機器人模塊中 踐行計算思維的設計途徑

王蕾

教學現(xiàn)場

《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》頒布后，有關在義務教育階段教學中滲入計算思維的呼聲此起彼伏。在前期實驗計算思維的常見課例中，機器人模塊受到了中小學一線教師的青睞，在計算思維研究課中，以此為主題的研究課例占有較大的比重。但是在這批嘗鮮的課例中，往往延續(xù)傳統(tǒng)信息技術教學模塊的設計方式。在課堂教學實踐中，多個課例出現(xiàn)了教學課時不足、學生課堂達成率不高、作品單一等問題，引起了筆者的思考。

問題分析

對相關課例詳細分析后發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)以上問題的原因在于：機器人模塊與傳統(tǒng)信息技術教學內(nèi)容之間，既有學科共性，也有模塊個性。如果教師采用傳統(tǒng)的設計方式，不能完全符合教學要求。在多個課例中，教師未能采用適宜的教學設計方式來組織教學，勢必引起諸多問題。從研究主題來說，計算思維作為信息技術學科的目標之一，需要采用適宜的途徑進行實踐，如何能尋找到適宜的設計載體，成為當下教研的焦點。合理地運用計算思維方式來組織機器人模塊的教學過程，方能取得較為理想的教學效果。

機器人模塊設置的內(nèi)容及現(xiàn)狀

1.機器人模塊的內(nèi)容分析特點

《中小學信息技術課程指導綱要（試行）》中明確指出，在中小學信息技術教學中，培養(yǎng)目標可以歸納為三類：①在基礎模塊教學中，強調(diào)追求表現(xiàn)個性與特點的發(fā)散思維和人文精神；②在編程等邏輯思維能力培養(yǎng)的教育中，比較強調(diào)培養(yǎng)學生如何認識世界與發(fā)現(xiàn)規(guī)律的演繹、邏輯思維能力和科學精神；③在以機器人模塊為代表的新技術類的內(nèi)容中，所強調(diào)的是追求解決問題與完成任務的可實現(xiàn)、可操作的計算思維與創(chuàng)新精神。

作為學科內(nèi)容，機器人模塊屬于信息技術教學中的新模塊；從教學設計的特點上分析，機器人模塊具有信息技術教學設計的共性，即注重實踐性和實驗性，強調(diào)學科的操作技能目標達成。但機器人模塊也具有自身的個性，即注重學生對解決問題方案的規(guī)劃，突出程序釋疑的多角度性，鼓勵學生在硬件搭建和軟件配套間尋求最佳途徑。

2.當前機器人模塊教學設計的現(xiàn)狀

機器人模塊作為信息技術學科的內(nèi)容之一，進入常規(guī)化班級授課的時間較短，各類教學設計和課堂教學的案例有限。根據(jù)已有情況來分析，大部分的機器人教學強調(diào)技能的訓練，常規(guī)設計形式為：教師演示程序—學生模仿搭建—學生練習—教師總結。在常規(guī)設計中，教師注重技能的演示，忽視對機器人搭建過程的關注，導致課堂類似傳統(tǒng)工匠的作坊，學生缺乏必要的思維過程，無法進行有效的知識遷移，作品達成形式單一。

機器人模塊與計算思維培養(yǎng)的關聯(lián)

1.機器人模塊與計算思維培養(yǎng)的契合點

機器人模塊涉及硬件搭建和軟件編程兩個項目：硬件搭建的過程中，學生需要清晰的思維框架和完整的功能載體。在這個過程中，計算思維的方式能夠給學生充分的學習支架，幫助其整理思路、確定任務主線。軟件編程中，學生要根據(jù)任務的要求，編寫機器人的相關活動程序，活動過程中，程序在學習中跟隨任務的推進進行相應的調(diào)整、改編、設置，以期完成機器人的相關活動。編程的過程，具有典型的算法思維的特征，基于計算思維的算法設計是編程的重要基礎，整個編程過程基于計算思維而進行。

