基于真實情境與協(xié)作學習的機器人教學新范式

摘要：本文聚焦計算思維培養(yǎng)與機器人教學的深度融合，提出一種基于真實情境與協(xié)作學習的機器人教學新范式，并通過理論分析闡述了該教學范式的內涵和特征，同時結合“智能搬運小車”項目的教學實踐，探討了該范式在培養(yǎng)學生計算思維、問題解決和創(chuàng)新實踐能力等方面的有效性。研究發(fā)現(xiàn)，真實情境有助于培養(yǎng)學生計算思維的運用能力，協(xié)作學習有助于學生在討論、反思中深化對計算思維的理解，提升計算思維的高階技能。因此，該教學范式能夠有效促進學生將計算思維知識遷移到機器人實踐活動中。

關鍵詞：計算思維；機器人教學；真實情境；協(xié)作學習；教學范式

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）19-0049-04

引言

1.研究背景

計算思維是信息時代公民必備的核心素養(yǎng)之一。它是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統(tǒng)設計與人類行為理解的思維方式[1]，已成為與數(shù)學思維、工程思維并列的基本思維方式。培養(yǎng)學生的計算思維能力，對于提升其數(shù)字化生存和創(chuàng)新發(fā)展能力具有重要意義。

機器人教學是培養(yǎng)青少年計算思維的重要途徑。國內外許多研究表明，機器人教學能夠激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)其計算思維和創(chuàng)新實踐能力。[2]然而，目前大多數(shù)機器人教學仍然側重于知識傳授和技能訓練，存在重結果輕過程、重個人輕協(xié)作等不足，難以有效支持學生計算思維的深度發(fā)展。為了推動機器人教學從“學機器人”到“用計算思維”的轉變，筆者探索了一種融合計算思維培養(yǎng)要求、彰顯機器人教學優(yōu)勢的教學新范式。

2.文獻綜述

為培養(yǎng)學生的計算思維能力，研究者提出了多種融合計算思維的教學范式。其中，案例教學法、項目學習法、游戲化學習等較為常見。張進寶等[3]提出了一種“興趣驅動、項目引領、協(xié)作學習、評價促進”的機器人教學范式，在項目活動中滲透計算思維培養(yǎng)。盧慶偉等[4]提出將TRIZ理論引入機器人創(chuàng)新實踐活動，構建了TRIZ-CDIO創(chuàng)新教學范式，從技術創(chuàng)新角度支持計算思維發(fā)展。田陽等[5]基于S-P-O-C模型，設計了任務導向的智能機器人實踐教學范式，在問題解決過程中融合計算思維訓練。

雖然上述研究為機器人教學中的計算思維培養(yǎng)提供了有益探索，但仍存在一些不足：一是對計算思維內涵把握不夠精準，未能充分體現(xiàn)其抽象建模、數(shù)據(jù)表示、問題分解、模式泛化等核心要素；二是對機器人教學特色挖掘不夠，如體驗性、綜合性、創(chuàng)新性等未得到充分彰顯；三是教學情境設計不夠真實，學習任務與真實世界聯(lián)系不夠緊密，學生參與的主動性有待提高。

計算思維的內涵與培養(yǎng)路徑

1.計算思維的內涵

筆者認為，計算思維是一種融合抽象建模、數(shù)據(jù)表示、問題分解、模式泛化、算法思維、調試優(yōu)化的綜合性思維模式，貫穿于問題求解的全過程。因此，計算思維能力的提升，需要在具體的問題情境中，引導學生體驗和內化以上思維方式。

2.機器人教學中計算思維的培養(yǎng)路徑

機器人教學在本質上契合計算思維的培養(yǎng)要求。從技術實踐角度來看，機器人的感知、規(guī)劃、控制等功能實現(xiàn)高度依賴抽象建模、算法設計等計算思維方法。從創(chuàng)新設計角度來看，機器人的設計優(yōu)化需要問題分解、創(chuàng)新設計等系統(tǒng)思考能力。

在機器人教學中培養(yǎng)學生的計算思維，依照“教師指導－學生主體－訓練主線”的原則。在具體實施過程中重點關注以下環(huán)節(jié)：首先，選取恰當?shù)捻椖恐黝}，營造支持計算思維遷移的教學情境，設定貼近生活的真實任務，組織跨學科項目學習和機器人競賽，引導學生在多樣化問題解決中體驗計算思維的應用價值，實現(xiàn)知識與技能的靈活遷移。其次，設計教學活動，將計算思維要素融入機器人課程，通過目標設置、內容選取、活動設計等方面的精心織入，引導學生在“做中學”中掌握抽象建模、算法思維等核心要素。再次，進行新知實踐，注重計算思維的顯性表征和針對性指導，要求學生用流程圖、偽代碼等方式外化思維過程，教師則及時捕捉學生思維方式的可視化表征，助力學生深思優(yōu)化。最后，鼓勵自主探究，構建計算思維的學習共同體，營造小組協(xié)作、頭腦風暴、在線分享等互動交流環(huán)境，引導學生在集體智慧中碰撞思維火花，在經(jīng)驗分享中優(yōu)化問題解決思路。

