指向計(jì)算思維培養(yǎng)的小學(xué)機(jī)器人項(xiàng)目教學(xué)探究

近年來，人工智能和編程教育被高度重視，機(jī)器人教育在小學(xué)逐漸普及。小學(xué)機(jī)器人教育的教學(xué)內(nèi)容通常以信息科技學(xué)科為核心，融合工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科元素，具有跨學(xué)科特性。其任務(wù)驅(qū)動和成果導(dǎo)向的實(shí)施特點(diǎn)，非常適合以項(xiàng)目的方式開展教學(xué)^[1]。《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》明確了該學(xué)科的核心素養(yǎng)，并將計(jì)算思維列入其中，這也為小學(xué)階段的學(xué)科教學(xué)提供了指引。計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的思想進(jìn)行問題分析、方案設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制作等活動中所發(fā)生的思維活動，對小學(xué)生則多體現(xiàn)為利用信息技術(shù)解決問題的交互性思維方式。計(jì)算思維的培育方式多樣，根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者的研究，機(jī)器人和編程教育被普遍認(rèn)為是直接有效的方法。項(xiàng)目教學(xué)有助于學(xué)生批判性思維、問題解決能力等方面的提升^[2]。科學(xué)利用軟硬件，以項(xiàng)目活動的方式開展小學(xué)機(jī)器人教育教學(xué)，有助于促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展。

一、計(jì)算思維要素

目前學(xué)者對計(jì)算思維的定義和培育要素的界定并不唯一，但有許多共通點(diǎn)。英國南安普頓大學(xué)在2013年提出計(jì)算思維是一種以產(chǎn)品為導(dǎo)向又不局限于解決問題的過程，主要包含模式概括、分解、抽象、算法思維、評估五個要素^[3]。也有觀點(diǎn)認(rèn)為計(jì)算思維的表現(xiàn)形式主要是解決問題過程中的程式化、模型化、自動化、系統(tǒng)化。

綜合各方觀點(diǎn)，結(jié)合機(jī)器人教育的特點(diǎn)，筆者認(rèn)為，機(jī)器人項(xiàng)目活動中的計(jì)算思維的培育要素主要包括四個方面：分解能力、抽象能力、概括能力、算法能力。四個培育要素的特征如下。

分解能力包含兩個部分：一是將復(fù)雜問題分解成若干簡單問題的能力;二是將復(fù)雜的項(xiàng)目任務(wù)分解為單一的簡單任務(wù)的能力。這種能力主要體現(xiàn)在分析問題和規(guī)劃方案的過程中。

抽象能力體現(xiàn)為將復(fù)雜情景任務(wù)提煉成可由機(jī)器人實(shí)現(xiàn)的子任務(wù)，包括確定機(jī)械結(jié)構(gòu)、選擇電子元件、形成執(zhí)行邏輯等。抽象能力出現(xiàn)在項(xiàng)目活動的每個環(huán)節(jié)，例如分析問題、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、編寫程序等過程。

概括能力體現(xiàn)在兩個方面：一是梳理以往學(xué)習(xí)的經(jīng)驗(yàn)并在之后的活動中運(yùn)用;二是查閱資料文檔并探究規(guī)律。概括能力主要體現(xiàn)在項(xiàng)目的實(shí)施階段以及評價階段，通常圍繞機(jī)器人教育的核心學(xué)科技能以及活動相關(guān)的拓展知識的學(xué)習(xí)而展現(xiàn)。

算法能力體現(xiàn)為根據(jù)機(jī)器人項(xiàng)目的任務(wù)需求設(shè)計(jì)并編寫程序，包括調(diào)用算法模型、設(shè)計(jì)程序流程等。算法能力展現(xiàn)在制作和使機(jī)器人動起來的活動過程中，以程序腳本、流程圖等成果呈現(xiàn)。

