近年來，人工智能和編程教育被高度重視，機器人教育在小學逐漸普及。小學機器人教育的教學內(nèi)容通常以信息科技學科為核心，融合工程、數(shù)學等學科元素，具有跨學科特性。其任務驅(qū)動和成果導向的實施特點，非常適合以項目的方式開展教學^[1]。《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》明確了該學科的核心素養(yǎng)，并將計算思維列入其中，這也為小學階段的學科教學提供了指引。計算思維是運用計算機科學的思想進行問題分析、方案設計、產(chǎn)品制作等活動中所發(fā)生的思維活動，對小學生則多體現(xiàn)為利用信息技術解決問題的交互性思維方式。計算思維的培育方式多樣，根據(jù)國內(nèi)外學者的研究，機器人和編程教育被普遍認為是直接有效的方法。項目教學有助于學生批判性思維、問題解決能力等方面的提升^[2]?？茖W利用軟硬件，以項目活動的方式開展小學機器人教育教學，有助于促進學生計算思維的發(fā)展。

一、計算思維要素

目前學者對計算思維的定義和培育要素的界定并不唯一，但有許多共通點。英國南安普頓大學在2013年提出計算思維是一種以產(chǎn)品為導向又不局限于解決問題的過程，主要包含模式概括、分解、抽象、算法思維、評估五個要素^[3]。也有觀點認為計算思維的表現(xiàn)形式主要是解決問題過程中的程式化、模型化、自動化、系統(tǒng)化。

綜合各方觀點，結(jié)合機器人教育的特點，筆者認為，機器人項目活動中的計算思維的培育要素主要包括四個方面：分解能力、抽象能力、概括能力、算法能力。四個培育要素的特征如下。

分解能力包含兩個部分：一是將復雜問題分解成若干簡單問題的能力;二是將復雜的項目任務分解為單一的簡單任務的能力。這種能力主要體現(xiàn)在分析問題和規(guī)劃方案的過程中。

抽象能力體現(xiàn)為將復雜情景任務提煉成可由機器人實現(xiàn)的子任務，包括確定機械結(jié)構(gòu)、選擇電子元件、形成執(zhí)行邏輯等。抽象能力出現(xiàn)在項目活動的每個環(huán)節(jié)，例如分析問題、設計結(jié)構(gòu)、編寫程序等過程。

概括能力體現(xiàn)在兩個方面：一是梳理以往學習的經(jīng)驗并在之后的活動中運用;二是查閱資料文檔并探究規(guī)律。概括能力主要體現(xiàn)在項目的實施階段以及評價階段，通常圍繞機器人教育的核心學科技能以及活動相關的拓展知識的學習而展現(xiàn)。

算法能力體現(xiàn)為根據(jù)機器人項目的任務需求設計并編寫程序，包括調(diào)用算法模型、設計程序流程等。算法能力展現(xiàn)在制作和使機器人動起來的活動過程中，以程序腳本、流程圖等成果呈現(xiàn)。

二、項目框架

小學生思維能力尚處起步階段，難以應付較復雜的邏輯問題。小學機器人項目活動可側(cè)重于使用相關技術以比較簡單直觀的方式解決具體問題，例如調(diào)用傳感器判斷外界信息、控制機器人依次執(zhí)行動作等。以此，提升學生參與學習活動的興趣，培養(yǎng)學生使用技術解決問題的能力，使學生的計算思維能力得到發(fā)展。

一般而言，機器人項目活動的流程可參考相關領域的工業(yè)流程進行設計，結(jié)合計算思維的培育要素，筆者將實施流程分五個階段：分析問題、整理資料、設計方案、制作優(yōu)化、展示分享。

由于學生在不同階段中運用計算思維解決問題的側(cè)重不同，因此筆者對各階段的培育要素針對性設計，最終形成基于計算思維培育的機器人項目活動流程框架（如圖1）。計算思維滲透于機器人項目活動的各個階段，形成于師生互動和學生探究的過程。

