徐士杰

【摘要】小學(xué)機(jī)器人教學(xué)中面臨著優(yōu)質(zhì)師資缺乏、學(xué)生參與度低及存在明顯的學(xué)習(xí)差異性等問題，這些“痛點(diǎn)”問題需要引起一線信息技術(shù)教師的重視。文章針對(duì)小學(xué)機(jī)器人教學(xué)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于計(jì)算思維培養(yǎng)的微課程，運(yùn)用微課程進(jìn)行課內(nèi)翻轉(zhuǎn)教學(xué)，讓學(xué)生從“旁觀者”變成“參與者”，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】微課程;機(jī)器人教學(xué);計(jì)算思維;課內(nèi)翻轉(zhuǎn)

一、問題提出

在小學(xué)機(jī)器人教學(xué)中，師生的“痛點(diǎn)”在哪里？從教師層面看，目前普遍存在優(yōu)質(zhì)機(jī)器人師資短缺，缺少對(duì)小學(xué)機(jī)器人教育教學(xué)的深入研究，教師在機(jī)器人教學(xué)中照本宣科，學(xué)生參與度低，學(xué)科核心素養(yǎng)更是難以培養(yǎng);從學(xué)生層面看，學(xué)生之間存在明顯的學(xué)習(xí)差異性，極少部分有條件或家長(zhǎng)重視的學(xué)生在社會(huì)教育機(jī)構(gòu)中有過機(jī)器人學(xué)習(xí)經(jīng)歷，而其他大部分學(xué)生變成了課堂的“旁觀者”。

義務(wù)教育階段信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)包括信息意識(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會(huì)責(zé)任等方面[1]。因此，信息技術(shù)教學(xué)要從關(guān)注知識(shí)和技能教育轉(zhuǎn)變到關(guān)注培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，其中重點(diǎn)之一便是計(jì)算思維的培養(yǎng)。

針對(duì)上述師生的“痛點(diǎn)”，如何在機(jī)器人教學(xué)中讓師生從“旁觀者”變成“參與者”，是每一位信息技術(shù)教師需要解決的問題。

微課具有主題突出、短小精悍、資源類型多樣、交互性強(qiáng)、使用方便、應(yīng)用情景真實(shí)、半結(jié)構(gòu)化、動(dòng)態(tài)生成等特點(diǎn)[2]。在小學(xué)機(jī)器人教學(xué)中，教師可以設(shè)計(jì)基于計(jì)算思維培養(yǎng)的微課程來解決當(dāng)前小學(xué)機(jī)器人教學(xué)中的“痛點(diǎn)”問題。那如何設(shè)計(jì)制作這樣的微課程呢？微課程如何在機(jī)器人教學(xué)中應(yīng)用呢？本文把微課程引入到小學(xué)機(jī)器人教學(xué)中，基于微課程教學(xué)研究不斷優(yōu)化教學(xué)流程，改進(jìn)教學(xué)策略，達(dá)成培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的目標(biāo)。

二、小學(xué)機(jī)器人教學(xué)分析及特點(diǎn)

在小學(xué)機(jī)器人教學(xué)中，教師通過機(jī)器人教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)系列化、生活化及包含豐富科學(xué)創(chuàng)造知識(shí)的項(xiàng)目，強(qiáng)調(diào)在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中解決實(shí)際問題與完成任務(wù)，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和創(chuàng)新精神。小學(xué)機(jī)器人教學(xué)既有信息技術(shù)學(xué)科教學(xué)的共性，即關(guān)注學(xué)生的實(shí)踐操作，注重學(xué)科操作技能學(xué)習(xí)，也有其自身的特點(diǎn)，在解決問題時(shí)要考慮硬件搭建與軟件編程之間的配合，在其間尋找最佳平衡與搭配。

三、小學(xué)機(jī)器人教學(xué)微課程的設(shè)計(jì)

小學(xué)機(jī)器人教學(xué)的對(duì)象是高年級(jí)學(xué)生，他們正在從具象思維過渡到抽象思維，已經(jīng)具備了初步的抽象概括能力，可以按照“抽象→分解→解決”的過程處理問題。

計(jì)算思維關(guān)注問題解決過程，Angeli、Fluck等人提出了小學(xué)生的計(jì)算思維培養(yǎng)包含抽象、問題分解、算法、調(diào)試、遷移等五種思維要素。因此，教師可以在小學(xué)機(jī)器人微課程設(shè)計(jì)中關(guān)注上述五種思維要素的培養(yǎng)，在設(shè)計(jì)中融合一種或多種要素，在問題解決過程中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。

（一）抽象思維的微課設(shè)計(jì)

計(jì)算思維的抽象能力是指在對(duì)待具體的問題時(shí)，逐漸簡(jiǎn)化問題，抽象模型，解決問題。小學(xué)機(jī)器人教學(xué)，以項(xiàng)目化學(xué)習(xí)為主線，教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容提出驅(qū)動(dòng)性問題，學(xué)生根據(jù)問題設(shè)計(jì)機(jī)器人來完成相應(yīng)的項(xiàng)目。在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)過程中，教師要借助抽象思維引導(dǎo)學(xué)生抽象出機(jī)器人的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)模型。

