“童趣AI編程”教學(xué)中機(jī)器人軟件的作用

文 /楊明曄

引 言

最近幾年，機(jī)器人軟件市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)持續(xù)增加。機(jī)器人軟件與實(shí)體機(jī)器人編程平臺(tái)最大的區(qū)別在于機(jī)器人軟件增加了虛擬的機(jī)器人場(chǎng)景和行動(dòng)功能展示區(qū)域，讓人可以在軟件上形象地觀察機(jī)器人程序的運(yùn)行結(jié)果?！巴I編程”教學(xué)可以讓小學(xué)生通過對(duì)編程技術(shù)的學(xué)習(xí)，學(xué)會(huì)運(yùn)用編程的思維分析和解決實(shí)際問題。

一、機(jī)器人軟件有利于激發(fā)小學(xué)生對(duì)編程的學(xué)習(xí)興趣

小學(xué)生以形象思維為主，對(duì)于編程技術(shù)這種極具抽象性的內(nèi)容，在認(rèn)知上往往具有一定的困難。因此，集枯燥、乏味、抽象、復(fù)雜于一體的編程技術(shù)，會(huì)使小學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)課程的學(xué)習(xí)興趣直線下降。探索多學(xué)科教學(xué)融合，能讓學(xué)生以多學(xué)科、多視角、多維度的方式認(rèn)識(shí)世界并改造世界?，F(xiàn)代機(jī)器人軟件打破了傳統(tǒng)的編程字母、符號(hào)的限制，運(yùn)用圖形、流程圖等通過仿真功能直觀地將程序的運(yùn)行效果呈現(xiàn)給小學(xué)生，降低了學(xué)生學(xué)習(xí)難度[1]。這一教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)融入了AI特色，體現(xiàn)了“童趣AI編程”教學(xué)的理念。此外，機(jī)器人軟件在趣味性上有很大的優(yōu)勢(shì)，軟件的主題設(shè)計(jì)均源于生活，如“虛擬校車”“虛擬火炬?zhèn)鬟f”等都體現(xiàn)了生活性的特征。所以，機(jī)器人軟件可以有效地避開以往的編程語(yǔ)言的枯燥和煩瑣，更契合小學(xué)生的邏輯思維，有利于培養(yǎng)小學(xué)生對(duì)信息技術(shù)和編程技術(shù)的興趣。

二、機(jī)器人軟件可以培養(yǎng)小學(xué)生的人機(jī)交互和邏輯思維

對(duì)于小學(xué)階段的學(xué)生來說，編程技術(shù)教學(xué)的重心應(yīng)放在編程的基礎(chǔ)知識(shí)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上，注重計(jì)算機(jī)算法的教學(xué)，重點(diǎn)培養(yǎng)小學(xué)生利用計(jì)算機(jī)算法來分析問題、解決問題的能力。機(jī)器人軟件實(shí)際編程教學(xué)有了機(jī)器人軟件的加持，可以取得良好的效果。機(jī)器人軟件可以根據(jù)小學(xué)生編寫出的程序在系統(tǒng)中及時(shí)地做出回應(yīng)，小學(xué)生也可以根據(jù)系統(tǒng)的回應(yīng)做出相應(yīng)的修改，直至程序達(dá)到目標(biāo)的結(jié)果。在這個(gè)編程實(shí)踐過程中，小學(xué)生的思維經(jīng)過了“操作—思考—再操作—再思考”的重復(fù)的人機(jī)交互過程，直至設(shè)計(jì)的程序能夠正確運(yùn)行。機(jī)器人軟件在這個(gè)人機(jī)交互的過程中扮演了一個(gè)重要的角色，能夠引導(dǎo)小學(xué)生理解編程，培養(yǎng)小學(xué)生編程的邏輯思維能力。