2.具有計算思維特征的設計給機器人模塊教學帶來的變化

計算思維是與形式化問題及其解決方案相關的思維過程，其解決問題的表示形式應該能有效地被信息處理代理執(zhí)行。通過對機器人模塊教學過程的分析可以看出，計算思維對機器人模塊的教學有著重要的意義。具有計算思維特征的教學設計，可以幫助機器人模塊的教學在硬件上達到高效規(guī)范的目的，在軟件上達到細化編程過程、規(guī)范編程細節(jié)的作用。因此，基于計算思維特征的教學設計可以給機器人模塊教學帶來規(guī)范的學習能量和清晰的學習思路。在教學實踐中，計算思維物化為符合學科特征的設計手段，通過適宜的組織構建，為學生創(chuàng)設計算思維的學習過程，有效地落實教學目標。

基于計算思維的機器人模塊教學設計模式

基于計算思維的教學設計具有鮮明的特征，在機器人模塊的課堂教學過程中，通過硬件搭建和軟件編程兩個角度得以具體實施。下面，筆者以《機器人循光》一課為例，探索基于計算思維培養(yǎng)的機器人模塊教學設計模式。

1.迭代思維：多算法思維——從技能中心到問題解決

迭代是重復反饋過程的活動，其目的通常是為了逼近所需目標或結果。每一次對過程的重復稱為一次“迭代”，而每一次迭代得到的結果會作為下一次迭代的初始值。迭代函數(shù)在數(shù)學運算中廣泛使用、迭代算法在程序編寫中經(jīng)常涉及。這里的迭代思維是指將多維度的算法思維進行有效的組合，讓學習者的關注力從以技能為中心轉移到問題的解決方式上來，構建自身的學習支架。

（1）原設計

機器人模塊的經(jīng)典課例《機器人循光》，包括“認識紅外傳感器”“設置紅外傳感器”“用紅外傳感器控制機器人運動”三個主要環(huán)節(jié)。在第一個環(huán)節(jié)中，常見的設計方式為：教師播放一段機器人競賽中機器人追逐足球的視頻，讓學生了解機器人循“物”的工作方式，引入紅外傳感器，再介紹紅外傳感器的生活用途，完成學生對紅外傳感器的認識。

（2）思考焦點

以上的教學過程中，雖然沒有明顯的認知問題，但是在課堂教學中，常常會出現(xiàn)學生參與度不高、無法拓展生活實例的情況，以至于教師讓學生搭建紅外傳感器時，學生不知所措，無法達到滿意的教學效果。究其原因，教師給與學生的學習素材只注重概念的技能特征，忽視了其問題解決的推動原理。雖然是機器人的應用實例，但是“循光”與“尋物”缺乏必要的物質聯(lián)系，學生無法理解紅外傳感器為什么能起到“循”的作用。因此，在搭建過程中，才出現(xiàn)了學生不知該如何安插紅外傳感器的尷尬情況。

（3）改進型設計

基于計算思維的設計過程中，教師可以從“自動門”入手，引導學生觀察為什么能“自動”？學生通過自身的生活經(jīng)驗，可以想到自動門頂端有個紅色的小燈，每當有人靠近時，小紅燈就會閃一下，接著門就開了。教師拿出實物展示給學生看；接著通過對“自動門”工作過程的分析，帶領學生繪出工作流程圖，讓學生清晰了解紅外傳感器的工作原理；再帶領學生將紅外傳感器搭建到機器人機身上。

教學評析：在此過程中，雖然流程相對復雜，看似耗用了較多的時間，但給學生充分的知識補給，幫助學生建立理性的問題解決框架，了解完整的認知內(nèi)容及原理。通過這樣的設計，學生明晰了學習任務的行進方式，有目的地進行自我學習過程的推進。因為懂得，所以準確，在教學實踐中，此設計不但收到了良好的達成率，而且學生能夠積極地尋求下一輪學習的開展。