如“機(jī)器人機(jī)械手”微課中，教師首先提出本課的任務(wù)：設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械手臂，這個(gè)手臂可以抬起和放下，并具有自動(dòng)識(shí)別前方物體并將其搬走的功能。這節(jié)微課主要是引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)設(shè)計(jì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)，運(yùn)用計(jì)算思維中的抽象思維抽象出機(jī)器人的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)：可以抬起和放下的機(jī)械手臂、連接手臂可以打開和閉合的夾具、紅外傳感器、控制器。本節(jié)微課可以培養(yǎng)學(xué)生的抽象能力。

（二）問題分解思維的微課設(shè)計(jì)

問題分解是把復(fù)雜的計(jì)算機(jī)問題進(jìn)行有效分解的思維方式。問題分解的思路是將一個(gè)復(fù)雜的問題分解成一系列可以解決的簡(jiǎn)單問題。問題分解一般是在抽象后進(jìn)行，從而避免細(xì)節(jié)對(duì)問題分解的干擾，以免造成問題復(fù)雜度增加。

學(xué)生在抽象出機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)后，就可以將一個(gè)復(fù)雜的問題進(jìn)行分解，分解出能夠解決的子問題，然后再將這些子問題的解決方案整合起來，從而形成復(fù)雜問題的解決方案。問題分解必須遵循具體問題具體分析的原則，這正是培養(yǎng)問題分解能力的關(guān)鍵。

如“掃地機(jī)器人”微課中，學(xué)生已經(jīng)抽象出了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)為清掃機(jī)構(gòu)，那么如何搭建清掃機(jī)構(gòu)？教師在微課中逐步引導(dǎo)學(xué)生將清掃機(jī)構(gòu)分解為舵機(jī)和插在舵機(jī)上的模擬掃帚的積木件以及連接它們的梁、銷等積木件，在微課中逐步分解機(jī)器人結(jié)構(gòu)，從而逐漸簡(jiǎn)化問題，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生分解思維的目標(biāo)。

（三）算法思維的微課設(shè)計(jì)

算法是一套有序指令的集合，能夠在有限時(shí)間內(nèi)按指令序列解決問題。計(jì)算思維中算法思維就是利用一系列有序指令準(zhǔn)確且完整地描述解決方案。

機(jī)器人編程環(huán)節(jié)中，流程圖可以讓學(xué)生的算法圖形化，思維可視化。在編程正式開始前，教師引導(dǎo)學(xué)生繪制流程圖，引導(dǎo)學(xué)生通過定義一系列有序、明確的步驟，根據(jù)設(shè)計(jì)的步驟編寫程序解決問題，從而讓學(xué)生逐漸明白算法的含義，逐漸形成算法思想。

如“機(jī)器人循光”微課，在學(xué)生初步認(rèn)識(shí)了流程圖各種符號(hào)含義的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)他們根據(jù)循光的過程繪制流程圖。通過流程圖學(xué)生能夠直觀地明確機(jī)器人循光的具體步驟，將頭腦里面的思維進(jìn)行可視化的表達(dá)。學(xué)生能夠依據(jù)流程圖厘清機(jī)器人循光需要完成的一系列有序的動(dòng)作，再將自己的想法編寫成出一系列有序的指令完成循光的任務(wù)。

（四）調(diào)試思維的微課設(shè)計(jì)

計(jì)算思維中的調(diào)試是指發(fā)現(xiàn)程序指令與執(zhí)行動(dòng)作不一致時(shí)能夠分析錯(cuò)誤原因，提出解決方案并完成修復(fù)錯(cuò)誤的過程。一件完整的作品都是從不完善開始的，期間經(jīng)歷多次反復(fù)修改、調(diào)試才能完成，這個(gè)過程正是計(jì)算思維中調(diào)試思想的體現(xiàn)。

在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中，教師可以設(shè)計(jì)針對(duì)不同項(xiàng)目在調(diào)試中易發(fā)問題進(jìn)行復(fù)現(xiàn)、分析、修復(fù)的微課，在微課中運(yùn)用技術(shù)手段，通過慢動(dòng)作、多角度等方式復(fù)現(xiàn)錯(cuò)誤，引導(dǎo)學(xué)生觀看微課，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，分析成因，修復(fù)錯(cuò)誤，從而完成該項(xiàng)目機(jī)器人。

如“機(jī)器人沿線走”一課，微課播放機(jī)器人與黑線五種位置關(guān)系的動(dòng)畫，讓學(xué)生直觀感受到機(jī)器人沿線行走的過程。接下來，微課重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生觀察左右兩個(gè)灰度傳感器與黑線的位置關(guān)系，從而決定左右兩側(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。這兩段如果在教室進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)講解，由于場(chǎng)地及人數(shù)的原因，學(xué)生不易觀察。沿線走程序編寫完成后，學(xué)生進(jìn)行調(diào)試，部分學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)機(jī)器人沿線剛開始走時(shí)就會(huì)偏離到線外。針對(duì)這種情況，微課播放機(jī)器人沿線走的慢動(dòng)作，引導(dǎo)學(xué)生同步對(duì)照代碼分析問題，修改代碼完成沿線走任務(wù)。

