計算思維培養(yǎng)導向的小學機器人教學實踐

摘要：本文結(jié)合“4C教學法”，通過“聯(lián)系情境，提出問題”“自主建構(gòu)，約簡模型”“反思迭代，設計算法”“展示交流，評價反饋”“延續(xù)拓展，遷移應用”五大教學環(huán)節(jié)引導學生在機器人校本課程的學習中進行分解、抽象、模式識別、設計算法、調(diào)試優(yōu)化、泛化遷移，進而培養(yǎng)學生的計算思維。

關(guān)鍵詞：計算思維；機器人教育；校本課程

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）19-0074-03

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）提出具備計算思維的學生，能對問題進行抽象、分解、建模，并通過設計算法形成解決方案，能嘗試模擬、仿真、驗證解決問題的過程，反思、優(yōu)化解決問題的方案，并將其遷移到其他問題的解決中。

筆者通過不斷的實踐，認為“4C教學法”能夠讓“計算思維”核心素養(yǎng)落地生根。4C教學法是樂高技術(shù)教育過程中創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的計劃內(nèi)容，其包括聯(lián)系（Connect）、建構(gòu)（Construct）、反思（Contemplate）和延續(xù)（Continue）四個部分。“聯(lián)系”階段強調(diào)“做中學”，將新觀念與舊知相聯(lián)系，激發(fā)學生學習熱情，提升學習成果。“建構(gòu)”階段則是學生在現(xiàn)實世界中建構(gòu)知識，設計編程指令，完成學習。“反思”階段要求學生加深理解，討論交流，反復調(diào)整想法。“延續(xù)”階段建立在反思之上，學生動態(tài)學習，渴求新知，不斷引發(fā)對知識的應用思考，形成螺旋式上升的良性循環(huán)。根據(jù)“4C教學法”，筆者提出，在教學中，“聯(lián)系情境，提出問題”“自主建構(gòu)，約簡模型”“反思迭代，設計算法”“交流展示，評價反饋”“延續(xù)拓展，遷移應用”五大教學環(huán)節(jié)，能夠讓學生在解決實際問題的過程中培養(yǎng)計算思維核心素養(yǎng)。

本文以“智能運輸小車”項目為例闡述如何基于“4C教學法”在機器人教學中培養(yǎng)學生計算思維。本項目中的機器人指的是以配套的ukit EDU作為機器人軟件。

聯(lián)系情境，提出問題

在教學中，要想培養(yǎng)學生的計算思維，最好的方法就是讓學生經(jīng)歷真實問題情境下的探究學習，即以解決現(xiàn)實世界的問題為主線來展開教學。問題的設計需要具備系統(tǒng)性和一定的復雜性，學生在解決復雜問題的過程中主動探究攻克難題。值得注意的是，真實情境不僅需建立新知與現(xiàn)實問題的聯(lián)系，還需要幫助學生找到問題根源，與舊知識建立聯(lián)系，為后續(xù)任務做準備。

例如，在“智能運輸小車”項目中，教師以“果園采摘水果”為情境，以“解決運輸問題”為主線，將其貫穿整個學習過程，教師先請學生交流到果園采摘蔬果的經(jīng)歷，喚起學生“采摘”經(jīng)驗。接著提出問題：“如何實現(xiàn)將摘好的水果快速運回基地，節(jié)省勞動力？”聯(lián)系“采摘”經(jīng)驗，學生發(fā)現(xiàn)如果采摘數(shù)量龐大，那么運輸就成為一個難題，不僅耗時耗力，而且如果不及時運輸將會影響水果的新鮮度。基于這樣的思考，學生提出“智能運輸小車”這個創(chuàng)意點子幫助農(nóng)民伯伯運輸水果，解決農(nóng)民伯伯的運輸困境。教師順勢引導學生思考：什么樣的小車才能具備運輸功能？學生紛紛回答“卡車”“農(nóng)用車”“拖拉機”等各種工具車。教師引導：有沒有更智能的運輸小車？學生立刻聯(lián)系生活中的經(jīng)驗，提出了自動導航、按規(guī)定路線行走、無人操控的運輸小車。于是教師展示了各種智能運輸小車及視頻，開闊了學生視野，調(diào)動了學生的積極性。