2.基準設計：區(qū)塊鏈設計——從單一認知到項目組合

區(qū)塊鏈是來自數(shù)學算法的概念，包含分布式數(shù)據(jù)存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法等計算機技術的新型應用模式，落實在教學設計中，借用區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的學習共同體，完成實現(xiàn)不同節(jié)點之間建立信任、獲取權益的問題算法線。

（1）原設計

常規(guī)教學中，《機器人循光》的第二環(huán)節(jié)一般為“設置紅外傳感器參數(shù)”。在已有的案例中，一般會從程序入手，教師講授相關控件的設置方法，演示相關的過程，完成紅外傳感器的設置。教學設計的流程為“提出任務—編寫程序—設置參數(shù)—完成設置”。在教學中經(jīng)常遇到學生應變能力不足的情況。例如，改變機器人工作環(huán)境后學生無法適從，或不同的光照條件下學生無法應對更為復雜的控件模塊；又如，出現(xiàn)機器人活動故障后，部分學生不會修改程序，或修改的程序參數(shù)不正確。

（2）思考焦點

以上問題可以歸因為學生對紅外線模塊程序思考的應變能力不夠，未能掌握編程語言的內(nèi)核，學習停留在程序模仿的階段。此時學生的學習過程是線性的、固化的、單一性的、碎片式的，就學習的性質而言，“演示+模仿”的程序教學中，學生缺乏意義學習的過程，這樣的學習缺乏必要的認知支持系統(tǒng)。

（3）改進型設計

基于計算思維的《機器人循光》的第二部分設計中，教師可采用以下形式組織教學：

小結：教師帶領學生分析前一階段的紅外傳感器工作流程圖。

主題：教師給出本節(jié)課的活動目的→學生分析問題核心。

首次定義：學生繪制問題流程圖→教師指導過程；

第一區(qū)塊：根據(jù)流程圖→定義相關變量→編寫首輪程序模塊；

第二區(qū)塊：根據(jù)改進圖→使用相關變量→修改程序參數(shù)；

第三區(qū)塊：根據(jù)反饋圖→修改相關變量→編譯相關程序；

……

綜合區(qū)塊鏈：完成與實驗環(huán)境相適應的紅外線程序編寫和參數(shù)設置。

經(jīng)過多個區(qū)塊鏈相組合后，學生完成較為完整的控制紅外傳感器的程序編寫，學會了在不同環(huán)境下設置相關程序的方法，并理解了不同環(huán)境下應該如何修改相應的參數(shù)。

教學評析：學生的多項區(qū)塊鏈的組合思考，所形成的是較為完善的學習概念。多項的區(qū)塊鏈的本質是分項目對變量進行定義和修改，讓學生對控件模塊的編程參數(shù)有較為深刻的理解。每一輪的項目就是一個區(qū)塊鏈，多個區(qū)塊鏈綜合在一起，有機整合了學生的邏輯思維過程。在基于計算思維的設計方式中，對于紅外傳感器之類有較強應用型特征的內(nèi)容，可采用區(qū)塊鏈設計的方式，將單一認知的流程改變到學習方陣中進行，保持思維過程的嚴密性。通過教學實踐，筆者發(fā)現(xiàn)學生的深度理解力明顯提升，收到了良好的教學效果。

3.遞歸思維：泛深度學習——從泛在項目到深入解析

遞歸是一種在程序設計中常用的編程技巧，程序調(diào)用自身的編程技巧稱為遞歸。遞歸思維作為一種典型的計算思維算法，在程序設計語言中廣泛應用。在基于遞歸算法思維的機器人模塊中，通常會把一個大型復雜的機器人實踐問題，層層轉化為一個與原問題相似的規(guī)模較小的問題來求解。具體而言，遞歸思維借助問題分解，從泛在內(nèi)容中提取清晰的結構組件，以達到深入解析問題的目的。

