基于機(jī)器人社團(tuán)的高中生計(jì)算思維培育策略

劉付燕

摘 要：文章在剖析計(jì)算思維內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，指出在高中機(jī)器人社團(tuán)體驗(yàn)、探索和創(chuàng)造中培養(yǎng)計(jì)算思維具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，并在實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了計(jì)算思維的培養(yǎng)策略：在項(xiàng)目學(xué)習(xí)中培養(yǎng)計(jì)算思維、在實(shí)現(xiàn)“人機(jī)對(duì)話”中提升計(jì)算思維、在“方案優(yōu)化”中培育計(jì)算思維。

關(guān)鍵詞：高中生;機(jī)器人社團(tuán);計(jì)算思維

中圖分類號(hào)：G633.67????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A???? 文章編號(hào)：1992-7711（2020）21-057-1

2018年1月頒布的《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》中指出：計(jì)算思維作為信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的核心要素之一是指?jìng)€(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問(wèn)題解決方案的過(guò)程中產(chǎn)生的一系列思維活動(dòng)。華東師范大學(xué)任友群等人認(rèn)為，計(jì)算思維是一種運(yùn)用計(jì)算概念和工具解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程，也是一種需要系統(tǒng)培養(yǎng)、鍛煉的科學(xué)思維方式，可以將其從方法習(xí)得、工具應(yīng)用、思維遷移三個(gè)層面與中小學(xué)信息技術(shù)課程融合并落實(shí)。[1]計(jì)算思維作為一種高階思維方式，其思想基礎(chǔ)是數(shù)學(xué)思維和工程思維，是一種求解問(wèn)題的有效工具。計(jì)算思維的本質(zhì)是問(wèn)題解決過(guò)程，是信息技術(shù)課程的內(nèi)在價(jià)值追求。

一、機(jī)器人社團(tuán)：體驗(yàn)、探索和創(chuàng)造式學(xué)習(xí)

目前很多小學(xué)和初中都開(kāi)設(shè)了創(chuàng)客、機(jī)器人、編程等課程，因此在高中傳統(tǒng)的信息技術(shù)興趣小組已經(jīng)不能完全滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，比如，有些學(xué)生在小學(xué)、初中就對(duì)編程有了一定的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)、有些學(xué)生參加過(guò)國(guó)家、省級(jí)、市級(jí)的機(jī)器人比賽并取得了不錯(cuò)的成績(jī)。由此可見(jiàn)，在高中成立機(jī)器人社團(tuán)是非常必要的。機(jī)器人社團(tuán)的成立一方面可以滿足具有科技特長(zhǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求;另一方面也為學(xué)生創(chuàng)新能力的螺旋上升提供的平臺(tái)和機(jī)會(huì)。

在機(jī)器人的學(xué)習(xí)過(guò)程中，需要學(xué)生面向任務(wù)（解決問(wèn)題）完成基礎(chǔ)搭建、結(jié)構(gòu)改進(jìn)、算法設(shè)計(jì)、程序編寫(xiě)、程序調(diào)試、程序改進(jìn)等一系列的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中學(xué)生要主動(dòng)分析問(wèn)題、設(shè)計(jì)優(yōu)化方案、算法實(shí)現(xiàn)與程序調(diào)試、有效地增強(qiáng)學(xué)生的利用信息技術(shù)解決問(wèn)題的能力以及創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)造力以和自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。

二、做中學(xué)：機(jī)器人社團(tuán)培養(yǎng)計(jì)算思維的途徑

計(jì)算思維的核心是設(shè)計(jì)問(wèn)題解決的算法或方案，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的關(guān)鍵在于引導(dǎo)學(xué)生思考工具背后的算法。在機(jī)器人教學(xué)中，利用程序控制機(jī)器人完成指定任務(wù)，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的計(jì)算思維，而且讓學(xué)生充分體驗(yàn)和實(shí)踐了問(wèn)題抽象、算法設(shè)計(jì)、程序?qū)崿F(xiàn)和程序調(diào)試、算法優(yōu)化等過(guò)程。

1.在項(xiàng)目學(xué)習(xí)中培養(yǎng)計(jì)算思維

機(jī)器人的學(xué)習(xí)涉及到了科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程和技術(shù)等多學(xué)科的內(nèi)容，需要同學(xué)之間協(xié)作學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)過(guò)程中要建立組內(nèi)異質(zhì)、組間同質(zhì)的學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)。因此在機(jī)器人社團(tuán)的學(xué)習(xí)中多開(kāi)展基于真實(shí)問(wèn)題情境的學(xué)習(xí)，并讓學(xué)生采用項(xiàng)目學(xué)習(xí)法。項(xiàng)目學(xué)習(xí)很大程度上還原了學(xué)習(xí)的本質(zhì)，這種具有真實(shí)情境的學(xué)習(xí)能促進(jìn)學(xué)生對(duì)信息問(wèn)題的敏感性、對(duì)自己學(xué)習(xí)的掌控力、對(duì)問(wèn)題求解的思考力的發(fā)展。