基于真實情境驅動與協(xié)作式知識建構的機器人教學范式

1.教學范式的框架

本文提出的機器人教學范式，以培養(yǎng)學生的計算思維能力為核心目標，凝練了真實情境驅動、協(xié)作式知識建構兩大關鍵要素，形成“真實情境驅動－協(xié)作式知識建構－計算思維提升”的內在邏輯。

①真實情境驅動。教學情境的設計源于學生熟悉的現(xiàn)實世界，蘊含豐富的計算思維要素。這種情境能激發(fā)學生的探究欲望，喚起已有認知經(jīng)驗，驅動其主動應用計算思維方法分析、解決問題，在與情境的互動中實現(xiàn)知識遷移和能力提升，使抽象的計算思維在具體情境中“落地”，在真實應用中“內化”。

②協(xié)作式知識建構。在教學過程中，學生并非被動接受知識，而是以小組為單位開展協(xié)作探究，通過討論、分享、辯論等互動方式主動建構知識。協(xié)作學習有助于發(fā)揮學生的集體智慧，通過頭腦風暴、思維碰撞產(chǎn)生聚合效應，共同完成較復雜的項目任務。在協(xié)商一致意見的過程中，學生能夠相互啟發(fā)，優(yōu)勢互補，逐步內化計算思維策略，形成較深層次的理解。

③計算思維能力提升。通過貼近學生生活實際的問題情境，引導其主動應用計算思維，關注能力生成過程；通過協(xié)作互動，重視個性化發(fā)展與溝通表達，提升創(chuàng)新設計能力。這種教學理念和教學方法的創(chuàng)新，有助于機器人教學從“學機器人”到“用計算思維”的跨越。

2.教學范式的特征

基于真實情境驅動與協(xié)作式知識建構的機器人教學范式有以下四點特征：

①真實性。以真實問題導向和知識應用為核心，通過真實情境中的項目實踐，培養(yǎng)學生的計算思維和知識遷移能力，而非簡單的概念羅列和公式訓練，符合計算思維的實踐性特點。

②驅動性。教學過程注重能力發(fā)展，基于驅動問題，采用探究式和體驗式學習，引導學生在實踐中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題。

③協(xié)作性。強調協(xié)作建構，學生通過小組討論和頭腦風暴生成創(chuàng)新方案，正如建構主義學習理論所強調的，知識在社會互動中形成。

④差異性。個性化教學設計尊重學生差異，鼓勵學生發(fā)揮特長，用獨特的方式呈現(xiàn)項目成果，挖掘創(chuàng)新潛能，彰顯個性化思維。

教學案例與實踐分析

1.教學案例：“智能搬運小車”項目

為驗證本教學范式的可行性和有效性，筆者在某中學開展了為期3周的“智能搬運小車”項目教學實踐。該項目以物流搬運為背景，要求學生利用樂高EV3和SpikePrime機器人搭建一輛智能小車，使其能夠自動規(guī)劃行駛路徑，避開障礙物，將指定物品運送至目的地。項目分為四個主要環(huán)節(jié)。

①情境導入與任務分解。教師首先創(chuàng)設真實的物流場景，引導學生分析搬運中存在的問題，進而引出利用智能小車優(yōu)化搬運的解決方案。學生通過小組討論，對項目任務進行分解，明確需要實現(xiàn)的功能，如自主行駛、避障、物品搬運等。教師協(xié)助學生梳理每項功能對應的計算思維要素，如抽象建模、結構搭建、智能控制等。這一環(huán)節(jié)立足真實情境，激發(fā)了學生的興趣，通過任務分解實現(xiàn)計算思維要素的整合與內化，體現(xiàn)了“真實情境驅動問題解決”的教學理念。

②協(xié)作探究與方案設計。學生在小組內開展頭腦風暴，提出多種設計方案，如傳感器選型、小車結構、控制策略等。通過小組討論，學生相互質疑、論證，選出最佳方案。隨后，小組成員根據(jù)各自特長明確分工，負責機械結構、流程梳理、程序編寫等任務。教師巡視指導，參與討論，點撥疑難。這個過程充分發(fā)揮了協(xié)作學習的優(yōu)勢，學生在思維碰撞中積極建構知識，在頭腦風暴中彼此啟發(fā)，激發(fā)創(chuàng)新思維。分工合作又凸顯了因材施教，學生能發(fā)揮所長，找到適合自己的學習方式。從計算思維角度來看，這一環(huán)節(jié)聚焦方案的抽象建模與算法設計，是計算思維的集中應用和提升。

