培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維的機(jī)器人編程教學(xué)探究

王源　徐棟　李軍

摘 要：計(jì)算思維是信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成要素，是智能時(shí)代智慧型人才的必備素質(zhì)。在機(jī)器人編程教學(xué)中，學(xué)生可以通過(guò)程序驅(qū)動(dòng)，實(shí)時(shí)操作機(jī)器人進(jìn)行工作，實(shí)現(xiàn)了人與機(jī)器人之間的信息傳遞，這是當(dāng)前小學(xué)階段培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的主要途徑。

關(guān)鍵詞：小學(xué)信息技術(shù)；計(jì)算思維；機(jī)器人編程；教學(xué)策略

中圖分類(lèi)號(hào)：G427? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2097-1737（2023）34-0005-03

機(jī)器人編程課程是教師設(shè)計(jì)教學(xué)模型、開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的教學(xué)載體。信息科技教師需要轉(zhuǎn)變以傳統(tǒng)理論輸出為主的教學(xué)方式，充分利用區(qū)域內(nèi)機(jī)器人教學(xué)環(huán)境與資源，注重采用啟發(fā)式、參與式等具有創(chuàng)造性以及由興趣主導(dǎo)的教學(xué)方式，推動(dòng)小學(xué)生計(jì)算思維能力的整體提升[1]。

一、計(jì)算思維和機(jī)器人編程概念解析

（一）計(jì)算思維

計(jì)算思維就是按照一定的邏輯順序有計(jì)劃、有目的地解決問(wèn)題的思維方式以及在這個(gè)問(wèn)題解決過(guò)程中所體現(xiàn)出的能力。將計(jì)算思維帶到計(jì)算學(xué)科這個(gè)框架內(nèi)，就是通過(guò)算法將數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)等泛化抽象的問(wèn)題進(jìn)行具象化展現(xiàn)的思維能力。這種思維方式和解決問(wèn)題的能力不僅是計(jì)算機(jī)從業(yè)者所必備的，也是每個(gè)人理解智能化社會(huì)運(yùn)行的邏輯前提。

（二）機(jī)器人編程

相比圖形化編程的普遍適用性，機(jī)器人編程更像是為使機(jī)器人完成某種任務(wù)而設(shè)置的動(dòng)作順序描述。它能十分簡(jiǎn)潔地描述工作環(huán)境和機(jī)器人的動(dòng)作，把復(fù)雜的操作任務(wù)通過(guò)盡可能簡(jiǎn)單的程序來(lái)完成。機(jī)器人編程語(yǔ)言也和一般的程序語(yǔ)言一樣，應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明、概念統(tǒng)一、容易擴(kuò)展等特點(diǎn)。

二、開(kāi)展培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維的機(jī)器人編程教學(xué)的必要性分析

（一）滿足新時(shí)代的育人需求

在機(jī)器人編程教學(xué)中培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維符合國(guó)家教育政策的指引方向。在機(jī)器人編程教學(xué)過(guò)程中，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能幫助學(xué)生使用計(jì)算思維解決生活中遇到的各種問(wèn)題，增強(qiáng)學(xué)生的數(shù)據(jù)處理能力、決策能力、團(tuán)隊(duì)合作能力等，最終培養(yǎng)出能夠適應(yīng)社會(huì)高速發(fā)展并具有創(chuàng)新精神與開(kāi)拓意識(shí)的智慧型人才。

（二）增強(qiáng)信息技術(shù)教學(xué)的實(shí)踐性

在當(dāng)前小學(xué)信息技術(shù)課程中，很多教師將教學(xué)重點(diǎn)放在理論知識(shí)的講解和操作技能的培養(yǎng)上，機(jī)器人編程教學(xué)中也多以示范性操作教學(xué)為主，忽略了教學(xué)實(shí)踐的重要性，減少了對(duì)學(xué)生計(jì)算思維和創(chuàng)造性能力的培養(yǎng)，長(zhǎng)此以往會(huì)限制學(xué)生想象力的發(fā)揮。而機(jī)器人編程教學(xué)將數(shù)學(xué)和物理等有利于培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維和計(jì)算能力的學(xué)科知識(shí)融入其中，再結(jié)合對(duì)機(jī)器人實(shí)踐操作的任務(wù)驅(qū)動(dòng)要求，為學(xué)生創(chuàng)造了培養(yǎng)計(jì)算思維和動(dòng)手實(shí)踐能力的操作環(huán)境，讓學(xué)生在不知不覺(jué)中提升自己的計(jì)算思維能力。

三、開(kāi)展培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維的機(jī)器人編程教學(xué)的策略

