展性的課程中，而正式登上了高考大舞臺。各校對該學科的重視程度一年高于一年，結合很多大學中人工智能等相關專業的開設，程序設計課程明顯比重劇增，不管是VB語言還是C語言，亦或圖形化編程，對學生學習、思維能力提升都有諸多益處。在信息技術學科教學中，教師可以將考試的VB語言和蘿卜圈虛擬編程的圖形化操作，將計算思維融入其中，借助可視化編程工具，鍛煉了學生的程序的邏輯思維能力，合作溝通能力，從而達到提升計算思維的能力和信息素養的綜合發展。

二、操作與實施

2.1學校多樣化課程的支撐

2.1.1多樣化課程中程序設計類課程教學大受歡迎

多樣化課程中程序設計課的開展有更多優勢，學生對課程是自發的喜愛而選擇。學生通過有趣的任務獲得知識。他們對各種仿真項目進行研究、設計、調試。以組為單位展開討論，設計機器人，編寫程序，完成指定的任務。從游戲得使用者變成了開發者，充分享受成功帶來得喜悅。在這些活動中，學生培養了合作的能力，通過設計項目提升了計算思維能力。教學過程寓教于樂，對于學生來說既學習了知識，又鍛煉了自己的思維能力。而且模塊化的編程教學適合各個年齡段學生學習，在當前“雙減”的大環境下，編程課程的社團活動，不光拓展了學生的學習空間，滿足學生不同的學習需求，可以為課后服務增強吸引力。而高中階段，在繁忙的高中學習中，類似這種以培養學生興趣能力為主的多樣化課程受到了學生的歡迎。

2.1.2蘿卜圈軟件場景逼真，隨時隨處可以開展

蘿卜圈軟件界面設計很容易抓住學生的興趣，它的場景界面不僅豐富、逼真，同時內部還提供了各式各樣的機器人組件。更克服了實物機器人價格昂貴，普通人玩不起的弊端。在蘿卜圈虛擬軟件中，學生有豐富的選擇體驗：自主選擇組件，搭建合適的機器人，同時，教師也可以自己制作個性化場景，靈活地讓學生完成自行設定的任務體驗。這樣，學生就有了更大創造的空間。當然，還有很方便的一點，就是課程還可以延伸到校外課外，只要借助學校局域網或蘿卜圈的外網服務器，只要能上網，學生無論在哪個地方，他都可以登錄服務器參與到學習中來。

2.2實踐研究——以蘿卜圈完成“流水線分揀”任務為例

“我已經迷上了線上編程這一門學科。在與老師和同學共同學習的時間里，我了解了傳感器、驅動電路工作原理，對重力、摩擦力等物理知識有了更深刻的領會，掌握了模塊化的程序設計理念，原先上課過程中感覺高大上的vb算法變的簡單容易，在這之前，我都不知道學習能帶給我這么大的自信，我的另外學科成績也在迅速提升。”這是通過課程學習，獲得了省、市多項比賽的同學跟我說的話。由此可見，學生學習程序設計的熱情毋庸置疑，同時課程對于學生能力的提升也是顯而易見的。同時也為學生計算思維的進一步發展創造了條件。

2.2.1“流水線分揀”任務描述

蘿卜圈項目能完成很多任務，以機器人完成產品流水線作業為例。這里有一個“蘿卜圈3D仿真機器人”自帶的“流水線分揀”任務場景，如圖1所示，左邊是紅筐，右邊是藍筐，流水線分揀要求設計一個機器人將流水線傳送帶上的產品零件按照顏色分揀到對應的紅、藍筐里。

假定紅、藍產品零件各5個（即總數為10個）從傳送帶上以固定的時間間隔順次傳遞過來，傳遞出來的零件顏色是隨機的。要求：1.每個筐子各放對3個零件，就完成基本任務。2.在最后一個零件放到流水線上30秒后，代表任務結束，系統會彈出分數作為成績。3.有以下任一情況時表示任務失敗：紅筐里放藍色零件，藍筐里放紅色零件;每個筐子里的零件數量少于3個。4.得分計算：得分由放對零件的數量決定。各放對3個得60分，放對10個得100分。

由于學習對象高中學生，他們對程序的概念清楚，當接觸到這個看起來更像電腦游戲的軟件時，他們表現出了濃厚的興趣，在學習中，老師對學生加以引導，學生學習速度很快，設計理念是將項目進行任務分解，分解成若干小任務，通過個人努力和團隊協作來解決問題，讓學生成為學習的主角，真正體現“在玩中學”，從而體會到學習的快樂。

2.2.2機器人的搭建和設計

學生根據任務，分析該搭一個怎樣的機器人，需要哪些模塊，用哪個完成顏色分揀，用哪個完成瓶子的推動。學生探討后用伺服電機和灰度傳感器搭出了如下的機器人。搭建的難度在于“由灰度的檢測值指引伺服電機的動作”的理解（圖2）。

