學(xué)生計算思維能力的培養(yǎng)實踐

計算思維作為信息科技課要培養(yǎng)的核心素養(yǎng)之一，是用科學(xué)的基本理念對問題進行求解，系統(tǒng)設(shè)計以及理解人類行為，是一種解決問題的思考方式，強調(diào)通過邏輯推理、分析和抽象思維來處理復(fù)雜的情況和數(shù)據(jù)。計算思維將大的問題分解為更小的部分，設(shè)計算法和模型來解決問題。這種以計算機科學(xué)為基礎(chǔ)的設(shè)計方法強調(diào)對問題的系統(tǒng)性和結(jié)構(gòu)性思考，能夠幫助人們更有效地解決各種問題。

本文以“虛擬機器人”教學(xué)為例，深入分析信息科技課程在培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維、問題解決能力等方面的獨特優(yōu)勢，并展示如何通過高效、有價值的教學(xué)活動達成教學(xué)目標。同時反思信息科技課程實施過程中的問題與挑戰(zhàn)，并提出相應(yīng)的解決策略。

一、虛擬機器人平臺和計算思維

虛擬機器人平臺提供了一個仿真的環(huán)境，讓學(xué)生在沒有實體機器人的情況下進行機器人搭建、編程和測試。通過平臺，學(xué)生可以學(xué)習(xí)機器人的基本原理，掌握機器人的控制方法，并在虛擬環(huán)境中進行各種實驗和探索；通過拖拽3D零件的方式，搭建出各種各樣的機器人模型。平臺通過組合圖形化的程序積木塊，降低程序編寫難度，讓學(xué)生掌握基本編程原理后，可以輕松控制機器人在虛擬環(huán)境中做出各種動作和完成各項任務(wù)。教師在課程的實施過程中，用項目式教學(xué)、探究式學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)等多種教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，具體體現(xiàn)在以下幾個方面。

抽象與建模。學(xué)生使用平臺搭建機器人和編程的過程，需要將現(xiàn)實生活中的問題抽象為計算機可理解的模型。這種抽象和建模的過程，是計算思維的核心之一。

算法設(shè)計。程序控制機器人完成任務(wù)，學(xué)生需要設(shè)計合適的算法。算法設(shè)計的過程需要學(xué)生運用邏輯思維和數(shù)學(xué)方法，這也是計算思維的重要組成部分。

問題分解。復(fù)雜的機器人任務(wù)需要被分解為多個子任務(wù)。教師以問題解決為導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生將問題分解為更小的部分，然后逐個解決，讓學(xué)生可以更好地理解和解決問題。這種“分而治之”的策略是計算思維中常用的方法。

迭代與優(yōu)化。在機器人編程和調(diào)試過程中，學(xué)生需要多次修改方可達到最佳的效果。通過反思和優(yōu)化過程，學(xué)生逐漸培養(yǎng)了解決問題的能力，提高了問題解決的效率和準確性。優(yōu)化思想是計算思維最重要的一環(huán)。

綜上所述，虛擬機器人平臺為培養(yǎng)學(xué)生的計算思維提供了有力支持。通過實際操作和體驗，學(xué)生能夠更深刻地認識到計算思維在解決實際問題中的重要性和實用性，進而更好地掌握問題處理和解決的基本方法。

二、課程實施與教學(xué)策略

例如，教師以《智能物流》視頻為切入點，讓學(xué)生了解各類智能小車的應(yīng)用。隨后將視頻中的機器人巡線技術(shù)遷移至虛擬機器人平臺中，學(xué)生的任務(wù)是搭建機器人并編寫程序，使機器人能夠成功走出迷宮。綜合運用課堂講解、提問、實踐操作、小組討論等多種教學(xué)策略提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力。此外，教師可以通過課堂實踐的反饋改進教學(xué)環(huán)節(jié)，促進學(xué)生高效參與教學(xué)活動，達成教學(xué)目標。

1.觀察與引領(lǐng)，歸納與總結(jié)

在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生明確學(xué)習(xí)目標，觀看視頻《智能機器人走迷宮》，圍繞該場景建構(gòu)解決問題的方法：①安裝聲波傳感器，讓機器人感知距離；②設(shè)計算法；③編寫程序，控制機器人根據(jù)傳感信號調(diào)整行進動作。

教師使用教具和板書，再次演示機器人在迷宮中行走的過程。小組討論后，學(xué)生歸納出機器人動作可分解為“前進”“左轉(zhuǎn)90°”“右轉(zhuǎn)90°”三種。接下來，教師要求學(xué)生在任務(wù)單上繪制算法流程圖，設(shè)計算法，通過生動的演示過程，引導(dǎo)學(xué)生逐步從抽象到具體地認識問題，將現(xiàn)實問題抽象出模型，輕松設(shè)計算法。在設(shè)計環(huán)節(jié)中，學(xué)生將通過觀察機器人的活動過程，分析機器人的動作規(guī)律，并以目標為導(dǎo)向的思考方式來解決問題。

