劉朋飛 袁久婕 張婤

摘? ?要：目前，國內STEAM教育理念越來越受到人們的關注，計算思維培養(yǎng)也日趨低齡化。文章結合小學生認知規(guī)律、學習興趣和學習需求，與團隊成員從頂層設計出發(fā)，開展面向小學生計算思維的機器人項目式學習實踐研究，依托多學科知識，發(fā)展小學生計算思維。研究采用項目式學習方式開展教學，以“精準防御抗擊病毒”競賽項目為例，從“進入情景、分析問題”“找出規(guī)律、抽象特征”“建立模型、設計算法”“運行程序、改進優(yōu)化”“總結經驗、遷移應用”等環(huán)節(jié)闡述了其在研究中的具體實施情況，旨在培養(yǎng)小學生運用計算思維界定分析問題、抽象建立問題模型、設計系統(tǒng)解決方案的能力，為發(fā)展小學生的計算思維提供了借鑒和參考。

關鍵詞：STEAM;計算思維;項目式學習;機器人

中圖分類號：G434 文獻標志碼：B 文章編號：1673-8454（2021）14-0026-04

基于STEAM理念，發(fā)展小學生計算思維的機器人項目式學習，是以發(fā)展學生綜合素養(yǎng)和創(chuàng)新能力為宗旨的實踐研究。該研究面向小學中高段學生，打破年齡限制，根據學生能力水平編制初、中、高三個層級的學習內容，將多學科內容進行融合，這種融合并不是單純地將學科知識轉移到機器人課上，而是以機器人為載體，融合多學科知識建構項目式學習活動內容。通過項目式學習活動使學生主動探究、領悟應用這些學科知識，從而提高學生靈活運用各學科知識綜合解決問題的能力，最終達到發(fā)展學生計算思維的目的。

一、研究問題的提出

1.基于學生計算思維素養(yǎng)發(fā)展的思考

機器人教育融合了多學科知識，具有綜合性、實踐性和創(chuàng)新性。相關研究表明，早期機器人教育對學生多元智能的發(fā)展具有至關重要的影響。計算思維的培養(yǎng)是指學生在信息活動中，使用計算機能處理的方式界定問題、抽象特征、建立模型、組織數據，通過判斷分析綜合各種信息，確定合適的算法，形成解決問題的方案，總結計算機解決問題的過程與方法，遷移應用到其他問題情境中[1]。因此基于STEAM理念，以機器人教育為載體，能進一步激發(fā)學生運用計算機知識解決問題，有利于幫助學生發(fā)展綜合運用多學科知識解決問題的能力，從而促進學生計算思維的發(fā)展。

2.基于現行教材機器人教學編排的思考

2020學年，浙江省在小學信息技術教材中增加了人工智能教學內容，機器人是人工智能知識的重要組成部分，推進人工智能教學離不開機器人知識的學習，所以開展機器人教學十分必要。而從內容整體編排來看，機器人教學內容編排靠后，這對于對機器人充滿濃厚興趣的其他年級學生來說，存在一定的影響。除此之外，教材內容多以任務驅動框架編寫，使教師在機器人教學中更多關注程序的編寫調試以及最終任務的完成情況，忽略了學生在機器人設計、搭建、調試過程中綜合運用多學科知識解決問題的綜合素養(yǎng)與能力培養(yǎng)。因此，以項目式學習為活動形式，打破年級限制，基于項目任務，系統(tǒng)構建初級、中級和高級學習內容是發(fā)展學生計算思維的有效途徑。

3.基于國外機器人教育教學現狀的思考

許多國家均比較重視機器人與學科整合的教育。在美國基礎教育中，教師通過機器人課程、主題夏令營、機器人輔助工具來開展教學，培養(yǎng)學生的綜合能力和創(chuàng)新能力。在日本的中小學教學大綱中，明確納入機器人教育相關課程，利用機器人技術優(yōu)化教學，關注學生學習數學、科學和工程技術等知識。在英國，機器人課程早已走進中小學課堂，比較注重通過機器人技術引導學生發(fā)現和了解身邊的數學應用知識。由此可見，多學科與機器人教育整合形式的教育教學價值比較突出。[2][3]

基于以上分析，筆者認為在STEAM理念下，開展機器人項目式學習是發(fā)展小學生計算思維的有效策略和途徑，下一步將從研究整體思路與框架架構的角度出發(fā)闡釋研究所思，并結合機器人“精準防御抗擊病毒”案例，具體介紹團隊的研究收獲。

二、研究思路與架構

1.基于STEAM理念，發(fā)展小學生計算思維的機器人項目式學習實踐研究的定位、理念和研究目標

（1）定位

以培養(yǎng)學生運用計算思維解決問題——如何高效使用機器人精準防御抗擊病毒為切入口，鼓勵學生運用多學科知識，開展實踐研究，綜合解決問題。

（2）理念

以學生為中心，通過項目式教學進行實踐研究，在教師的引導下，學生以問題為基礎，通過小組研討的形式，圍繞問題收集信息、發(fā)現問題、分析問題、解決問題。

（3）目標

通過解決特定問題，激發(fā)學生學習興趣，體驗探究、分析、建模、優(yōu)化、改善策略的研究過程，提高學生的綜合能力和創(chuàng)新意識，從而發(fā)展學生計算思維。