自主建構(gòu)，約簡模型

在小學機器人教學中，教師不能直接提供現(xiàn)成的知識，而是營造一種有利于學生自主建構(gòu)知識的環(huán)境。自主建構(gòu)包括自主探究和合作學習，即通過引導學生主動建構(gòu)知識和在小組合作交流中產(chǎn)生思維的碰撞，進一步培養(yǎng)計算思維。

例如，在“智能運輸小車”項目中，首先，進行模型約簡，簡化復雜問題。教師提出問題：“小車為什么能運動？”學生聯(lián)系科學知識回答是“有力的作用”“有電機提供力量”從而引出了“舵機”的概念。接著，教師提出問題：“智能運輸小車由哪幾部分組成？”（生：動力裝置、貨箱）“那么動力裝置需要包括哪些元器件？”（生：舵機、輪子、控制器、信號線）這一個個問題層層遞進幫助學生剖析“智能運輸小車”的構(gòu)造，將一個復雜的機器人構(gòu)造分解成一個個元器件的簡單拼搭問題。其次，教師提供學習支架，促進自主建構(gòu)。教師巧妙提供“拼搭指南”學習單及相關(guān)視頻等學習支架幫助學生自主學習拼搭技巧并提醒學生拼搭的先后順序。這樣大大降低了學生拼搭難度，提高了運輸小車拼搭的成功率。為了提高小組合作的積極性，教師提供“運輸小車”設計方案，并引導學生合作設計運輸小車的方案。該設計方案包括“設想”“器材零件”“動力裝置設計圖”“貨箱設計圖”“設計意圖”等要素。教師將“動力裝置”和“貨箱”分解開來，正是為了約簡模型。最后，結(jié)合科學原理，促進學科融合。

反思迭代，設計算法

1.分解問題

“分解”是處理復雜問題的有效策略，在“智能運輸小車”項目中，除了要將運輸小車的搭建過程進行分解，還需將復雜的運輸指令分解為多個子任務，如“前進”“左轉(zhuǎn)”“右轉(zhuǎn)”“后退”“避障”等。這樣不僅降低了解決問題的難度，還讓學生學會了如何系統(tǒng)地規(guī)劃和執(zhí)行任務。另外，在解決復雜問題時，學生通常會在算法邏輯構(gòu)建上存在困難。針對這一問題，教師可引入“思維導圖輔助法”，引導學生使用思維導圖工具梳理問題、分解任務，對比傳統(tǒng)的流程圖更易讓學生接受，更有效地提升學生分解問題的能力。

2.抽象特征

這一階段的目標是發(fā)展學生合作學習、抽象問題本質(zhì)的能力。例如，在“智能運輸小車”項目中，需將“小車如何避開障礙物”這一實際問題，抽象為“檢測障礙物－判斷距離－執(zhí)行轉(zhuǎn)向或停止”的算法邏輯。教師通過設置“舵機”“轉(zhuǎn)速”等關(guān)鍵字，引導學生快速把關(guān)鍵字抽象成為計算機能夠識別的“前進”“后退”等編程指令。

3.模式識別

鼓勵學生通過動手實踐、問題解決和團隊協(xié)作，將抽象的概念轉(zhuǎn)化為具體的機器人編程和搭建技能，幫助學生從大量數(shù)據(jù)中提取出有用的信息，并據(jù)此做出決策。在“智能運輸小車”項目中，教師要引導各小組根據(jù)聚焦的“運輸小車”問題，聯(lián)想做過的項目模型，如能識別出類似模型，則可在原有的模型上進行修改創(chuàng)新，如果沒有任何搭建經(jīng)驗，就需要學生再次識別出算法的共通之處，觸類旁通。同時，教師要啟發(fā)學生：“之前學過的哪個模型也利用舵機實現(xiàn)運動？”學生能夠識別出之前做過的“智能風扇”也使用到了舵機，運動方式不一樣，但實現(xiàn)方式大同小異。

