機器人教學中創(chuàng)客教育與計算思維的融合探索

倪正輝

摘 要：基于創(chuàng)造的學習過程中融合計算思維，吻合創(chuàng)客教育的全人發(fā)展理念；計算思維教育是創(chuàng)客教育的一種載體，計算思維訓練是創(chuàng)客教育的途徑之一，計算思維方法是創(chuàng)客教育的具體實踐策略，擁有計算思維是創(chuàng)客的一種存在境界；文章例談了創(chuàng)客教育與計算思維融合的實踐案例。

關鍵詞：創(chuàng)客教育；計算思維；融合；機器人教學

中圖分類號：G434 文獻標志碼：B 文章編號：1673-8454（2017）02-0006-03

創(chuàng)客教育以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和解決問題的能力為核心，強調STEAM多學科的融合，創(chuàng)新精神具有通過實踐去發(fā)現問題，并努力探尋解決方案的含義，體現出積極向上的生活態(tài)度。“只有想不到，沒有創(chuàng)客做不到”，實質是對“發(fā)現問題和解決問題”兩方面的辯證反映。那如何既要想得到又要快速做得了呢？融合計算思維教育是個不錯的選擇。

計算思維[1]，“作為一個學術詞匯出現得較晚，但其作為人類思維方式的組成成分很早就存在，而且隨著計算工具、計算方法和人類整體思維能力的不斷進步而改變”[2]，經過多年萌發(fā)，現猶如海嘯般正在教育界激蕩和蔓延，許多地區(qū)把計算思維作為技術課程的基礎理論和內在核心價值加以引入，期望實現技術學科的穩(wěn)定性和核心性，并因此而展開了實踐探索。

一、 創(chuàng)客教育與計算思維

1. 計算思維教育是創(chuàng)客教育的一種載體

計算思維教育是一種“普適教育”?！敖逃谋举|是人自身的發(fā)展”[3]，而人的發(fā)展需要高品質的思維，作為“涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動”[4]的計算思維以發(fā)現問題和解決問題為立足點，如同所有人都具備“讀、寫、算”能力一樣，成為適合每個人的一類普適技能，其“思維教學的核心理念是培養(yǎng)聰明的學習者，教師不僅要教會學生如何解決問題，也要教會他們發(fā)現值得解決的問題”[5]，通過計算思維教育讓學生品味計算思維、提高計算思維、享用計算思維，讓“計算思維成為每一個人的技能組合成分，而不僅僅限于科學家”[6]。

創(chuàng)客教育是一種“基于創(chuàng)造的學習” [7]的全人發(fā)展教育。計算機科學家、圖靈獎得主艾茲格·迪杰斯特拉曾說過：“我們所使用的工具影響著我們的思維方式和思維習慣，從而也將深刻地影響著我們的思維能力”，創(chuàng)客教育是信息技術常態(tài)化有效應用的一種階段外顯形態(tài)，旨在“借助技術工具與資源讓學生能夠將學習過程融于創(chuàng)造過程，實現基于創(chuàng)造的學習；能夠在創(chuàng)造過程中提升學科學習質量，尤其是提升科學、技術、工程、數學、藝術等學科學習中的自信、創(chuàng)造力與興趣；能夠全身心投入到基于創(chuàng)造的學習過程中，培養(yǎng)自己的批判性思維、創(chuàng)新思維與問題解決能力，實現全人發(fā)展”[8]。

從上述意義上說，計算思維教育是創(chuàng)客教育的一種載體，“人類最基本學習方式的基于創(chuàng)造的學習”，與計算機技術（信息技術）支持下的“適合每個人的普適技能”的融合，是創(chuàng)新人的學習工作生活方式等行為方式的一種形態(tài)，創(chuàng)客教育與計算思維教育的融合，昭示著學生已從創(chuàng)新出發(fā)，而不是開始走向創(chuàng)新。

2.計算思維訓練是創(chuàng)客教育的途徑之一

郭喜鳳教授等認為：計算思維源于并服務于由理論、技術、工程、工具、服務和應用構成的計算鏈，這一計算鏈以計算理論為始點，以計算應用為終點，每一結點都將產生計算思維，從始點到終點的轉化構成計算思維的工程化，從終點到始點的轉化構成計算思維的抽象、升華和理論化[9]。 現階段“創(chuàng)客教育是在創(chuàng)客空間（環(huán)境）中開展的培養(yǎng)青少年創(chuàng)客（目的）的一種教育類型，是以造物（手段）的形式培養(yǎng)學生綜合實踐能力（目標）的一種工程教育（本質）”[10]。