③動手實踐與測試優(yōu)化。學生按照設計方案動手組裝機械結構、搭建電路、編寫程序，完成智能小車的初步構建。隨后，他們設計測試場景，評估小車的實際表現(xiàn)，如避障是否靈敏、能否準確到達等。對于發(fā)現(xiàn)的問題，學生主動分析原因，提出優(yōu)化策略，改進設計方案、完善程序，遞歸優(yōu)化，直至達到預期效果。學生在動手實踐中檢驗所學知識，在反復調試中體驗計算思維的運用，針對遇到的問題進行分析優(yōu)化，既鍛煉了動手能力，又深化了對計算思維方法的理解。測試環(huán)節(jié)是學生批判性思維的集中體現(xiàn)，聚焦于問題解決過程，而非簡單的結果評判，體現(xiàn)了教學評價的過程導向。

④項目呈現(xiàn)與反思提升。各小組通過演示視頻、現(xiàn)場操作等方式展示項目成果，分享心得體會。其他小組提出問題，給出改進建議。教師針對項目設計的創(chuàng)新性、計算思維應用的系統(tǒng)性等進行點評，引導學生梳理項目經(jīng)驗，反思如何進一步優(yōu)化解決方案、拓展應用場景。這一環(huán)節(jié)注重協(xié)作交流，學生在分享展示中輸出認知，在相互評價中獲得反饋，在教師點撥中實現(xiàn)計算思維的升華。反思回顧引導學生聚焦學習過程，梳理經(jīng)驗教訓，思考計算思維的實際應用。

2.實踐成效分析

為評估本教學范式的實際效果，筆者采用課堂觀察、過程性評價等方式收集數(shù)據(jù)，并從計算思維、學習興趣、實踐創(chuàng)新、協(xié)作表現(xiàn)等維度進行分析。數(shù)據(jù)顯示：85%以上的學生能靈活運用抽象建模、算法設計、數(shù)據(jù)優(yōu)化等計算思維方法解決問題；92%的學生認為源于真實情境的項目最能激發(fā)探究興趣；81%的學生認為作品展現(xiàn)了豐富創(chuàng)意，體現(xiàn)了創(chuàng)新思維，提升了動手能力；77%的學生認為小組協(xié)作有效促進思維交流，互助性明顯增強。從上述數(shù)據(jù)結果中可以發(fā)現(xiàn)，本教學范式在提升學生計算思維水平、激發(fā)學習興趣、培養(yǎng)創(chuàng)新實踐能力等方面取得了良好的成效。不過，實踐中筆者也發(fā)現(xiàn)一些問題：個別學生在遇到技術難題時缺乏耐心，需要教師幫助調節(jié)情緒；作品物化程度不夠深入，未能體現(xiàn)更多思維的交叉融合。

結語

本文基于計算思維內涵分析，提出了一種融合真實情境和協(xié)作學習的機器人教學新范式，并通過案例實踐揭示了該范式對培養(yǎng)學生計算思維、問題解決與創(chuàng)新實踐能力的促進作用。這一研究豐富了機器人教學領域的教學范式，為推動機器人活動與計算思維培養(yǎng)的深度融合提供了新思路。

參考文獻：

[1]Wing， J. M. Computational thinking[J].Communications of the ACM，2006，49（03），33-35.

[2]李鋒，高原.機器人教學：培養(yǎng)小學生計算思維能力的新途徑[J].中國電化教學，2017（05）：81-87.

[3]張進寶，陳歡歡.創(chuàng)客教學視域下的機器人教學范式創(chuàng)新[J].現(xiàn)代教學技術，2017，27（11）：15-22.

[4]盧慶偉，康杰，熊輸.TRIZ理論在機器人創(chuàng)新教學中的應用實踐[J].計算機教學，2019（10）：151-155.

[5]田陽，鄭宏，何克抗.智能機器人實踐的任務驅動教學范式研究[J].電化教育研究，2018，39（10）：85-91.

作者簡介：李亞洲，碩士，高級職稱，研究方向為教學管理；李子文，本科，中級職稱，研究方向為機器人教學。

本文系甘肅省教學科學“十四五”規(guī)劃2023年度一般課題“基于計算思維的中學機器人教學實踐研究”的研究成果，課題立項號：GS[2023]GHB0934。