（一）分解編程任務(wù)，引導(dǎo)計(jì)算思維

分解任務(wù)的方式可以讓問(wèn)題結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵點(diǎn)更加清晰，從而降低整體難度。在機(jī)器人程序開(kāi)發(fā)中，除了要注重代碼書(shū)寫(xiě)的正確性，還需要設(shè)計(jì)最有效的解決方案。這就要求學(xué)生具備創(chuàng)造性思維能力，能夠在不同情境下將問(wèn)題轉(zhuǎn)換為適合機(jī)器人控制的指令序列。但是復(fù)雜的設(shè)計(jì)會(huì)讓學(xué)生感到無(wú)從下手，所以教師可以引導(dǎo)他們將一個(gè)復(fù)雜的任務(wù)分解為多個(gè)小的子任務(wù)，逐步解決每個(gè)子任務(wù)，最終達(dá)到解決整個(gè)問(wèn)題的目標(biāo)[2]。在分解過(guò)程中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)方案，規(guī)劃路徑，計(jì)算時(shí)間，做出決策，促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維能力的提升。

例如，在圖1的機(jī)器人巡線控制任務(wù)中，設(shè)定目標(biāo)為讓機(jī)器人從起點(diǎn)到達(dá)E點(diǎn)，中間四個(gè)節(jié)點(diǎn)各停留1秒。

學(xué)生可以將編程任務(wù)按照流程和順序進(jìn)行分解，因?yàn)闄C(jī)器人一次只能做一件事，不可能直行的同時(shí)左轉(zhuǎn)，所以為了完成路線，機(jī)器人的動(dòng)作一定有先后順序。任務(wù)分解為：前進(jìn)、停留1秒、左轉(zhuǎn)、前進(jìn)、停留1秒、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)、停留1秒、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)、停留1秒、掉頭、前進(jìn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)。

在規(guī)劃路線的過(guò)程中，學(xué)生的計(jì)算思維能力得到鍛煉。由于該任務(wù)的實(shí)踐性較強(qiáng)，學(xué)生腦海中形成了深刻印象，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識(shí)內(nèi)化。再次遇到同類(lèi)的問(wèn)題時(shí)，學(xué)生大腦就會(huì)做出對(duì)應(yīng)反應(yīng)，達(dá)到觸類(lèi)旁通、舉一反三的授課效果。

（二）融合圖形化編程教學(xué)，培養(yǎng)計(jì)算思維

將圖形化編程教學(xué)和機(jī)器人編程教學(xué)相結(jié)合，使機(jī)器人的工作過(guò)程和運(yùn)行原理以圖形化編程的方式進(jìn)行直觀演示，更能方便學(xué)生理解編程知識(shí)，思考運(yùn)行原理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤環(huán)節(jié)，迅速修改，及時(shí)調(diào)試。學(xué)生應(yīng)在完成機(jī)器人編程任務(wù)的過(guò)程中，不斷調(diào)整程序和線路，實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維能力的提升。

例如，“機(jī)器人機(jī)械手”一課中，教師的教學(xué)重點(diǎn)是讓學(xué)生掌握機(jī)器人機(jī)械手程序的搭建和機(jī)器人拓展模塊的組合方式。經(jīng)過(guò)第一課時(shí)的教學(xué)，學(xué)生已經(jīng)明白了機(jī)械手的概念以及活動(dòng)原理、伺服電機(jī)和紅外傳感器的工作原理，也已經(jīng)掌握了設(shè)置伺服電機(jī)的方式，接下來(lái)就需要利用編寫(xiě)程序?qū)C(jī)器人機(jī)械手程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過(guò)編寫(xiě)機(jī)器人流程圖，將機(jī)器人機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的基本過(guò)程進(jìn)行具象化展示，了解了機(jī)械手由兩個(gè)伺服電機(jī)、四個(gè)兩節(jié)模塊、兩個(gè)伺服電機(jī)鏈接、兩個(gè)彎曲九孔以及固定伺服電機(jī)的銅片、螺絲組成。

學(xué)生在編寫(xiě)機(jī)械手程序時(shí)，如果按照教材中利用專門(mén)的軟件進(jìn)行編程，一般分為這幾個(gè)步驟：機(jī)器人停止、機(jī)械手抓取物體、推動(dòng)前進(jìn)、機(jī)械手放下物體、機(jī)器人后退停止。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生可通過(guò)對(duì)算法的學(xué)習(xí)促使自身計(jì)算思維能力的提升。但是在實(shí)際教學(xué)中，教師會(huì)發(fā)現(xiàn)學(xué)生脫離教師難以完成。此時(shí)學(xué)生就可以借助在五年級(jí)已經(jīng)掌握的圖形化編程語(yǔ)言，以圖形化編程的形式將機(jī)械手的程序簡(jiǎn)單化。