創(chuàng)客教育的實踐是從始點到終點的轉化，是計算思維工程化的體現；創(chuàng)客教育的課程是從終點到始點的轉化，雖然現實層面上的課程體系尚未形成，但是完善的課程體系不是簡單的產品操作說明書，而是始于應用終于理論的套件系列，創(chuàng)客教育課程是計算思維理論化的體系形式之一。

可見，計算思維工程化是創(chuàng)客教育的一種實踐形態(tài)，工程化過程中的計算思維訓練是創(chuàng)客教育的途徑之一，它既讓創(chuàng)客教育的實踐具有了可操作性，又讓創(chuàng)客教育的教程得以條理化，計算思維教育既可助力創(chuàng)客教育課程的體系形成，又可促進創(chuàng)客教育理論的深入研究。

3.計算思維方法是創(chuàng)客教育的具體策略

一個創(chuàng)客項目一般都含有內涵復雜、相互關聯的若干個任務，雖然有可能包含一些良構問題，按程序性思維就能解決，但更多的是場景不明、影響因素模糊且解決問題的線索不易找到的劣構問題，也許還包括一些帶有個性立場和感情色彩的爭點問題。

用計算思維去發(fā)現問題和解決問題應是每個人的基本技能，“計算思維應把基礎和核心建立在經驗、實證和教育之上，應關注方法、實踐和實效”[11]，學生在分析問題任務、設計解決方案、實施項目任務的過程中，對“約簡、分離、轉化、仿真和應用等”計算思維方法的大量組合應用，實質就是創(chuàng)客教育中的一個個具體實踐策略。

可見，計算思維方法是創(chuàng)客教育中實踐策略的具體化，是創(chuàng)客實踐策略的基礎，學生正是在這類劣構問題場景下開始了基于創(chuàng)造的學習，形成的創(chuàng)造性作品是創(chuàng)客存在境界的一種外顯，儼然就是創(chuàng)客教育與計算思維教育的融合標志。

二、創(chuàng)客教育與計算思維教育的融合案例

課堂是創(chuàng)客教育與計算思維教育融合的常見陣地，以下結合蘇科版小學信息技術教材中《機器人行走》一課的教學，例談計算思維與創(chuàng)客教育的融合應用。

1.問題的約簡

激發(fā)學生創(chuàng)造興趣，讓學生有信心參與創(chuàng)造過程是創(chuàng)客教育的標配。教材配套了“后兩輪獨立驅動”的三角形智能機器人，它貌似普通的玩具小車，學生初見時有點不屑一顧，而當要求通過編程來指揮機器人行走時，馬上滿臉充滿興奮，苦于沒有頭緒，不知如何來“玩”。

“把一個看來困難的問題重新闡釋成一個我們知道怎樣解決的問題”[12]，這是計算思維的基本構件，培養(yǎng)學生逐步養(yǎng)成這一思維習慣此時正是時候。行走問題實際上就是個典型的可計算問題，可先讓學生觀看月球車落月后行走的一段視頻，然后問：“月球車行走了多少距離？”，通過整合數學知識，學生極易明白“速度與時間”是獲取月球車行走距離的兩大核心要素，于是機器人行走問題，學生也就很自然地簡約成計算機技術了：編程指揮機器人行走，只需設置行走的速度和時間。

通過對龐雜或復雜問題簡約化，降低問題難度，便于分析和解決問題，這就是計算思維的約簡。

2.關注點分離

能讓機器人按預設順序行走，體現機器人的“智能”，這是本課的一個具體化創(chuàng)客項目。維持創(chuàng)造動機是創(chuàng)客教育的標準件，為此我們借助場景，融合應用了關注點分離方法。

關注點分離就是將復雜系統，用合適方法分解成多個模塊（階段），然后再逐一針對各模塊特征，找出各自解決方法，最終解決整個系統問題；如庖丁解牛般在關節(jié)點分割，其應用模式一般分3步：①問題分離策略，②各模塊分別求解，③合成各模塊的解。

如圖1場景：“機器人位于中間的礦石加工區(qū)E區(qū)域，A、B、C、D四種礦石分布在四周區(qū)域，如果機器人要采集其中一種礦石用于加工，請以加工區(qū)為始點和終點，設計一個機器人行走方案”。這類場景學生極易上手，會有多種分離策略，如采集B礦石用“前進、后退和停止”分解策略，采集C礦石用“右轉彎、前進、后退和停止”分解策略等；各模塊的解，通過嘗試操作較易獲得，各模塊解的合成也無難度，即“機器人采礦行走方案實質就是機器人前進、后退、轉彎和停止這四種基本形態(tài)及其組合方式”。