四、微課程在小學(xué)機(jī)器人教學(xué)中的應(yīng)用

小學(xué)生求知欲望強(qiáng)烈，并且愿意主動(dòng)探究，但自主學(xué)習(xí)能力和自我控制能力偏弱。信息技術(shù)課一周一課時(shí)，小學(xué)機(jī)器人教學(xué)圍繞項(xiàng)目開展，在項(xiàng)目進(jìn)行的每個(gè)階段都可以應(yīng)用微課來呈現(xiàn)。機(jī)器人教學(xué)應(yīng)當(dāng)滿足每個(gè)學(xué)生個(gè)性化的學(xué)習(xí)需求。因此，基于微課程進(jìn)行課內(nèi)翻轉(zhuǎn)教學(xué)非常適用于小學(xué)機(jī)器人教學(xué)。

（一）項(xiàng)目學(xué)習(xí)單引領(lǐng)，制作各階段微課

教師在課前設(shè)計(jì)“項(xiàng)目學(xué)習(xí)單”，提出學(xué)生感興趣、真實(shí)的驅(qū)動(dòng)性問題，采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)和問題導(dǎo)向的方式引導(dǎo)學(xué)生理清本課項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的目標(biāo)，明確項(xiàng)目任務(wù)、項(xiàng)目成果。再根據(jù)學(xué)生完成項(xiàng)目所要用到的新知識(shí)，針對(duì)機(jī)器人搭建、程序編寫、調(diào)試完善等內(nèi)容分別錄制微課視頻，并在微課中有效滲透計(jì)算思維培養(yǎng)。

（二）學(xué)生自主學(xué)習(xí)，記錄心得和困惑

學(xué)生借助“項(xiàng)目學(xué)習(xí)單”自主觀看微課視頻，在自主學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，小組成員合理分工，發(fā)揮不同成員的特長(zhǎng)，對(duì)項(xiàng)目任務(wù)進(jìn)行分解，達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、彰顯個(gè)性、效率最佳的目的。小組成員在嘗試完成項(xiàng)目任務(wù)的過程中將心得和困惑記錄在“項(xiàng)目學(xué)習(xí)單”上，教師在這個(gè)過程中發(fā)揮組織、激勵(lì)和指導(dǎo)的作用。

在這個(gè)階段，微課程的作用也得到顯現(xiàn)。學(xué)生會(huì)碰到各式各樣的問題，教師難以對(duì)一個(gè)班級(jí)幾十名學(xué)生指導(dǎo)到位，學(xué)生遇到問題時(shí)可以觀看微課尋找解決問題的方案，可以根據(jù)不同的需求反復(fù)播放，還可以快進(jìn)、慢放等等。

（三）小組展示成果，反饋收獲和問題

小組展示項(xiàng)目化學(xué)習(xí)成果，對(duì)項(xiàng)目機(jī)器人進(jìn)行說明和演示，分享自己在完成項(xiàng)目機(jī)器人過程中的心得體會(huì)，并提出組內(nèi)不能解決的疑難問題。小組展示成果后，將不能解決的問題集中到一起進(jìn)行解決，學(xué)生不能解決的，則由教師在課堂上解決，或補(bǔ)充解決問題需要的知識(shí)并錄制成微課，讓學(xué)生課后解決。展示成果結(jié)束后，對(duì)每個(gè)小組的項(xiàng)目作品進(jìn)行評(píng)價(jià)，項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的評(píng)價(jià)不僅要評(píng)價(jià)結(jié)果，而且要對(duì)學(xué)習(xí)過程進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)在項(xiàng)目正式開啟前確定，并且進(jìn)行量化，讓學(xué)生在項(xiàng)目開展過程中目標(biāo)明確，對(duì)要完成的項(xiàng)目任務(wù)有明晰的要求。

（四）適度拓展延伸，提升能力和思維

根據(jù)學(xué)生當(dāng)堂課學(xué)習(xí)實(shí)際情況，教師對(duì)項(xiàng)目機(jī)器人任務(wù)進(jìn)行適度拓展，學(xué)生根據(jù)“項(xiàng)目學(xué)習(xí)單”拓展任務(wù)并進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)、優(yōu)化，在這個(gè)過程中鞏固和深化本課所學(xué)知識(shí)。最后，師生進(jìn)行反思總結(jié)，歸納知識(shí)，梳理方法，提升綜合能力和思維品質(zhì)。

五、結(jié)語(yǔ)

在小學(xué)機(jī)器人教學(xué)中，基于微課程解決“痛點(diǎn)”問題，引導(dǎo)學(xué)生從“旁觀者”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皡⑴c者”。微課程既是學(xué)生學(xué)習(xí)的支架，又是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的載體，在基于微課程的課內(nèi)翻轉(zhuǎn)教學(xué)中有效培養(yǎng)了學(xué)生的計(jì)算思維。

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