一方面可拆卸的積木式機(jī)器人方便學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中糾正錯(cuò)誤，另一方面，以模塊化的指令代替陌生的代碼指令，能夠更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)信心。而學(xué)生在拆卸過(guò)程中尋找能讓機(jī)械手運(yùn)作的指令，在反復(fù)實(shí)踐中將腦海中內(nèi)容具象化，用舊知識(shí)解決新問(wèn)題，更好地發(fā)展了計(jì)算思維能力。

（三）開(kāi)展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，拓展計(jì)算思維

在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中，學(xué)生會(huì)聯(lián)系到數(shù)學(xué)、科學(xué)以及工程等多學(xué)科知識(shí)，真正實(shí)現(xiàn)多元智能發(fā)展。與此同時(shí)，在集思廣益的團(tuán)隊(duì)合作中，學(xué)生可以互相交流分享，實(shí)現(xiàn)思維碰撞。在反復(fù)調(diào)試和算法預(yù)演中，學(xué)生的計(jì)算思維能力能夠得到有效提升。

例如，在“機(jī)器人汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)”的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中，教師將教學(xué)目標(biāo)設(shè)定為通過(guò)學(xué)習(xí)理解雙分支選擇結(jié)構(gòu)，掌握選擇結(jié)構(gòu)算法，利用倒車(chē)?yán)走_(dá)程序去感知選擇結(jié)構(gòu)算法的作用，最終提升計(jì)算思維能力。所以，

教師可如此開(kāi)展教學(xué)。第一，利用實(shí)物創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，

引導(dǎo)學(xué)生展開(kāi)探究。教師帶領(lǐng)學(xué)生觀察真實(shí)的倒車(chē)?yán)走_(dá)顯示屏和提示音的變化，進(jìn)而引出問(wèn)題：雷達(dá)是怎樣測(cè)量車(chē)和障礙物之間的距離的，以及雷達(dá)提示音會(huì)隨著距離數(shù)值的變動(dòng)發(fā)生何種變化。為了讓學(xué)生更了解控制器和超聲波傳感器，教師借助機(jī)器人搭建測(cè)距裝置，讓學(xué)生熟悉對(duì)應(yīng)的計(jì)算模式。第二，通過(guò)對(duì)模擬相似環(huán)境的智能小車(chē)的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生將問(wèn)題進(jìn)行抽象處理，即總結(jié)歸納出汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)的結(jié)構(gòu)模式，明確智能小車(chē)的算法，并在教師提出的“如果—那么—否則”的雙分支程序描述模式的幫助下，實(shí)現(xiàn)仿真模

擬。第三，嘗試畫(huà)出流程圖并得出算法，模擬汽車(chē)超聲波傳感器獲取汽車(chē)與障礙物的距離值，并將其傳送給控制器的過(guò)程。模擬的過(guò)程就是驗(yàn)證算法的過(guò)程。

梳理這個(gè)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)過(guò)程，我們可以發(fā)現(xiàn)計(jì)算思維的拓展貫穿始終。首先，拓展分層處理思維。教師在利用“眼見(jiàn)為實(shí)”的方式讓學(xué)生觀察后，將復(fù)雜的問(wèn)題進(jìn)行分解，將超聲波傳感器和控制器的探究問(wèn)題通過(guò)兩個(gè)問(wèn)題來(lái)呈現(xiàn)：超聲波傳感器如何測(cè)距和汽車(chē)控制器如何發(fā)送指令?；睘楹?jiǎn)，更加清晰。其次，拓展模式識(shí)別或算法識(shí)別思維，即利用機(jī)器人智能小車(chē)進(jìn)行仿真模擬，進(jìn)一步抽象算法。再次，拓展流程建設(shè)的思維，從仿真模擬到流程圖最終得到算法，層層遞進(jìn)，解決問(wèn)題，獲得學(xué)習(xí)自信心。最后，利用編程軟件進(jìn)行算法驗(yàn)證，真正實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的抽象化處理。這樣的教學(xué)起到了潤(rùn)物無(wú)聲的效果，學(xué)生利用計(jì)算思維解決問(wèn)題的同時(shí)，也獲得全面發(fā)展。在之后的學(xué)習(xí)中，

學(xué)生可以主動(dòng)嘗試從多角度解決問(wèn)題。

（四）開(kāi)發(fā)編程校本課程，提升計(jì)算思維能力

校本課程是相對(duì)國(guó)家課程和地方課程來(lái)說(shuō)的，是對(duì)現(xiàn)行普遍適用課程的補(bǔ)充。開(kāi)發(fā)機(jī)器人編程校本課程能夠激發(fā)學(xué)生的編程學(xué)習(xí)興趣，為學(xué)生提供更多機(jī)器人編程的實(shí)踐機(jī)會(huì)，最終形成“智能人才”的有效培養(yǎng)模式，全面提升本校學(xué)生的計(jì)算思維能力[3]。機(jī)器人編程教育校本課程開(kāi)發(fā)，可以從以下兩個(gè)方面入手：