（1）原設計

本課的第三個教學環(huán)節(jié)為“用紅外傳感器控制機器人運動”。常規(guī)設計中，一般是教師在前一階段講述了程序的設置方式，這部分讓學生進行具體的實踐，編寫機器人循光的程序：如果前方有光源，機器人前進；如果前方?jīng)]有光源，機器人停止運動；如果光源的光照度不夠，機器人后退。在授課中，此部分的教學效果不盡如人意，相當數(shù)量的學生不知所措、無法完成程序的搭建，或者不會根據(jù)機器人實際出現(xiàn)的情況修改自己的程序。

（2）思考焦點

學生之所以出現(xiàn)問題，與其前期的程序基礎薄弱有關，學生模仿程序后，不能靈活地進行深入的實踐。從表象來看，這部分內(nèi)容屬于實踐性的環(huán)節(jié)；從認知角度分析，此環(huán)節(jié)屬于理性思維與感性經(jīng)驗的跨越階段，學生的自我構建需要教師的助力。合理的設計中，應發(fā)揮教師的主觀能動性，為學生創(chuàng)設必要的活動內(nèi)容，以保證其能夠合理地進行實驗活動。

（3）改進型設計

基于遞歸思維的設計中，“用紅外傳感器控制機器人運動”的過程可通過分解問題的形式推進，將大問題化整為零，分步突破。

教師提供四條具體的問題推進路線，學生根據(jù)以上思路，分步驟完成相應的小任務，最終實現(xiàn)活動目的。

問題1：解析環(huán)境的類型：○無光、○有弱光、○有強光

問題2：傳感器檢測分類：○停止運動 ○后退運動 ○前進運動

問題3：程序解碼的方式：○模塊參數(shù)設置 ○源代碼修改 ○依據(jù)環(huán)境重新定義

問題4：平臺與機器的連接：○直連式 ○編譯式 ○二次編碼式

綜合問題：用紅外傳感器控制機器人的多種運動形式

教學評析：以上案例包括三次遞歸過程，包括解決問題的邊界條件、遞歸前進段和遞歸返回段。當邊界條件不滿足時，遞歸前進；當邊界條件滿足時，遞歸返回。在此過程中，學生的活動是細化的、泛化的、可掌控的。學生只需遵循相應的學習主線，就可描述出解題過程所需要的多次重復計算，大大地減少了程序的代碼量?；谶f歸思維的機器人模塊的設計妙處在于，用有限的語句來定義對象的無限集合。在教學實踐中，基于遞歸思維的教學設計中，學生創(chuàng)作了大量豐富多彩的作品，讓該課內(nèi)容獲得了較好的教學效果。

總結與展望

在機器人模塊中踐行計算思維的設計方法，具有鮮明的學科特征，能夠將較為抽象的程序編寫過程落實在具象化的活動載體中，并能夠為教學過程提供實際的學習支持。在使用計算思維來進行機器人模塊的教學設計時，要注意以下問題：

首先，有的放矢。在機器人模塊中篩選適宜的內(nèi)容進行設計。并非所有的教學內(nèi)容都適宜使用計算思維的方式組織教學。教學內(nèi)容中含有明顯的硬件、軟件結合的，符合計算思維的特征，可進行適宜的嘗試。某些過于復雜的活動內(nèi)容，則無法進行過于準確的迭代思維或無法進行完全的計算思維，需要教師進行具體的分析。

其次，有名乃大。注重主題性，圍繞確定的項目進行思考。主題的篩選尤為重要，教師要選擇符合兒童認知習慣和認知經(jīng)驗的主題進行活動組織，避免過于生僻的主題內(nèi)容。

最后，有張有弛。教學形式多樣，擴展學生的多樣性學習空間。在實施過程中，教師要注重獲取多維度的教學支持，如課外的資源獲取、移動學習空間的利用等，滿足學生的求知欲。