二、項(xiàng)目框架

小學(xué)生思維能力尚處起步階段，難以應(yīng)付較復(fù)雜的邏輯問題。小學(xué)機(jī)器人項(xiàng)目活動可側(cè)重于使用相關(guān)技術(shù)以比較簡單直觀的方式解決具體問題，例如調(diào)用傳感器判斷外界信息、控制機(jī)器人依次執(zhí)行動作等。以此，提升學(xué)生參與學(xué)習(xí)活動的興趣，培養(yǎng)學(xué)生使用技術(shù)解決問題的能力，使學(xué)生的計(jì)算思維能力得到發(fā)展。

一般而言，機(jī)器人項(xiàng)目活動的流程可參考相關(guān)領(lǐng)域的工業(yè)流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合計(jì)算思維的培育要素，筆者將實(shí)施流程分五個階段：分析問題、整理資料、設(shè)計(jì)方案、制作優(yōu)化、展示分享。

由于學(xué)生在不同階段中運(yùn)用計(jì)算思維解決問題的側(cè)重不同，因此筆者對各階段的培育要素針對性設(shè)計(jì)，最終形成基于計(jì)算思維培育的機(jī)器人項(xiàng)目活動流程框架（如圖1）。計(jì)算思維滲透于機(jī)器人項(xiàng)目活動的各個階段，形成于師生互動和學(xué)生探究的過程。

分析問題階段是由項(xiàng)目情境引入并形成可實(shí)施的驅(qū)動任務(wù)及相關(guān)子任務(wù)的過程，是整個項(xiàng)目活動的入項(xiàng)階段。在此階段，學(xué)生不僅要了解項(xiàng)目活動的內(nèi)容，而且需要分析項(xiàng)目的任務(wù)目標(biāo)。通過分解和抽象的方式，讓學(xué)生將復(fù)雜的真實(shí)問題轉(zhuǎn)化為更具體的學(xué)科問題，初步規(guī)劃活動步驟。

整理資料階段是運(yùn)用信息技術(shù)工具收集和整理信息并界定項(xiàng)目任務(wù)中相關(guān)概念的過程，是設(shè)計(jì)項(xiàng)目方案前的準(zhǔn)備階段。這個階段，學(xué)生獲取信息同時對信息的內(nèi)容進(jìn)行篩選和歸納，最終轉(zhuǎn)化成有益于自己完成項(xiàng)目任務(wù)的資源。

設(shè)計(jì)方案階段是綜合已獲取的信息和相關(guān)知識，梳理思路并明確項(xiàng)目成果和實(shí)施步驟的階段。這個階段，學(xué)生除了在教師提供的支架下梳理思路形成方案，還要評估方案，確保方案可實(shí)施。

制作優(yōu)化階段是將想法付諸實(shí)施，物化成項(xiàng)目成果并不斷完善的過程，是基于方案開展創(chuàng)新實(shí)踐和不斷突破自我的階段。在此階段，學(xué)生不僅需要綜合運(yùn)用技術(shù)方法和學(xué)科知識開展制作，而且需要根據(jù)實(shí)際效果對方案進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，最終完成預(yù)期的項(xiàng)目任務(wù)目標(biāo)。

展示分享階段是對項(xiàng)目成果進(jìn)行綜合性描述、展示以及評價的過程，是整個項(xiàng)目活動的結(jié)項(xiàng)階段。這個階段，學(xué)生可以結(jié)合項(xiàng)目任務(wù)及目標(biāo)，對作品的功能、特點(diǎn)等進(jìn)行綜合介紹，或以產(chǎn)品發(fā)布會的方式對外進(jìn)行展示，鍛煉其提煉概括和表達(dá)展示的能力。

三、教學(xué)策略

在開展指向計(jì)算思維培養(yǎng)的機(jī)器人項(xiàng)目活動的過程中，教師不僅要組織教學(xué)活動，而且要關(guān)注學(xué)生在活動中產(chǎn)生的思維碰撞。筆者認(rèn)為，為了更好地促進(jìn)學(xué)生的思維發(fā)展，教師在教學(xué)活動中還需要關(guān)注以下幾方面。