分析問題階段是由項目情境引入并形成可實施的驅(qū)動任務及相關子任務的過程，是整個項目活動的入項階段。在此階段，學生不僅要了解項目活動的內(nèi)容，而且需要分析項目的任務目標。通過分解和抽象的方式，讓學生將復雜的真實問題轉(zhuǎn)化為更具體的學科問題，初步規(guī)劃活動步驟。

整理資料階段是運用信息技術工具收集和整理信息并界定項目任務中相關概念的過程，是設計項目方案前的準備階段。這個階段，學生獲取信息同時對信息的內(nèi)容進行篩選和歸納，最終轉(zhuǎn)化成有益于自己完成項目任務的資源。

設計方案階段是綜合已獲取的信息和相關知識，梳理思路并明確項目成果和實施步驟的階段。這個階段，學生除了在教師提供的支架下梳理思路形成方案，還要評估方案，確保方案可實施。

制作優(yōu)化階段是將想法付諸實施，物化成項目成果并不斷完善的過程，是基于方案開展創(chuàng)新實踐和不斷突破自我的階段。在此階段，學生不僅需要綜合運用技術方法和學科知識開展制作，而且需要根據(jù)實際效果對方案進行調(diào)整優(yōu)化，最終完成預期的項目任務目標。

展示分享階段是對項目成果進行綜合性描述、展示以及評價的過程，是整個項目活動的結(jié)項階段。這個階段，學生可以結(jié)合項目任務及目標，對作品的功能、特點等進行綜合介紹，或以產(chǎn)品發(fā)布會的方式對外進行展示，鍛煉其提煉概括和表達展示的能力。

三、教學策略

在開展指向計算思維培養(yǎng)的機器人項目活動的過程中，教師不僅要組織教學活動，而且要關注學生在活動中產(chǎn)生的思維碰撞。筆者認為，為了更好地促進學生的思維發(fā)展，教師在教學活動中還需要關注以下幾方面。

（一）關注項目活動中學生是否深度參與

在機器人教育項目教學中，深度參與指學生參與問題的提出、分析、設計、解決、評價等一系列項目實施活動的過程，它是解決真實問題所需要經(jīng)歷的必要路徑。小學階段的機器人教育具有STEAM課程特征，有著明顯的信息技術、工程、科學等學科融合的特點，對于學生而言具有與生俱來的吸引力。在此基礎上，教師鼓勵學生在問題驅(qū)動下深入?yún)⑴c各項目階段，有助于學生真正學習、理解和掌握活動相關的知識內(nèi)容，有益于將基礎學科學習過程中的間接經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為直接經(jīng)驗，從而幫助學生更好地掌握學科知識，提升解決問題的能力。

（二）關注活動中計算思維是否持續(xù)滲透

計算思維是信息技術和計算機科學學科的核心素養(yǎng)之一，是以計算機解決的視角解決問題的思維方式，也是信息時代解釋問題現(xiàn)象的重要能力。當今，計算思維無處不在。計算思維無法通過簡單的機械鍛煉培養(yǎng)，而要通過具體的實踐活動去提升。因此，教師應關注在整個活動過程中對計算思維各個要素的滲透。例如，將復雜問題分解為子問題，將復雜現(xiàn)象抽象出關鍵要素，通過整理資料探究出規(guī)律等。在此過程中，教師可以適當放慢教學的進度，主動組織學生思考問題并傾聽他們的答案。

（三）關注活動中學習習慣是否養(yǎng)成

學習習慣不僅是學生學習知識內(nèi)容也是在其他學習活動中應具備的品格。在機器人教育中，常見的學習習慣包括課后持續(xù)學習、課堂主動探究、小組合作學習等。學習習慣的養(yǎng)成是由行為轉(zhuǎn)為意識的過程，無法通過機械性練習習得，需要學生在有意識的持續(xù)參與的過程中逐步形成。因此，習慣的培養(yǎng)離不開教師在課堂上的教學引導和學生在活動過程中的持續(xù)參與。