2.提問與討論，交流與思考

高質(zhì)量的提問既能幫助學(xué)生建構(gòu)知識體系，又能啟發(fā)學(xué)生深度思考，拓展學(xué)習(xí)的深度和廣度。在演示機器人運動過程中，教師可以向?qū)W生提問：“機器人為什么知道到了拐彎的時刻呢？機器人怎么找到自己的目的地？小組之間討論?！贬槍W(xué)生的回答，不論對錯，教師都應(yīng)給予肯定，同時，積極鼓勵其他學(xué)生補充回答。最后，教師梳理相關(guān)知識點，以此結(jié)束該環(huán)節(jié)。

靈活運用各種類型的問題，引導(dǎo)學(xué)生主動思考和學(xué)習(xí)，不僅是有效檢測學(xué)生學(xué)習(xí)效果的手段，也是促進學(xué)生之間交流的重要途徑，是提高教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。提問可以包括開放性問題和封閉性問題，通過不同的提問技巧，如追問、比較、歸納、引導(dǎo)等，來促進學(xué)生思考。在問題回答過程中，教師可以組織學(xué)生分組討論，促進他們拓展思維和交流。對學(xué)生的回答進行正向反饋和引導(dǎo)，有助于幫助他們梳理知識，提高思維能力。

3.活動與匯報，反思與優(yōu)化

在活動中，學(xué)生被要求在規(guī)定時間內(nèi)搭建和測試自己的機器人。教師鼓勵學(xué)生以小組的形式進行討論和交流，以提高任務(wù)完成效率。例如，一些小組發(fā)現(xiàn)部分程序代碼被重復(fù)使用，從而會通過復(fù)制粘貼來加快編碼速度。因此，教師在表揚學(xué)生的同時，還可以向他們介紹新概念“自定義函數(shù)”，進一步優(yōu)化他們的代碼。

再如，空調(diào)遙控器上有“制冷”和“取暖”兩個按鈕，當(dāng)需要調(diào)節(jié)溫度時，只需按下相應(yīng)按鈕，而無需關(guān)注空調(diào)內(nèi)部的運作原理。類似地，機器人在走出迷宮的過程中只需要使用“前進”“左轉(zhuǎn)90°”“右轉(zhuǎn)90°”和“感知離墻太近”這四個模塊，將它們想象成空調(diào)按鈕，需要時按下即可。教師接著演示如何以類似“自定義函數(shù)”的方式定義和調(diào)用這四個模塊。學(xué)生通過體驗自定義函數(shù)在程序編寫中的優(yōu)勢，激發(fā)了求知欲和創(chuàng)作意愿，通過知識遷移，改進程序，以控制機器人在迷宮中“吃星星”。在優(yōu)化過程中，學(xué)生需要進行邏輯推理和思考，找出最優(yōu)解決方案；需要深入理解算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，找出效率更高的實現(xiàn)方式；需要關(guān)注代碼的細節(jié)和執(zhí)行效率，提高編程質(zhì)量；需要尋找更好的解決方案，激發(fā)創(chuàng)造力和創(chuàng)新意識；需要綜合考慮代碼性能、可讀性、可維護性等方面。這一環(huán)節(jié)通過設(shè)置任務(wù)的形式促使學(xué)生反思，培養(yǎng)學(xué)生的優(yōu)化意識，激發(fā)其學(xué)習(xí)熱情。

三、教學(xué)反思

該課程在提升學(xué)生信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)方面表現(xiàn)出顯著的成效。該課程摒棄了復(fù)雜的語法和昂貴的機器人設(shè)備，讓學(xué)生在3D環(huán)境中搭建虛擬機器人，通過編程實現(xiàn)機器人的動作控制，同時利用圖形化操作界面進行交互式學(xué)習(xí)。這種實踐性教學(xué)模式有助于學(xué)生理解抽象概念，培養(yǎng)邏輯思維和創(chuàng)造力，提升計算思維水平。虛擬機器人是使用鼠標拖拽的方式搭建的，雖然解決了人工智能活動課的資金問題，但是非常耗時。未來的課程優(yōu)化方向包括提高課堂效率、解決課程局限性。在開發(fā)新課例時，教師應(yīng)緊密貼合初中生的信息水平，同時關(guān)注新技術(shù)和理論的融合，這也是未來需要深入探討的問題。

（作者單位：江蘇省南京市第二十七初級中學(xué)）