（一）關(guān)注項(xiàng)目活動中學(xué)生是否深度參與

在機(jī)器人教育項(xiàng)目教學(xué)中，深度參與指學(xué)生參與問題的提出、分析、設(shè)計(jì)、解決、評價等一系列項(xiàng)目實(shí)施活動的過程，它是解決真實(shí)問題所需要經(jīng)歷的必要路徑。小學(xué)階段的機(jī)器人教育具有STEAM課程特征，有著明顯的信息技術(shù)、工程、科學(xué)等學(xué)科融合的特點(diǎn)，對于學(xué)生而言具有與生俱來的吸引力。在此基礎(chǔ)上，教師鼓勵學(xué)生在問題驅(qū)動下深入?yún)⑴c各項(xiàng)目階段，有助于學(xué)生真正學(xué)習(xí)、理解和掌握活動相關(guān)的知識內(nèi)容，有益于將基礎(chǔ)學(xué)科學(xué)習(xí)過程中的間接經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為直接經(jīng)驗(yàn)，從而幫助學(xué)生更好地掌握學(xué)科知識，提升解決問題的能力。

（二）關(guān)注活動中計(jì)算思維是否持續(xù)滲透

計(jì)算思維是信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)之一，是以計(jì)算機(jī)解決的視角解決問題的思維方式，也是信息時代解釋問題現(xiàn)象的重要能力。當(dāng)今，計(jì)算思維無處不在。計(jì)算思維無法通過簡單的機(jī)械鍛煉培養(yǎng)，而要通過具體的實(shí)踐活動去提升。因此，教師應(yīng)關(guān)注在整個活動過程中對計(jì)算思維各個要素的滲透。例如，將復(fù)雜問題分解為子問題，將復(fù)雜現(xiàn)象抽象出關(guān)鍵要素，通過整理資料探究出規(guī)律等。在此過程中，教師可以適當(dāng)放慢教學(xué)的進(jìn)度，主動組織學(xué)生思考問題并傾聽他們的答案。

（三）關(guān)注活動中學(xué)習(xí)習(xí)慣是否養(yǎng)成

學(xué)習(xí)習(xí)慣不僅是學(xué)生學(xué)習(xí)知識內(nèi)容也是在其他學(xué)習(xí)活動中應(yīng)具備的品格。在機(jī)器人教育中，常見的學(xué)習(xí)習(xí)慣包括課后持續(xù)學(xué)習(xí)、課堂主動探究、小組合作學(xué)習(xí)等。學(xué)習(xí)習(xí)慣的養(yǎng)成是由行為轉(zhuǎn)為意識的過程，無法通過機(jī)械性練習(xí)習(xí)得，需要學(xué)生在有意識的持續(xù)參與的過程中逐步形成。因此，習(xí)慣的培養(yǎng)離不開教師在課堂上的教學(xué)引導(dǎo)和學(xué)生在活動過程中的持續(xù)參與。

（四）關(guān)注教學(xué)中學(xué)科素養(yǎng)是否落實(shí)

學(xué)科素養(yǎng)培養(yǎng)是當(dāng)前育人的關(guān)鍵目標(biāo)，各學(xué)科知識的背后都有其相關(guān)的學(xué)科素養(yǎng)支撐。學(xué)生運(yùn)用學(xué)科知識學(xué)習(xí)并解決問題，有助于學(xué)科素養(yǎng)的提升。同時，學(xué)生具有良好的學(xué)科素養(yǎng)也有助于后續(xù)更多知識的學(xué)習(xí)和內(nèi)化，兩者相輔相成。學(xué)科知識是素養(yǎng)培養(yǎng)的基礎(chǔ)，素養(yǎng)的培養(yǎng)離不開實(shí)踐。以項(xiàng)目的方式開展學(xué)習(xí)活動是一種以終為始且關(guān)注實(shí)踐過程的學(xué)習(xí)方式，對于素養(yǎng)培養(yǎng)有直接影響。機(jī)器人項(xiàng)目活動的教學(xué)中，學(xué)生會面對包括信息科技等多學(xué)科的知識。在教學(xué)活動中教師關(guān)注對學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng)，有助于進(jìn)一步發(fā)揮機(jī)器人項(xiàng)目活動的育人功能。