在這里舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子：機(jī)器人簡(jiǎn)單巡線。在程序設(shè)計(jì)中，機(jī)器人必須按照引導(dǎo)線行進(jìn)。實(shí)際操作中，學(xué)生需要在兩側(cè)和前面各放置一個(gè)光電傳感器，以光感的光值進(jìn)行判斷，進(jìn)而確定需要執(zhí)行的步驟，達(dá)到按照引導(dǎo)線行進(jìn)的目的。在這一過程中，學(xué)生必須先思考機(jī)器人巡線時(shí)會(huì)出現(xiàn)的可能性，然后利用算法的相關(guān)知識(shí)解決問題，最終以程序設(shè)計(jì)的方式達(dá)到目標(biāo)。

編程的邏輯思維在結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)中可以很好地體現(xiàn)出來。編寫程序的基本結(jié)構(gòu)分為順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)三種。機(jī)器人簡(jiǎn)單巡線的程序編寫運(yùn)用了循環(huán)結(jié)構(gòu)及選擇結(jié)構(gòu)。小學(xué)生必須對(duì)機(jī)器人巡線出現(xiàn)的可能性進(jìn)行細(xì)致、全面的思考，分析出機(jī)器人可能執(zhí)行的操作，然后在掌握設(shè)計(jì)程序的基本結(jié)構(gòu)和編寫方式的基礎(chǔ)上，運(yùn)用編寫程序的基礎(chǔ)知識(shí)完成機(jī)器人簡(jiǎn)單巡線的程序設(shè)計(jì)。所以，小學(xué)生在利用機(jī)器人軟件編程時(shí)會(huì)遷移運(yùn)用設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)、權(quán)衡、討論、修正等多種科學(xué)思維。這也從側(cè)面反映了現(xiàn)代小學(xué)教育已經(jīng)熟練地把科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)和藝術(shù)五個(gè)方面的思想和實(shí)踐引入課程，機(jī)器人軟件應(yīng)用的成功之處顯而易見。機(jī)器人軟件系統(tǒng)中具備的線框類的程序設(shè)計(jì)頁(yè)面可以幫助小學(xué)生鍛煉利用算法和編程邏輯思維分析問題、解決問題的能力。機(jī)器人軟件仿真虛擬的編程環(huán)境可以直觀地呈現(xiàn)出程序執(zhí)行的情況。這也說明了學(xué)校在有意識(shí)地引導(dǎo)小學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，把小學(xué)生放在了一個(gè)主要的位置，全面貫徹現(xiàn)代強(qiáng)調(diào)的學(xué)生為主體的教育理念。

三、機(jī)器人軟件可以鍛煉小學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力

小學(xué)信息技術(shù)在以往教學(xué)中都只進(jìn)行簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)，觸及一些簡(jiǎn)單的操作處理。而現(xiàn)在小學(xué)信息技術(shù)課程融入了編程教學(xué)的部分，且通過對(duì)機(jī)器人軟件的簡(jiǎn)單了解和操作來實(shí)現(xiàn)教學(xué)，這恰恰是課程創(chuàng)新的體現(xiàn)，更有助于培養(yǎng)小學(xué)生的創(chuàng)造性思維。在編程設(shè)計(jì)中，達(dá)到最終結(jié)果的途徑有很多種。教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用創(chuàng)造性思維，發(fā)散性地思考問題，通過不一樣的程序設(shè)計(jì)方式得到結(jié)果?？梢哉f，程序設(shè)計(jì)本身就是一個(gè)創(chuàng)造的過程。

