面向計算思維培養的小學機器人教學研究

田輝 朱春鶯

【摘 要】本文聚焦小學機器人課堂，重點關注如何在課堂上滲透計算思維。本文采用文獻分析法提出適用于小學階段培養的計算思維概念及要素界定;運用扎根理論的方法分析小學機器人課堂教學案例，得出培養學生計算思維的教學策略。在此基礎上，對在小學機器人課堂上培養學生計算思維，提出了“提問引導”“換位思考”等具體教學方法的建議。

【關鍵詞】計算思維;機器人教學;教學策略

【中圖分類號】G434? 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2021）011-059-05

計算思維的概念與維度

周以真教授提出：計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動[1]。李國杰院士指出：計算思維是運用計算機科學的概念原理的問題求解過程，它選擇適合的方式陳述問題，對問題的相關方面建模，并采用最有效的方法求解問題[2]。李廉提出，計算思維是人類科學思維中，以抽象化和自動化，或者說以形式化、程序化和機械化為特征的思維形式[3]。Google在《面向教育者的計算思維課程》（Computational Thinking for Educators）中提出：計算思維是一個有著諸多特點和要求的問題解決過程，它的基本要素包括分解、模式識別、抽象、算法開發。2017年12月，教育部印發的《普通高中信息技術課程標準》將計算思維概念界定為：計算思維是指個體運用計算機科學領域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產生的一系列思維活動[4]。

國內外學界對計算思維概念的界定雖然視角不同，但大多認同計算思維是用計算機科學的方法進行問題解決過程中產生的思維活動。除了“問題解決”以外，其他出現的詞句按頻率高低依次為抽象、算法、建模、問題界定、分解、解題方案、遷移等。

參考學術界對計算思維概念的界定，結合小學生認知發展規律，本研究認為適用于小學階段培養的計算思維是指個體界定問題，形成問題解決方案，并以自動求解為目的而借助主要包括計算機在內的工具實施方案，在解決問題的過程中產生的一系列思維活動。它的基本要素包括以下方面。

問題界定：將解決的問題清晰地描述出來。

問題分解：把問題分解成若干更小、更易于理解或解決的部分。

提出方案：提出解決問題的思路、辦法。

抽象：抽取、概括出具體事物的共同屬性、關系等，舍棄個別的、非本質的部分。

建模：書面描述可以被計算工具執行的問題解決方案，構建解題模型。

算法開發：為解決問題而撰寫一系列詳細的指令。

測試：在虛擬或真實環境中執行算法，通過實驗來研究解題模型。

糾錯：修正解題模型、軟硬件設置等方面出現的錯誤，以達到目標結果。

遷移：將學到的內容運用到與之相關的其他問題解決中。

研究方法與過程

本研究運用扎根理論的方法分析案例。扎根理論是源于質性資料分析的理論建構，是一種研究路徑，是一個針對現象系統地收集和分析資料，從資料中發現、發展和檢驗理論的過程。通過將事件與事件、事件與概念、概念與概念之間進行連續比較，對資料進行概念化，以形成類屬及其屬性。用到的三級編碼方法分別是開放編碼、軸心編碼和選擇編碼。開放編碼，是懸置前設，憑著理論敏感性開放地挑選資料，將資料掰開、檢視、比較、概念化、類屬化。軸心編碼是在開放編碼的基礎上，形成類屬、屬性和維度，發展并檢驗各類屬之間的關系。選擇編碼即在所有類屬中選擇一個核心類屬，其他類屬則成為支援類屬，然后通過一個整合圖式或故事線，將各種理論要素整合起來。

根據計算思維的9個基本要素設置9個分析類目。本研究選擇在全國中小學機器人教學展評等活動中獲得最高獎項的三個課例作為研究案例。從案例的教學設計和教學視頻出發，先把教學視頻逐字轉化為師生對話、動作描述、場景描述的文字素材。再參照教學設計、專家點評等資料理解這些素材體現的教學活動意圖，依計算思維的9個要素把這些素材切片，分到各自對應的類目中做進一步分析。對每個分析類目中的教學片斷，用扎根理論的方法進行教學策略提取，提煉出適用于培養計算思維各要素的教學策略。