四、案例分析

筆者以“社區(qū)快遞機(jī)器人”為例，介紹指向計(jì)算思維培養(yǎng)的機(jī)器人項(xiàng)目活動實(shí)施過程。

“社區(qū)快遞機(jī)器人”項(xiàng)目以新冠肺炎疫情期間無接觸傳遞為背景，以設(shè)計(jì)一臺能夠?qū)⒖爝f從小區(qū)門口運(yùn)送回家的智能機(jī)器人作為驅(qū)動任務(wù)（如圖2）。在此項(xiàng)目中，學(xué)生需要調(diào)查并根據(jù)小區(qū)的平面地圖形成一張快遞運(yùn)送路線圖，搭建快遞機(jī)器人并使它沿著路線完成快遞運(yùn)送任務(wù)。學(xué)生以小組團(tuán)隊(duì)的方式深度參與項(xiàng)目活動的每個階段，在解決問題完成項(xiàng)目任務(wù)的過程中提高綜合實(shí)踐能力，使計(jì)算思維能力得到發(fā)展。

此項(xiàng)目教學(xué)面向筆者所在學(xué)校的四年級學(xué)生，筆者使用積木型機(jī)器人和圖形化編程環(huán)境作為活動平臺，以滿足學(xué)生的能力基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)需求。參與項(xiàng)目活動之前，學(xué)生已經(jīng)掌握機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)和動力元件的使用方法，但是對于怎樣用傳感器控制機(jī)器人沿線循跡還比較陌生。項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)有兩個：一是使學(xué)生通過實(shí)踐掌握使用分支結(jié)構(gòu)調(diào)用傳感器的編程方法，在學(xué)習(xí)資源的幫助下探究并完成循跡程序的編寫;二是提高學(xué)生在真實(shí)情境下的綜合實(shí)踐能力，鼓勵學(xué)生以信息技術(shù)學(xué)科的視角去分解、抽象、概括并最終解決問題。

活動實(shí)施過程分為五個階段，分別是分析任務(wù)內(nèi)容、收集活動資料、確定設(shè)計(jì)方案、制作機(jī)器作品、展示項(xiàng)目成果。為了提高學(xué)生在項(xiàng)目過程中的活動效率和學(xué)習(xí)效果，項(xiàng)目教學(xué)采取課內(nèi)課外融合的方式實(shí)施。其中，課內(nèi)活動主要包括項(xiàng)目分析、交流討論、作品制作等需要互動和專用器材的活動;課外的活動緊跟課內(nèi)展開，內(nèi)容包括查找整理資料、制作文檔等。

（一）分析任務(wù)內(nèi)容

在項(xiàng)目中，驅(qū)動任務(wù)的作用不僅是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且是引發(fā)學(xué)生思考并形成具體的活動問題鏈。圍繞驅(qū)動問題，筆者組織學(xué)生進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，形成若干子問題。學(xué)生通過對子問題的梳理，形成諸如“機(jī)器人怎樣攜帶快遞包裹”“小區(qū)門口到家的路線是怎樣的”“怎樣讓機(jī)器人準(zhǔn)確地走到家”等研究目標(biāo)明確的、用于驅(qū)動任務(wù)的問題鏈，從而明確項(xiàng)目活動的具體內(nèi)容。

在此階段圍繞驅(qū)動任務(wù)交流討論的過程中，學(xué)生以“用機(jī)器人解決問題”的視角去思考問題，分解并形成一系列指向驅(qū)動任務(wù)的問題鏈，為后續(xù)項(xiàng)目成果的設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。通過這種方式，從問題的原點(diǎn)出發(fā)展開思考，逐漸進(jìn)入項(xiàng)目角色。

（二）收集活動資料

明確項(xiàng)目的問題鏈和活動內(nèi)容后，學(xué)生緊接著要做的是圍繞問題鏈?zhǔn)占嚓P(guān)資料。在此項(xiàng)目中，學(xué)生要收集的資料包括機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、傳感器的用法、小區(qū)的地圖等。其中，結(jié)構(gòu)和傳感器是為設(shè)計(jì)機(jī)器人打基礎(chǔ)，小區(qū)地圖則是為規(guī)劃運(yùn)送快遞的路線做準(zhǔn)備。為了提高學(xué)生獲取信息的有效性，筆者提供了學(xué)習(xí)資源包，其中包含微視頻和學(xué)生可用的查閱信息的網(wǎng)站。