機(jī)器人軟件在設(shè)計(jì)上具備地圖編輯操作項(xiàng)目和虛擬機(jī)器人的編輯項(xiàng)目，因此它在編程的創(chuàng)作上具有一定的開放性，而這樣的開放性也直接說明了機(jī)器人軟件在培養(yǎng)小學(xué)生創(chuàng)新思維方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。比如，在2012年廣州市易時(shí)代3D虛擬機(jī)器人競(jìng)賽中，主辦方發(fā)布了以智能校車接送學(xué)生為主題的比賽項(xiàng)目。規(guī)定校車要在特定的時(shí)間內(nèi)由起點(diǎn)駛往給定的地點(diǎn)接到“小學(xué)生”然后送往學(xué)校，其中的任務(wù)要點(diǎn)為按規(guī)定的路線行駛，躲避行駛途中遇到的障礙物，到達(dá)給定的地點(diǎn)接到“小學(xué)生”，將“小學(xué)生”送往學(xué)校。在進(jìn)行編程教學(xué)時(shí)，教師可以運(yùn)用地圖編輯功能根據(jù)比賽題目要求設(shè)計(jì)模擬出競(jìng)賽的地圖，幫助小學(xué)生練習(xí)。小學(xué)生拿到地圖后，首先要對(duì)地圖進(jìn)行觀察分析，然后思考虛擬機(jī)器人校車怎樣走才能用最短的時(shí)間接到學(xué)生送往學(xué)校，最后確定路線執(zhí)行程序。因?yàn)樘摂M機(jī)器人校車在行駛軌跡上沒有很嚴(yán)格的要求，所以編程過程具有較大的開放性。在實(shí)際的比賽中，一部分小學(xué)生運(yùn)用光電傳感器和超聲波來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，一部分小學(xué)生運(yùn)用指南針和GPS定位系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，還有一部分小學(xué)生靈活地運(yùn)用倒車功能來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，大大提高了工作效率。小學(xué)生在運(yùn)用多種途徑達(dá)到目標(biāo)的過程中，充分運(yùn)用和發(fā)揮機(jī)器人軟件的各項(xiàng)功能，在比賽規(guī)定的限制條件下巧妙地利用了比賽規(guī)則開放性的特點(diǎn)。這也正是小學(xué)生創(chuàng)造性思維的體現(xiàn)。

四、機(jī)器人軟件可以大大提高小學(xué)生的動(dòng)手操作能力

首先，機(jī)器人軟件的運(yùn)用可以大大提高小學(xué)生學(xué)習(xí)編程的興趣。比起以往抽象的字母、符號(hào)形式的編程軟件，小學(xué)生更喜歡使用像機(jī)器人軟件這樣直觀性和形象性比較強(qiáng)的軟件進(jìn)行學(xué)習(xí)和操作。

其次，編程的教學(xué)需要理論課程和實(shí)際操作相結(jié)合，雙管齊下、均衡發(fā)展。編寫軟件、硬件實(shí)操，能讓小學(xué)生更透徹地理解編程。機(jī)器人軟件簡(jiǎn)單化、圖形化及開放性的設(shè)計(jì)更有利于小學(xué)生的理解和操作，也能提升編程教學(xué)實(shí)踐的效率。因此，將機(jī)器人軟件運(yùn)用到小學(xué)編程教學(xué)中，不管在興趣培養(yǎng)上還是在編程實(shí)踐上，都可以有效地提高小學(xué)生的動(dòng)手操作能力。

學(xué)校應(yīng)為小學(xué)生提供多樣化的教學(xué)形式，豐富課堂活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)踐的結(jié)合?，F(xiàn)在已經(jīng)有部分學(xué)校將一半的課程改為實(shí)操教學(xué)，讓小學(xué)生真實(shí)地操作機(jī)器人軟件，并讓學(xué)生在理論課上采取小組合作的學(xué)習(xí)方式進(jìn)行組間競(jìng)賽。還有部分學(xué)校在課程考查中加入了編程實(shí)操，通過讓學(xué)生設(shè)計(jì)指定的程序來進(jìn)行考核。這樣的教學(xué)模式能使學(xué)生在編程項(xiàng)目學(xué)習(xí)過程中實(shí)現(xiàn)信息、科學(xué)、勞技、綜合實(shí)踐活動(dòng)等學(xué)科的整合學(xué)習(xí)。

結(jié) 語(yǔ)

機(jī)器人軟件的功能設(shè)計(jì)與小學(xué)生的認(rèn)知水平和身心發(fā)展特點(diǎn)非常吻合。在“童趣AI編程”教學(xué)中運(yùn)用機(jī)器人軟件對(duì)小學(xué)生學(xué)習(xí)編程的邏輯思維有很大的幫助，可以有效地培養(yǎng)小學(xué)生的創(chuàng)造性思維和動(dòng)手操作能力。