（四）關注教學中學科素養(yǎng)是否落實

學科素養(yǎng)培養(yǎng)是當前育人的關鍵目標，各學科知識的背后都有其相關的學科素養(yǎng)支撐。學生運用學科知識學習并解決問題，有助于學科素養(yǎng)的提升。同時，學生具有良好的學科素養(yǎng)也有助于后續(xù)更多知識的學習和內(nèi)化，兩者相輔相成。學科知識是素養(yǎng)培養(yǎng)的基礎，素養(yǎng)的培養(yǎng)離不開實踐。以項目的方式開展學習活動是一種以終為始且關注實踐過程的學習方式，對于素養(yǎng)培養(yǎng)有直接影響。機器人項目活動的教學中，學生會面對包括信息科技等多學科的知識。在教學活動中教師關注對學生學科素養(yǎng)的培養(yǎng)，有助于進一步發(fā)揮機器人項目活動的育人功能。

四、案例分析

筆者以“社區(qū)快遞機器人”為例，介紹指向計算思維培養(yǎng)的機器人項目活動實施過程。

“社區(qū)快遞機器人”項目以新冠肺炎疫情期間無接觸傳遞為背景，以設計一臺能夠?qū)⒖爝f從小區(qū)門口運送回家的智能機器人作為驅(qū)動任務（如圖2）。在此項目中，學生需要調(diào)查并根據(jù)小區(qū)的平面地圖形成一張快遞運送路線圖，搭建快遞機器人并使它沿著路線完成快遞運送任務。學生以小組團隊的方式深度參與項目活動的每個階段，在解決問題完成項目任務的過程中提高綜合實踐能力，使計算思維能力得到發(fā)展。

此項目教學面向筆者所在學校的四年級學生，筆者使用積木型機器人和圖形化編程環(huán)境作為活動平臺，以滿足學生的能力基礎和學習需求。參與項目活動之前，學生已經(jīng)掌握機器人的基本結(jié)構(gòu)和動力元件的使用方法，但是對于怎樣用傳感器控制機器人沿線循跡還比較陌生。項目教學目標有兩個：一是使學生通過實踐掌握使用分支結(jié)構(gòu)調(diào)用傳感器的編程方法，在學習資源的幫助下探究并完成循跡程序的編寫;二是提高學生在真實情境下的綜合實踐能力，鼓勵學生以信息技術學科的視角去分解、抽象、概括并最終解決問題。

活動實施過程分為五個階段，分別是分析任務內(nèi)容、收集活動資料、確定設計方案、制作機器作品、展示項目成果。為了提高學生在項目過程中的活動效率和學習效果，項目教學采取課內(nèi)課外融合的方式實施。其中，課內(nèi)活動主要包括項目分析、交流討論、作品制作等需要互動和專用器材的活動;課外的活動緊跟課內(nèi)展開，內(nèi)容包括查找整理資料、制作文檔等。

（一）分析任務內(nèi)容

在項目中，驅(qū)動任務的作用不僅是激發(fā)學生的學習興趣，而且是引發(fā)學生思考并形成具體的活動問題鏈。圍繞驅(qū)動問題，筆者組織學生進行頭腦風暴，形成若干子問題。學生通過對子問題的梳理，形成諸如“機器人怎樣攜帶快遞包裹”“小區(qū)門口到家的路線是怎樣的”“怎樣讓機器人準確地走到家”等研究目標明確的、用于驅(qū)動任務的問題鏈，從而明確項目活動的具體內(nèi)容。

在此階段圍繞驅(qū)動任務交流討論的過程中，學生以“用機器人解決問題”的視角去思考問題，分解并形成一系列指向驅(qū)動任務的問題鏈，為后續(xù)項目成果的設計打下基礎。通過這種方式，從問題的原點出發(fā)展開思考，逐漸進入項目角色。