通過關注點分離，學生把任務場景演變成機器人的四種行走形態(tài)，從而順利橋接到已有的計算機設置技術，最終完成設計方案。

3.巧妙的轉化

把復雜問題轉化為能夠用計算機解決的形式，謂之轉化。這是創(chuàng)客教育中十分常用的一個計算思維方法。本課對轉彎內容的處理就運用了轉化法。根據機器人兩輪驅動組合形態(tài)，即“左右同進、左右同退、左停右轉、左轉右停、左進右退、左退右進”共六種，分別設計對應的六組轉彎策略，再用“機器人行走模擬演示工具”在計算機上實驗這六組策略，從而把實操場地上不易留存的轉彎軌跡，在屏幕上繪制成對應的軌跡形態(tài)，進而歸類轉化成直觀形象圖，可視性強。（見圖2）

借助計算機工具有效顯示了機器人轉彎軌跡，使得動態(tài)事物靜態(tài)化，順應了小學生形象思維為主，初步的邏輯思維為輔的思維特點，把抽象的邏輯思維轉化為直觀的形象思維，省時省力有實效。

4.驗證式仿真

一個創(chuàng)客項目，除計算工程中的“實現方法”外，還有“系統分析、方案設計”等其他配套環(huán)節(jié)，實施“機器人按人的要求行走”，至少應當包括“系統分析”中的行走路徑規(guī)劃、“方案設計”中的程序編程策略和“實現方法”中的算法優(yōu)化等內容。為此增補了項目場景：如果機器人要采集到全部四種礦石才能進行加工，那這個行走方案該如何設計呢？

創(chuàng)客教育與計算思維融合的特征之一，就是“能夠發(fā)現、提出可用計算機解決的問題，能夠自主分析問題，并能探索解決問題的途徑和方法”。本例中，先設計機器人行走路徑策略，后討論程序編程策略，如前進距離、轉彎大小等，再通過思辨和仿真演練，進行算法優(yōu)化，如優(yōu)化為順時針轉個大彎（轉一大圈分別經過C、D、A、B區(qū)域）后停下等。

充分利用計算機模擬演示工具來仿真驗證策略方案，讓學生既享受結果，也享受過程，不減少探究體驗但能縮短探究過程，實現了過程與結果的動態(tài)平衡。在模擬仿真環(huán)境下，因沒有了機械傳動、摩擦力等因素的影響，所以，工程化方案主體的支撐性和穩(wěn)健性更易得到驗證，同時干擾少了，學生也就更易專注于需求分析、策劃設計和算法優(yōu)化了。

5.實體化應用

課至此時，整體上是在思辨及模擬操作，可謂“紙上談兵”，但實體項目中因受電力強弱、地面平整度等因素影響，行走策略的實現未必理想。讓學生身臨其境地參與求解過程，學以致用，避免只會解答理想模型而不能求解現實問題，這是教學使然，因此，教學的應然是讓學生在具體創(chuàng)客項目中（實體場地紙上）調試操作機器人，實證策略方案。

原型制作（實體化應用），從思維過程化的角度看，計算思維源存在于一個“以計算理論為始點，以計算應用為終點”的計算思維生存周期中，從創(chuàng)客教育角度看，創(chuàng)造是一個需要全身心投入的復雜過程，本環(huán)節(jié)不但是學生領悟這一道理的極佳時機，而且也是創(chuàng)客教育中不可或缺的一個組成部分。

學生在探尋實體項目的解法中常會頻發(fā)狀況，實施情況可能并不理想，這很正常，但我們關注的重點應是學生“計算思維應用”與“創(chuàng)造的學習”之間的融合狀況，前者需要關注學生能否將事物模型逐步轉化為計算機所能理解的符號模型，能否把現實事物轉化到信息世界，再把信息世界描述數據轉化到機器人世界等，后者需要關注學生思考探索問題的過程，關注學生和機器人協同解決問題的過程，關注學生對機器人執(zhí)行程序后反饋結果的處理方法等，兩者融合層面上，要讓學生領悟人和計算機之間的辯證關系，明白人之思維越深入模型構建越合理，則具體方案可行性越強，而計算機智能化程度越高，則人需關注之因素會減少，在問題求解過程中人與計算機是有不同分工的。

三、 結束語

基于創(chuàng)造的學習過程中融合計算思維，吻合創(chuàng)客教育的全人發(fā)展理念；計算思維教育能夠培養(yǎng)學生像計算機科學家那樣，用計算機科學的基礎概念去發(fā)現問題和解決問題；創(chuàng)客教育和計算思維教育的融合是可行和有效的；把計算思維培養(yǎng)成每位學生的基本技能，不可能一蹴而就，而應當貫穿于整個教學體系之中。

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（編輯：郭桂真）