1.快樂(lè)編程：以生為本，興趣引導(dǎo)

在關(guān)于編程的校本課程開(kāi)發(fā)中，學(xué)校要更加注重“以生為本”的教育理念，將學(xué)生興趣導(dǎo)向放在首要位置，真正做到快樂(lè)編程，在不斷探索的過(guò)程中提升計(jì)算思維能力。

例如，學(xué)?？梢詫⒂螒蚪虒W(xué)和機(jī)器人編程結(jié)合起來(lái)進(jìn)行“趣味編程”的校本課程開(kāi)發(fā)。學(xué)校可以參考現(xiàn)在市場(chǎng)上的一些編程游戲，如《代碼對(duì)抗賽：機(jī)器人編程大戰(zhàn)》。這是一款編程模擬類(lèi)策略游戲，玩家可以在編程系統(tǒng)中輸入指令，直接運(yùn)行到機(jī)器人身上。這個(gè)游戲其實(shí)并沒(méi)有專注于特定的編程語(yǔ)言，而是使用了一種直觀的可視化編程語(yǔ)言，讓玩家將思考的注意力轉(zhuǎn)移到對(duì)循環(huán)、函數(shù)和變量處理的問(wèn)題上來(lái)，在緊張的氛圍中激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛力，真正做到寓教于樂(lè)。

編程校本課程也可以簡(jiǎn)化成容易實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)易編程游戲。例如，教師可以結(jié)合圖形化編程工具以及信息技術(shù)學(xué)科教學(xué)內(nèi)容，聯(lián)系條件判斷、循環(huán)、變量、鏈表、函數(shù)等編程知識(shí)和技巧，引導(dǎo)學(xué)生制作游戲程序，讓學(xué)生的計(jì)算思維能力在實(shí)踐中不斷提升[4]。

2.智慧編程：由簡(jiǎn)入難，層層遞進(jìn)

在產(chǎn)生開(kāi)展機(jī)器人編程校本課程的想法后，筆者了解了幾所已經(jīng)在小學(xué)階段開(kāi)展編程教育校本課程的學(xué)校，發(fā)現(xiàn)編程校本課程開(kāi)展?fàn)顩r良好的學(xué)校具備兩個(gè)共性：第一，選擇以難度更小的圖形化編程工具作為課程載體，降低難度，讓絕大部分的小學(xué)生能夠?qū)崿F(xiàn)編程入門(mén)；第二，堅(jiān)持STEAM的教育理念，實(shí)現(xiàn)編程和其他學(xué)科的聯(lián)動(dòng)，突破學(xué)科界限[5]。因此，在開(kāi)展機(jī)器人編程校本課程時(shí)，學(xué)校應(yīng)注意從簡(jiǎn)單的機(jī)器人編程項(xiàng)目入手，將不同的學(xué)科涵蓋其中，形成學(xué)科聯(lián)動(dòng)效應(yīng)，綜合提升學(xué)生的計(jì)算思維能力。

例如，學(xué)校在學(xué)生編程學(xué)習(xí)的起步階段，可以開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)學(xué)科聯(lián)動(dòng)的“嵌入式校本課程”，將簡(jiǎn)單的機(jī)器人編程指令訓(xùn)練作為主要教學(xué)內(nèi)容。在學(xué)生能夠得心應(yīng)手地使用編程指令時(shí)，學(xué)?？梢赃M(jìn)一步開(kāi)發(fā)“項(xiàng)目型校本課程”，將設(shè)計(jì)思維培養(yǎng)和操作步驟作為主要教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)提高教師參與度，創(chuàng)設(shè)競(jìng)賽活動(dòng)，促使學(xué)生的計(jì)算思維得到逐步拓展。

四、結(jié)束語(yǔ)

總之，教師要注意把握機(jī)器人編程和計(jì)算思維的核心要義，在教學(xué)中既可以從分解編程任務(wù)、融合圖形化編程教學(xué)方面降低教學(xué)難度，又可以通過(guò)開(kāi)發(fā)機(jī)器人編程的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)和編程校本課程來(lái)提升學(xué)生的計(jì)算思維能力，幫助學(xué)生將計(jì)算思維運(yùn)用于解決生活及學(xué)習(xí)中遇到的問(wèn)題，進(jìn)而成長(zhǎng)為更適合智能時(shí)代的新型人才。

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