這個階段的活動主要以課內(nèi)外融合的方式進(jìn)行，其中，信息的收集主要在課外完成，課內(nèi)則以匯總交流為主。筆者通過這種方式，鼓勵學(xué)生運(yùn)用技術(shù)工具獲取信息、使用媒體軟件學(xué)習(xí)交流，完成項(xiàng)目階段任務(wù)，提高學(xué)科能力。

（三）確定設(shè)計(jì)方案

匯總項(xiàng)目活動和問題鏈的資料后，學(xué)生就可以設(shè)計(jì)實(shí)施方案。方案設(shè)計(jì)主要有兩個方面。一是機(jī)器人的制作方案。學(xué)生利用已有的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合新獲取的知識技能，思考快遞機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和行動方式，并以結(jié)構(gòu)草圖和程序流程圖的方式呈現(xiàn)方案。二是機(jī)器人運(yùn)送快遞的路線圖。學(xué)生需要根據(jù)小區(qū)的平面地圖，在大號海報紙上繪制機(jī)器人運(yùn)送快遞的路線，標(biāo)記運(yùn)送的起終點(diǎn)以及沿途的小區(qū)地標(biāo)。快遞機(jī)器人則將在這張路線圖上完成運(yùn)送快遞的任務(wù)。

基于真實(shí)問題情境開展活動，雖是以信息技術(shù)學(xué)科為主的機(jī)器人項(xiàng)目，但學(xué)生在活動中仍要用到其他學(xué)科的技能，這有利于發(fā)展相應(yīng)學(xué)科的素養(yǎng)能力。學(xué)生不僅要運(yùn)用計(jì)算思維將小區(qū)地圖抽象成機(jī)器人的行動路線，而且需運(yùn)用美術(shù)學(xué)科的能力繪制運(yùn)送路線和環(huán)境（如圖3）。

（四）制作任務(wù)作品

完成方案設(shè)計(jì)之后就進(jìn)入搭建模型和編程調(diào)試的階段。在此階段，學(xué)生的任務(wù)是制作能夠沿著路線行進(jìn)并將快遞從小區(qū)大門運(yùn)送至家的機(jī)器人作品。其中，使機(jī)器人沿著路線移動的程序，即循跡，對于學(xué)生而言是新知識。為此，筆者為學(xué)生提供了循跡程序的基礎(chǔ)框架，幫助學(xué)生解決編程過程中的問題，也培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣。

活動中，學(xué)生不僅通過探究完成快遞機(jī)器人的制作，而且在調(diào)試的過程中體驗(yàn)、比較和歸納不同循跡程序的特點(diǎn)，概括程序的結(jié)構(gòu)并形成基本的算法模型。部分學(xué)生在循跡程序的基礎(chǔ)上進(jìn)行改編，成功地調(diào)用了其他傳感器，實(shí)現(xiàn)諸如防碰撞、防跌落的功能。

（五）展示項(xiàng)目成果

項(xiàng)目活動的最后階段是學(xué)生運(yùn)行和展示制作的快遞機(jī)器人。在此階段，學(xué)生以小組為單位逐一上臺展示項(xiàng)目研究成果，運(yùn)行機(jī)器人在基于小區(qū)地圖繪制的路線圖上運(yùn)送快遞。通過展示活動，學(xué)生互相交流機(jī)器人的設(shè)計(jì)思路和方法，彼此評價并給出改進(jìn)建議。

小學(xué)機(jī)器人教育的重點(diǎn)在于讓學(xué)生學(xué)會解決問題的思維方式并提高創(chuàng)新與實(shí)踐能力。以項(xiàng)目的方式開展小學(xué)機(jī)器人教育對于計(jì)算思維的發(fā)展有著直接且正面的影響。

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（作者系上海市浦東新區(qū)張江高科實(shí)驗(yàn)小學(xué)教師）

責(zé)任編輯：祝元志