2.基于STEAM理念，發(fā)展小學生計算思維的機器人項目式學習實踐研究的外延和內涵

本研究的外延是基于STEAM理念指向各學科的相關知識，其關系梳理如圖1所示。

本研究的內涵是基于小學生特征、學習支撐條件、項目式學習的方法、計算思維發(fā)展路徑等因素構建的具體研究內容，包括：①分析學生學習特征，確定適合不同層次學生進行機器人探究的學習主題和框架;②分析不同學習主題下的學生興趣點和學習起點;③搜集和設計不同主題下的機器人探究活動內容和活動方式;④形成初、中、高三個不同層次的機器人項目式活動實施方案;⑤實施、修改和完善基于STEAM理念發(fā)展小學生計算思維的機器人項目式學習具體內容;⑥總結提煉發(fā)展小學生計算思維的有效途徑與方法策略。

3.基于STEAM理念，發(fā)展小學生計算思維的機器人項目式學習的實施與評價

從項目任務及計算思維培養(yǎng)路徑出發(fā)，分解任務，建立子任務評價內容，形成評價體系，及時監(jiān)測項目實施情況[4]，具體如圖2所示。

三、機器人項目式學習實踐研究——以“精準防御抗擊病毒”競賽項目為例

基于STEAM理念，將多學科知識與機器人教育整合，以項目式學習的方式開展研究，筆者將項目學習內容分為三個等級：初級內容以機器人簡單結構拼搭和初級圖形化編程為主;中級內容以較為復雜的結構和程序設計為主;高級內容則以歷年各級各類競賽任務為主。高級內容以解決真實問題為背景，綜合性和挑戰(zhàn)性極強，在這種情況下，學生根據項目任務開展研究學習，在學習和訓練的過程中，利用多學科知識改造機器人結構、優(yōu)化程序來解決問題，符合STEAM理念下的多學科融合與計算思維發(fā)展的要求。

1.任務概述

下面，筆者將以2020年杭州市青少年機器人競賽——“精準防御抗擊病毒”競賽項目為例，進行詳細闡述。[5]

（1）場地說明

場地墊長寬1355mm×1140mm，其中4×4網格，單格尺寸240mm×240mm，5個隔離區(qū)圓直徑為160mm，病毒模型32mm×32mm×30mm，積木塊有16個凸點。

（2）機器人說明

機器人尺寸長寬高不超過256mm，控制器1個，電機不超過4個，不采用集成循跡卡，電池電壓不超過9V，其它傳感器不限。

（3）計分規(guī)則

網格上的病毒模型（最多布置19個），被送到任一隔離區(qū)（5個圓），第一層必須完全進入，方可得分。第一層得20分，第二層得30分，第三層得40分，每多加一層遞增10分。

（4）運行規(guī)則

機器人完全在出發(fā)區(qū)，啟動后自主運行，2分鐘后離開隔離區(qū)，停止運行。機器人啟動后，參賽選手不得觸碰機器人，一旦觸碰即任務結束，機器人離開隔離區(qū)方可計分。

（5）參賽作品

提交 3 個展示視頻，包括作者自我介紹、所參加項目及機器人簡介、項目編程思路、完成任務策略的具體介紹以及機器人搭建調試過程;對完成任務過程拍攝的視頻不得剪輯，更不得將多次任務通過剪輯合并;指導教師與選手計分及完成任務情況的點評等。

2.項目分析及任務分解

本次競賽項目可以拆分成兩個子任務：收集病毒和隔離病毒。要解決這個綜合任務，學生需要基于STEAM理念，融合各學科知識和技能思考以下內容：①完成各子任務的策略;②每種策略優(yōu)缺點分析;③機器人具體搭建機械機構;④編程思路;⑤方法、策略、優(yōu)化、方法穩(wěn)定性評估;⑥介紹項目完成過程、視頻錄制技巧。在競賽任務中體現的STEAM綜合維度如表1所示。

3.項目式學習活動的實施

（1）進入情景、分析問題

比賽項目公布后，在教師的帶領下，學生以小組為單位圍繞競賽項目進行主題式討論，重點分析競賽規(guī)則，從而找到疑惑的問題，進而尋求解決方案。在這一過程中，教師以一連串帶有啟發(fā)性的問題進行導學，幫助學生發(fā)現問題和提出問題。比如：機器人需要幾個電機、需要哪些傳感器？是從哪里出發(fā)，終點又在哪里？完成這個任務難點在哪里……這些問題的提出，有助于學生建構問題解決序列，有助于發(fā)散性思維的培養(yǎng)以及幫助學生發(fā)現問題，而發(fā)現問題是解決問題的第一步。