（二）收集活動資料

明確項目的問題鏈和活動內(nèi)容后，學生緊接著要做的是圍繞問題鏈收集相關資料。在此項目中，學生要收集的資料包括機器人的結(jié)構(gòu)、傳感器的用法、小區(qū)的地圖等。其中，結(jié)構(gòu)和傳感器是為設計機器人打基礎，小區(qū)地圖則是為規(guī)劃運送快遞的路線做準備。為了提高學生獲取信息的有效性，筆者提供了學習資源包，其中包含微視頻和學生可用的查閱信息的網(wǎng)站。

這個階段的活動主要以課內(nèi)外融合的方式進行，其中，信息的收集主要在課外完成，課內(nèi)則以匯總交流為主。筆者通過這種方式，鼓勵學生運用技術工具獲取信息、使用媒體軟件學習交流，完成項目階段任務，提高學科能力。

（三）確定設計方案

匯總項目活動和問題鏈的資料后，學生就可以設計實施方案。方案設計主要有兩個方面。一是機器人的制作方案。學生利用已有的經(jīng)驗，結(jié)合新獲取的知識技能，思考快遞機器人的結(jié)構(gòu)和行動方式，并以結(jié)構(gòu)草圖和程序流程圖的方式呈現(xiàn)方案。二是機器人運送快遞的路線圖。學生需要根據(jù)小區(qū)的平面地圖，在大號海報紙上繪制機器人運送快遞的路線，標記運送的起終點以及沿途的小區(qū)地標?？爝f機器人則將在這張路線圖上完成運送快遞的任務。

基于真實問題情境開展活動，雖是以信息技術學科為主的機器人項目，但學生在活動中仍要用到其他學科的技能，這有利于發(fā)展相應學科的素養(yǎng)能力。學生不僅要運用計算思維將小區(qū)地圖抽象成機器人的行動路線，而且需運用美術學科的能力繪制運送路線和環(huán)境（如圖3）。

（四）制作任務作品

完成方案設計之后就進入搭建模型和編程調(diào)試的階段。在此階段，學生的任務是制作能夠沿著路線行進并將快遞從小區(qū)大門運送至家的機器人作品。其中，使機器人沿著路線移動的程序，即循跡，對于學生而言是新知識。為此，筆者為學生提供了循跡程序的基礎框架，幫助學生解決編程過程中的問題，也培養(yǎng)學生自主學習的習慣。

活動中，學生不僅通過探究完成快遞機器人的制作，而且在調(diào)試的過程中體驗、比較和歸納不同循跡程序的特點，概括程序的結(jié)構(gòu)并形成基本的算法模型。部分學生在循跡程序的基礎上進行改編，成功地調(diào)用了其他傳感器，實現(xiàn)諸如防碰撞、防跌落的功能。

（五）展示項目成果

項目活動的最后階段是學生運行和展示制作的快遞機器人。在此階段，學生以小組為單位逐一上臺展示項目研究成果，運行機器人在基于小區(qū)地圖繪制的路線圖上運送快遞。通過展示活動，學生互相交流機器人的設計思路和方法，彼此評價并給出改進建議。

小學機器人教育的重點在于讓學生學會解決問題的思維方式并提高創(chuàng)新與實踐能力。以項目的方式開展小學機器人教育對于計算思維的發(fā)展有著直接且正面的影響。

參考文獻

[1] 鐘柏昌，張祿.我國中小學機器人教育的現(xiàn)狀調(diào)查與分析[J].中國電化教育，2015（7）：101-107.

[2] 黃明燕，趙建華.項目學習研究綜述——基于與學科教學融合的視角[J].遠程教育雜志，2014，32（2）：90-98.

[3] 謝忠新，曹楊璐.中小學信息技術學科學生計算思維培養(yǎng)的策略與方法[J].中國電化教育，2015（11）：116-120.

（作者系上海市浦東新區(qū)張江高科實驗小學教師）

責任編輯：祝元志