運用扎根理論對每個類目教學片斷集的分析過程中，先逐句分析師生對話、動作描述、場景描述中體現的內容，提煉生成概念，完成開放編碼。再對這些概念進行匯總、分類，形成類屬。通過分析概念之間的關系，抽象出各類屬之間的關系，并用思維導圖表征這種關系，形成類屬、概念關系圖表，完成軸心編碼。最后結合對教學實施過程的理解，歸納出一條整合各類屬的故事線（即教學策略），完成選擇編碼。

類目分析實例

下面以“提出解題方案”類目為例，闡述對類目內教學片斷集的研究過程。

1.教學片斷分析

“提出解題方案”類目下共有7個教學片段，下面以其一為例闡述對教學片斷的分析過程。

（1）開放編碼（受篇幅所限，僅展示部分）

（教學實錄）師：下面布置小組討論題。如果請你們組來設計一個機器人，讓它能夠識別從左向右揮手的動作。那么，你們會選用哪種傳感器？需要幾個？為什么？兩分鐘討論時間，現在開始。

（開放編碼）布置內含部分問題的小組討論題，提出指向部分問題的、層層遞進的問題。

（教學實錄）學生小組討論。

（開放編碼）學生進行組內討論，并梳理解題思路。

（教學實錄）師：有結果了嗎？哪個組想先來分享一下？

（開放編碼）組織組間交流討論。

……

該教學片斷在開放編碼過程中出現了“組織組間交流討論”“提出層層遞進的問題”等11個概念。

（2）備忘錄

教師先將體感燈功能中的一部分作為小組討論題，分成三個層層遞進的小問題布置給學生，用問題引導學生展開討論。然后組織多個小組分享討論結果，并通過提問引導學生逐步完善解題思路。

（3）軸心編碼（初步）

結合備忘錄中對該片段教學過程的理解，初步考慮將開放編碼中出現的概念納入3個類屬，具體如下（受篇幅所限，僅展示部分）。

（類屬）小組交流討論。

（概念）布置內含部分問題的小組討論題、組織組間交流討論……

（類屬）課堂提問。

（概念）提出指向部分問題的問題、提出層層遞進的問題……

（類屬）梳理思路。

（概念）學生表述解題思路、評價學生解題思路……

（4）教學片段類屬關系圖表

結合備忘錄中對該片段教學過程的理解，梳理各類屬之間的關系如圖1所示。

2.類目分析

（1）軸心編碼

用上述方法對該類目下7個教學片段進行開放編碼，提煉出的概念都可以納入并逐漸豐富這4個類屬：課堂提問、梳理思路、小組交流討論、算法流程圖（“算法流程圖”類屬由該類目其它教學片段中提取）。通過對這些概念匯總、分類歸納，得出它們的上位概念和對應類屬（如表1所示，受篇幅所限，僅展示部分），完成類目分析軸心編碼。

（2）類目類屬關系圖表

將歸納出的概念結合該類目下7個教學片段，得出該類目的概念類屬關系如圖2所示。

（3）選擇編碼

在這張圖表的基礎上，結合該類目下7個教學片段備忘錄中的描述，歸納出教學案例里培養學生計算思維中“提出解題方案”要素時采用“提問引導、交流討論、流程圖工具輔助”的教學策略，具體如下：提出環環相扣的、指向解題要點的問題;組織小組內和組間交流討論，提出、梳理、完善解題思路;借助流程圖工具梳理、表述解題思路。

將上述對“提出解題方案”類目的分析方法應用于其他8個類目的分析過程，歸納出教學案例里培養學生“問題界定”“分解”等另外8個計算思維要素的教學策略。

基于扎根理論的小學計算思維教學策略

通過對以上三個優秀案例進行分析，本研究提出適用于培養小學生計算思維各要素的如下教學策略。

1.問題界定

采用創設情境、提問引導、交流討論、實驗測試等教學方式。創設問題情境，展示內含問題的素材，讓學生在接觸素材的過程中感知問題。通過提問、組織交流討論、實驗測試等方式，引導學生明確并表述問題。