（2）找出規(guī)律、抽象特征

在精細解讀比賽規(guī)則的前提下，對幾個疑惑問題進行梳理分析，找到解決問題的規(guī)律，抽象總結解決問題的思路和策略。教師鼓勵學生大膽猜測，比如機器人能不能在規(guī)定的時間內一次性把所有積木塊收集起來？能不能全部堆疊在一起？假設這些猜想行得通，那么收集策略是什么、堆疊策略又是什么，這些能夠進一步激發(fā)學生尋找用機器人解決問題的策略，在反復猜想和真實任務的驅動下，學生嘗試借助機器人和編程方法，借助多學科知識和技能解決這些綜合問題。

（3）建立模型、設計算法

用可視化的流程圖梳理解決問題的思路和策略，列出任務清單，把任務進一步分解成若干個子任務，每個子任務再細化，明確需要完成哪些任務，完成這些任務需要解決的難點以及如何突破這些難點。這個過程中有可能會自我否定掉一些方案，從而在反復思考否定下形成最優(yōu)方案，對應形成相應算法，然后通過實踐進行檢驗。機器人課操作性和實踐性很強，方案形成后需要動手操作。先是搭建機器人，機器人結構是基礎，對于后續(xù)任務的完成至關重要，而合理、完善的結構會起到事半功倍的效果。比如，這次比賽中的收集積木塊任務，要想收集并堆疊起來，使用機械抓手就是一種辦法，所以需要搭建一個機械抓手。其次是程序編寫，機器人的程序是關鍵，通過程序命令才能指揮機器人，才能完成相應的任務。值得一提的是，即使經過前期比較縝密的思考形成優(yōu)化后的方案，也可能在實踐檢驗中宣告失敗。

（4）運行程序、改進優(yōu)化

機器人在運行和調試過程中，會出現各種各樣的問題，比如機械抓手抓不住積木塊、機器人直行運行下會出現偏轉、積木塊堆疊不成功等等。出現這些問題和狀況是很正常的，教師要引導學生從問題出發(fā)，尋找方案和策略的優(yōu)化，在不斷試錯中成長，在不斷改進中進步。分析問題時重點引導學生養(yǎng)成分析歸納的好習慣，通過歸納發(fā)現問題主要有三種：第一種是機械故障，比如零件松動拼接不牢固，這樣可能導致重心不穩(wěn)直行偏轉;第二種是結構問題，比如這個比賽任務，學生想盡可能多地堆疊積木塊，但是由于機械手設計的問題并不能堆疊更多的積木塊;第三種是程序問題，這個問題是非常常見的，需要反復編譯調試。比如馬達、傳感器、控制器等任一模塊的參數變化，都會影響到整體運行的實際效果。通過運行、調試、優(yōu)化等過程，讓機械結構和程序達到最優(yōu)化狀態(tài)。

（5）總結經驗、遷移應用

經過反復運行調試，發(fā)現把19個積木塊一次性地收集并堆疊起來有困難，結構搭建起來也比較復雜，在賽前短時間內實現是不切實際的，所以退而求其次，采用側邊擺放的位置，以收集3條線的11個積木為標準，結構上采用車型結構的小車來完成任務。在積木塊的收集上，采用夾子夾取積木塊的方式來進行收集，因為是堆疊方式，所以需要控制夾子的抬升，于是采用了一個大型電機來實現上下移動，再加上兩個顏色傳感器來進行精確定位。編程主要采用的是樂高編程軟件，小車的前進后退左右轉動，都是使用移動槽模塊來進行實現?？刂谱ナ值膹堥_和閉合是通過中型電機模塊來控制，抓手的上下抬升動作是通過大型電機模塊來控制。學生在經歷完整的項目任務后，體會了用計算機和機器人解決多學科任務的過程，在后期錄制比賽視頻時，將自己的切身體會清晰表達，是一個自我評價及反思的學習過程，在面對其他問題時，也能將此類經驗進行遷移應用。

四、結束語

在STEAM理念的引領下，發(fā)展小學生計算思維的機器人項目式學習的實踐研究，重視學科整合的基本要求，充分體現了信息技術課堂打破時間空間限制的理念，讓技術學習與技術應用互動互聯，迎合了教材主題化、彈性化的設計理念。它是學校拓展性課程建設的具體落實與實施，也是培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)的有效路徑之一，同時，也為其他學科乃至其他學校特色拓展性課程的設計與實施提供了理論和實踐方面的借鑒。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中信息技術課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2017.

[2]馮希冉.世界機器人奧林匹克競賽對參賽學生影響的調查研究[D].上海：上海師范大學，2019.

[3]孫媛媛.中小學機器人課程的研究與開發(fā)[D].北京：首都師范大學，2006.

[4]郁曉華，肖敏，王美玲，等.基于可視化編程的計算思維培養(yǎng)模式研究——兼論信息技術課堂中計算思維的培養(yǎng)[J].遠程教育雜志，2017（6）：12-20.

[5]2020年杭州青少年科技活動入口[EB/OL]. https：//kjj.qsng.cn/zxtz/2049249.jhtml.

（編輯：李曉萍）