比如，在2019年賽季的機(jī)器人比賽中學(xué)生采用項(xiàng)目學(xué)習(xí)的形式來(lái)進(jìn)行，首先學(xué)生根據(jù)學(xué)校購(gòu)買(mǎi)設(shè)備選擇參賽項(xiàng)目，確定項(xiàng)目主題：VEX機(jī)器人工程挑戰(zhàn)賽——“反敗為勝”主題，接下來(lái)指導(dǎo)教師要帶領(lǐng)學(xué)生認(rèn)真研讀比賽規(guī)則，設(shè)計(jì)項(xiàng)目方案，完成項(xiàng)目規(guī)劃，開(kāi)展方案交流，實(shí)施項(xiàng)目探究活動(dòng)（機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)、機(jī)器人的基礎(chǔ)搭建、機(jī)器人結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和程序控制、程序調(diào)試，機(jī)器人設(shè)備的操控等）。學(xué)生通過(guò)選擇競(jìng)賽主題、設(shè)計(jì)方案、實(shí)踐探索，并尋求最優(yōu)方案，完成比賽的過(guò)程就是典型的項(xiàng)目學(xué)習(xí)過(guò)程。在項(xiàng)目學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生抽象提取問(wèn)題、設(shè)計(jì)問(wèn)題解決方案（算法）、程序?qū)崿F(xiàn)、調(diào)試改進(jìn)、優(yōu)化方案的能力都得到有效提升，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維水平的發(fā)展。

2.在實(shí)現(xiàn)“人機(jī)對(duì)話”中提升計(jì)算思維

機(jī)器人搭建好了，那么如何實(shí)現(xiàn)“人機(jī)對(duì)話”是關(guān)鍵，即如何讓機(jī)器人按照我們的意圖來(lái)運(yùn)動(dòng)，這也是提升學(xué)生計(jì)算思維的絕佳時(shí)機(jī)。盡管程序教學(xué)在提升學(xué)生計(jì)算思維水平方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但是傳統(tǒng)的程序教學(xué)比較枯燥，難以持久地維持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而機(jī)器人具有很強(qiáng)的可操作性，學(xué)生拼搭完機(jī)器人就特別想展示一下拼搭成果，這就需要讓機(jī)器能夠動(dòng)起來(lái)完成指定任務(wù)，這也就很自然地過(guò)渡到了程序控制，即算法設(shè)計(jì)、程序編寫(xiě)和調(diào)試。一旦學(xué)生有了學(xué)習(xí)需求和明確的任務(wù)，學(xué)習(xí)過(guò)程就會(huì)順暢而高效。

教師在帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)“人機(jī)對(duì)話”時(shí)可以采用如下方法：教師要帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人主控識(shí)別的編程語(yǔ)言、熟悉語(yǔ)言環(huán)境、機(jī)器人和程序的鏈接方式等。在程序?qū)W習(xí)之初，教師可以先為學(xué)生提供程序的框架，引導(dǎo)學(xué)生去讀懂程序，在讀懂程序的基礎(chǔ)上讓學(xué)生去修改程序、調(diào)試程序，等學(xué)生能夠讀懂且調(diào)試程序之后，教師就可以放手讓學(xué)生自己去動(dòng)手編程，盡力發(fā)揮創(chuàng)意。

3.在“方案優(yōu)化”中培育計(jì)算思維

“以賽促教，以賽促學(xué)”是每一個(gè)競(jìng)技類教學(xué)項(xiàng)目的運(yùn)作策略之一。高中生富于挑戰(zhàn)性，在機(jī)器人社團(tuán)學(xué)習(xí)中，日常的學(xué)習(xí)固然重要，但是比賽對(duì)于學(xué)生的學(xué)習(xí)具有質(zhì)的促進(jìn)。由于每年的VEX機(jī)器人大賽都會(huì)有不同的主題以及相應(yīng)的比賽規(guī)則，因此每年的比賽對(duì)于參賽者而言都是新的挑戰(zhàn)，有助于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力。

實(shí)踐證明，高中生對(duì)具有挑戰(zhàn)性的項(xiàng)目尤其感興趣，學(xué)生為了在比賽中取得理想的成績(jī)，就會(huì)對(duì)機(jī)器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行不斷的優(yōu)化，在不斷的模擬比賽中操控機(jī)器人完成指定任務(wù)，在操控中不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，不斷嘗試新方案，改進(jìn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，修改程序控制和機(jī)器人操控的訓(xùn)練，這個(gè)過(guò)程是循序漸進(jìn)，螺旋上升的，最終讓學(xué)生和機(jī)器在最優(yōu)狀態(tài)下去參賽。不斷設(shè)計(jì)新方案、設(shè)計(jì)算法、編寫(xiě)程序的過(guò)程也是學(xué)生計(jì)算思維不斷提升的過(guò)程。

[參考文獻(xiàn)]

[1]任友群，隋豐蔚，李鋒.數(shù)字土著何以可能？——也談?dòng)?jì)算思維進(jìn)入中小學(xué)信息技術(shù)教育的必要性和可能性[J].中國(guó)電化教育，2016（01）.

（作者單位：南京市秦淮中學(xué)，江蘇 南京210000）