2.問題分解

采用提問引導、交流討論等教學策略。先通過提問、組織交流討論等方式引導學生發現、描述部分問題，再引導學生用結構化的語言描述整體問題，梳理解題思路。先解決問題中困難的、涉及新內容的部分，再解決整體問題。

3.提出解題思路

采用提問引導、交流討論、流程圖工具輔助等教學策略。首先提出環環相扣的、指向解題要點的問題;然后組織小組內和組間交流討論，提出、梳理、完善解題思路;最后借助流程圖工具梳理、表征解題思路。

4.抽象

采用提問引導、交流討論、實驗測試等教學策略。讓學生采集素材并基于素材對問題的本質做出猜想。通過做實驗驗證猜想、提問、交流討論等方式，引導學生逐漸發現問題的本質、關系等。

5.建模

采用提問引導、流程圖工具輔助等教學策略。用流程圖工具表征解題思路，形成算法流程圖雛形。通過提問引導等方式梳理關鍵步驟，完善算法流程圖。

6.算法開發

采用自主學習、個別輔導、流程圖工具輔助等教學策略。通過演示講解、提供自學材料、個別輔導等方式教授新知識。呈現算法流程圖，讓學生參照算法流程圖編寫程序。

7.測試

采用實驗測試、個別輔導等教學策略。讓學生先在虛擬環境中完成仿真測試，再做實物測試，并在此過程中進行個別輔導。

8.糾錯

采用交流討論、提問引導、換位思考、個別輔導等教學策略。組織交流討論，通過提問引導、對比分析成功案例與失敗案例、讓學生與機器人換位思考等方式，引導學生找到故障原因，提出修改方案。組織學生組內互助修改程序，教師個別輔導。

9.遷移

采用先行組織者、交流討論等教學策略。帶學生復習已知內容、預習新內容。組織組內、組間交流，討論所學內容在現實生活中的應用和對未來應用的設想。遷移包括課前和課后，既把之前學習的內容遷移到本課學習中，也把本課學習的內容進行遷移擴展。

對機器人課堂教學的建議

通過對三個教學案例的分析研究，結合具體教學實踐，本研究對小學智能機器人課的教學工作有如下反思。

1.通過提問、討論充分調動思維活動

在教學設計中融入多種計算思維要素。在教學過程中，多采用“通過提問引導學生思考”“組織組內、組間交流討論”等教學策略，充分調動學生的思維活動。

2.引導學生與機器人換位思考

在遇到難解的問題時，可采用“換位思考”的教學策略，引導學生站在機器人的角度，思考自己若遇到同樣的問題會怎樣解決。讓學生自省在問題解決過程中自身智能活動的流程，分析自己感知到了什么（輸入）、做決策的內在信息加工過程是怎樣的（信息加工）、做出了什么行動（輸出）。再把這一過程按機器人的運行規則轉化成一系列對應操作，讓機器人模擬執行人類的解題方案解決問題。

3.形象化展示抽象內容

在梳理解題思路、表征算法等較為抽象的教學環節，多使用流程圖工具做形象化展示。在問題界定、抽象、測試機器人等與問題關鍵屬性、狀態相關的教學環節，通過做實驗生成形象的結果，讓學生通過實驗結果發現、分析、解釋問題。

參考文獻

Wing J M. Computational thinking[J]. Communications fo the ACM， 2006， （3）：33-35.

人民網. 李國杰：計算思維不僅僅屬于計算機科學家[EB/OL]. http：//scitech.people.com.cn/GB/9745727. html，2016-6-16.

李廉. 計算思維——概念與挑戰[J]. 中國大學教學，2012（1）： 7-12.

中華人民共和國教育部.普通高中信息技術課程標準[EB/OL]. http：//www.moe.edu.cn/srcsite/A26/s8001/201801/t20180115_324647. html，2018-1.