學生在合作探討完成機器人的搭建過程中，對蘿卜圈軟件中的諸多端口和模塊進行了挑選，從一開始茫然地不清楚如何分揀，用兩個爪形模塊來制作手臂裝置，到后面發現有更簡單的做法直接用安裝柱做手臂。由于沒有學過伺服電機，不知道用轉動哪個模塊來完成。在挑選模塊時候走了不少彎路，最后在老師的提示下了解伺服電機的存在。蘿卜圈軟件中不束縛學生思想，學生可以充分發揮想象，天馬行空，分揀項目只是其中一個小項目。在另外任務完成過程中，學生更是積極開動腦經，積極探索合理方案，提升了計算思維能力和學生的綜合素養。

2.2.3伺服電機的功能和編寫程序

由于在該任務中伺服電機是一個全新的模塊，教師做了簡單的介紹。一個學生對伺服電機的用法提出了他個人的建議。學生說，這個伺服電機配上安裝柱像極了圓規。用圓規比擬伺服電機的功能就是能驅動安裝塊左轉和右轉一些角度。讓其他同學一下子熟悉了這個新學的模塊。

通過對任務的分解，理解一般情況下程序是按照順序來執行命令語句的。圖3中的程序是最終由學生設計的伺服電機的圖形化編程部分。 學生在信息技術課上學習過VB。結構化模塊（函數）對學生來說一點都不陌生。使用循環模塊完成重復任務。

在這個過程中，學生可以通過反復驗證對問題解決的策略不斷優化。比方說學生在調試的過程中，伺服電機一開始的默認值比較低，分揀的速度就會比較慢，為了讓分揀的最快，一開始給伺服電機轉到90度的時間調到很快，結果卻導致分揀的物品直接飛出框。學生經過自主學習，探究，理解更深刻，通過不停的調試和優化，最終得到最合適的方案，在這個學習過程中，培養了學生探究科學奧秘的興趣，激發學生的好奇心和求知欲，初步養成從事科技探究活動的正確態度;讓學生學會選擇，學會合作，學會探究，學會創新，培養學生探索質疑、解決問題的能力，搜集、處理信息的能力，動手操作、主動實踐的能力。利用自己所學過各項知識，靈活地運用到機器人的實驗和制作活動中，有效地提升了學生的計算思維能力。

三、成效與思考

從信息技術學科的學習內容來看，教師要放手讓學生多思考、多練習，鼓勵學生通過自主探究獲取知識，每一次任務完成與優化都是對學生計算思維能力的鍛煉。

3.1創新能力和自主探究能力得到提升

與傳統教學環境不一樣，在線編程的學習只要有網絡和電腦就可以隨時隨地展開。同時教學開展中充分尊重學生的主體地位，強調自主式和開放式，盡量讓學生天馬行空發揮創造力。它既調動了學生學習的積極性，同時也讓學生創新能力與自主探究能力得到提升。

3.2轉變學習態度，各方面獲得進步

課堂實踐后，成員在參加省市區比賽中獲得了很多的榮譽，同時我們的社團也獲得了區級優秀科技社團榮譽。除了在科技比賽中獲得豐收外，筆者觀察了學生學習的狀態，成果無疑是讓人欣喜和吃驚的。學生不僅課堂學習注意力變得專注，同伴間的互助學習也做的很好。特別是在信息技術學科的學習中，每個學生都表現出了對程序設計學習濃厚的興趣，技術學科的學習成績也提升的飛快，更有學生在高校三維一體考試中表現優異，被高校錄取，乃至在大學中計算機獲得免修資格。

3.3“沉迷”任務，缺乏對程序優化的思考

在取得成績的同時，也要看到存在的問題。蘿卜圈線上編程的學習，我們主張給學生更多的空間，但是，放手并不等同于放羊，我們鼓勵學生自己去成為課堂的主角，但是往往也有看到個別同學沉迷于任務本身和相互間闖關的比賽，一味地只拼速度，而缺乏對程序如何更優化（程序思維）的思考，致使程度設計知識烙印不夠深刻，設計出來的部分程序穩定性不夠。這就需要老師在適當時候介入，在課堂中恰當運用程序應用，充分發揮學習主動性，讓深度學習真正在玩中發生，讓學生的計算思維得到更進一步的提升。

三、結束語

蘿卜圈虛擬機器人的線上編程教學，為學生提供了一個自主、協作與創新的平臺。線上編程并非想讓學生個個都成為編程高手。在學習編程過程中，能夠體會那些程序設計思維的精妙之處，能夠以有趣的任務來提升學生解決具體問題的能力。讓學生通過感興趣的學習輕松掌握了知識，切身體會到了編程的樂趣。在經歷提出問題、分析問題和解決問題的過程中，完成自己的作品。教師通過教學引導，充分發展學生的計算思維能力，提升學生的綜合素養，培養新時代需要的人才。

參? 考? 文? 獻

[1]安曉瑞.以培養計算思維為核心的計算機應用軟件類課程教學改革探索[J].西北成人教育學院學報，2019（02）：61-65.

[2]韓榮勝劉秀芝.虛擬機器人的校本課程開發[J].中國教育信息化，2012（14）：28-29.

[3]陳曉健.計算思維的培養中學生應用軟件教學的新選擇[J].信息技術與信息化，2018（04）：131-133.