4.設計算法

設計算法是計算思維的核心，它要求學生在設計機器人的運動時，能夠清晰地定義運動步驟，選擇合適的算法，并預測算法的執(zhí)行結(jié)果。在“智能運輸小車”項目中，學生要在搭建好的運輸小車的模型上進行算法設計，讓小車按規(guī)定路線行走。在對舵機的編程過程中，學生會發(fā)現(xiàn)舵機有順時針、逆時針兩條轉(zhuǎn)動方向的指令，兩個舵機分別組合不同的指令，就能讓運輸小車實現(xiàn)前進、后退、轉(zhuǎn)向的運動。同時，教師要啟發(fā)學生思考最優(yōu)行走路徑，提高學生算法設計能力。

5.調(diào)試優(yōu)化

在機器人項目的實施過程中，學生需要不斷評估機器人的性能，并根據(jù)評估結(jié)果對設計進行調(diào)試優(yōu)化、反復迭代，將其劃分為調(diào)試運行、分析優(yōu)化兩個實踐環(huán)節(jié)。一是調(diào)試運行。通過代碼測試機器人的運行情況，調(diào)試并修復作品中的錯誤，這是測試調(diào)試過程中不可或缺的環(huán)節(jié)。二是分析優(yōu)化。這是評估過程中的重要環(huán)節(jié)，它要求學生從多個角度對作品進行全面的審視優(yōu)化。這不僅包括對作品的運行效果和功能性的評估，還包括對其可靠性和易用性的考量。例如，在“智能運輸小車”項目中，當學生完成“前進、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退”問題的解決后，教師應引導學生不斷探索新的解決問題的方案，優(yōu)化解決問題的方案，找到最優(yōu)解。

展示交流，評價反饋

在機器人作品完成后，不可忽視的環(huán)節(jié)就是作品的展示交流。該環(huán)節(jié)不僅能對小組作品進行梳理，更能鍛煉學生的語言表達能力，提高學生的成就感和獲得感。

首先，為了提高學生的展示交流能力，教師可以提供以下交流方向：機器人名稱、長寬高、舵機編號順序、外觀或功能特點、如何加固、設計的算法、實現(xiàn)的功能、如何改進等。學生可以利用小組作品評分表對交流小組的“合作學習參與度”“解決問題方式”“作品外觀”“算法可行性”“展示交流效果”等進行評價，除了小組展評，還可以結(jié)合小組自評、教師評等方式進行評價。

其次，教師可以設計一套綜合性的計算思維素養(yǎng)測試卷，該測試卷涵蓋算法設計、邏輯推理、問題解決等多個評估維度，通過對比學生課程實施前后的測試結(jié)果，可以全面評價學生在整個學習過程中的思維進步幅度。

延續(xù)拓展，遷移應用

“延續(xù)拓展”即教學不能僅停留于某一作品的制作或某一任務的實現(xiàn)，而應該創(chuàng)造機會拓寬學生思路。“遷移應用”則是將現(xiàn)有的知識及素養(yǎng)遷移到其他現(xiàn)實問題解決過程中，通過不斷地遷移應用，學生可以更加深刻地理解知識的內(nèi)涵和外延，同時也可以提高解決實際問題的能力和效率。

以“智能運輸小車”為例，教師提出“智能運輸小車”在運輸過程中還需考慮什么因素、如何應用于其他場景中等問題，鼓勵學生小組合作交流，并上臺匯報。同時，教師啟發(fā)學生發(fā)現(xiàn)在不同場景中應用還需不斷優(yōu)化其算法和機械結(jié)構(gòu)，使其更好地適應多樣化的任務需求。

綜上所述，通過“聯(lián)系情境，提出問題”“自主建構(gòu)，約簡模型”“反思迭代，設計算法”“展示交流，評價反饋”“延續(xù)拓展，遷移應用”這五大教學環(huán)節(jié)設計，不僅提高了機器人學習效果，而且培養(yǎng)了學生計算思維，促進了邏輯思維、創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，提高了問題解決和遷移能力。

參考文獻：

任友群，黃榮懷，熊璋.從信息技術(shù)到信息科技——關(guān)于《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》的對話[J].課程·教材·教法，2022，42（12）：21-31.

本文系福建省教育科學“十四五”規(guī)劃2022年度課題“基于計算思維培養(yǎng)的小學機器人教育校本課程建設研究”（課題批準號：FJJKZX22-697）的研究成果。