摘要：本文聚焦計算思維培養(yǎng)與機器人教學(xué)的深度融合，提出一種基于真實情境與協(xié)作學(xué)習(xí)的機器人教學(xué)新范式，并通過理論分析闡述了該教學(xué)范式的內(nèi)涵和特征，同時結(jié)合“智能搬運小車”項目的教學(xué)實踐，探討了該范式在培養(yǎng)學(xué)生計算思維、問題解決和創(chuàng)新實踐能力等方面的有效性。研究發(fā)現(xiàn)，真實情境有助于培養(yǎng)學(xué)生計算思維的運用能力，協(xié)作學(xué)習(xí)有助于學(xué)生在討論、反思中深化對計算思維的理解，提升計算思維的高階技能。因此，該教學(xué)范式能夠有效促進(jìn)學(xué)生將計算思維知識遷移到機器人實踐活動中。

關(guān)鍵詞：計算思維；機器人教學(xué)；真實情境；協(xié)作學(xué)習(xí)；教學(xué)范式

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）19-0049-04

引言

1.研究背景

計算思維是信息時代公民必備的核心素養(yǎng)之一。它是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計與人類行為理解的思維方式[1]，已成為與數(shù)學(xué)思維、工程思維并列的基本思維方式。培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力，對于提升其數(shù)字化生存和創(chuàng)新發(fā)展能力具有重要意義。

機器人教學(xué)是培養(yǎng)青少年計算思維的重要途徑。國內(nèi)外許多研究表明，機器人教學(xué)能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)其計算思維和創(chuàng)新實踐能力。[2]然而，目前大多數(shù)機器人教學(xué)仍然側(cè)重于知識傳授和技能訓(xùn)練，存在重結(jié)果輕過程、重個人輕協(xié)作等不足，難以有效支持學(xué)生計算思維的深度發(fā)展。為了推動機器人教學(xué)從“學(xué)機器人”到“用計算思維”的轉(zhuǎn)變，筆者探索了一種融合計算思維培養(yǎng)要求、彰顯機器人教學(xué)優(yōu)勢的教學(xué)新范式。

2.文獻(xiàn)綜述

為培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力，研究者提出了多種融合計算思維的教學(xué)范式。其中，案例教學(xué)法、項目學(xué)習(xí)法、游戲化學(xué)習(xí)等較為常見。張進(jìn)寶等[3]提出了一種“興趣驅(qū)動、項目引領(lǐng)、協(xié)作學(xué)習(xí)、評價促進(jìn)”的機器人教學(xué)范式，在項目活動中滲透計算思維培養(yǎng)。盧慶偉等[4]提出將TRIZ理論引入機器人創(chuàng)新實踐活動，構(gòu)建了TRIZ-CDIO創(chuàng)新教學(xué)范式，從技術(shù)創(chuàng)新角度支持計算思維發(fā)展。田陽等[5]基于S-P-O-C模型，設(shè)計了任務(wù)導(dǎo)向的智能機器人實踐教學(xué)范式，在問題解決過程中融合計算思維訓(xùn)練。

雖然上述研究為機器人教學(xué)中的計算思維培養(yǎng)提供了有益探索，但仍存在一些不足：一是對計算思維內(nèi)涵把握不夠精準(zhǔn)，未能充分體現(xiàn)其抽象建模、數(shù)據(jù)表示、問題分解、模式泛化等核心要素；二是對機器人教學(xué)特色挖掘不夠，如體驗性、綜合性、創(chuàng)新性等未得到充分彰顯；三是教學(xué)情境設(shè)計不夠真實，學(xué)習(xí)任務(wù)與真實世界聯(lián)系不夠緊密，學(xué)生參與的主動性有待提高。

計算思維的內(nèi)涵與培養(yǎng)路徑

1.計算思維的內(nèi)涵

筆者認(rèn)為，計算思維是一種融合抽象建模、數(shù)據(jù)表示、問題分解、模式泛化、算法思維、調(diào)試優(yōu)化的綜合性思維模式，貫穿于問題求解的全過程。因此，計算思維能力的提升，需要在具體的問題情境中，引導(dǎo)學(xué)生體驗和內(nèi)化以上思維方式。

2.機器人教學(xué)中計算思維的培養(yǎng)路徑

機器人教學(xué)在本質(zhì)上契合計算思維的培養(yǎng)要求。從技術(shù)實踐角度來看，機器人的感知、規(guī)劃、控制等功能實現(xiàn)高度依賴抽象建模、算法設(shè)計等計算思維方法。從創(chuàng)新設(shè)計角度來看，機器人的設(shè)計優(yōu)化需要問題分解、創(chuàng)新設(shè)計等系統(tǒng)思考能力。

在機器人教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，依照“教師指導(dǎo)－學(xué)生主體－訓(xùn)練主線”的原則。在具體實施過程中重點關(guān)注以下環(huán)節(jié)：首先，選取恰當(dāng)?shù)捻椖恐黝}，營造支持計算思維遷移的教學(xué)情境，設(shè)定貼近生活的真實任務(wù)，組織跨學(xué)科項目學(xué)習(xí)和機器人競賽，引導(dǎo)學(xué)生在多樣化問題解決中體驗計算思維的應(yīng)用價值，實現(xiàn)知識與技能的靈活遷移。其次，設(shè)計教學(xué)活動，將計算思維要素融入機器人課程，通過目標(biāo)設(shè)置、內(nèi)容選取、活動設(shè)計等方面的精心織入，引導(dǎo)學(xué)生在“做中學(xué)”中掌握抽象建模、算法思維等核心要素。再次，進(jìn)行新知實踐，注重計算思維的顯性表征和針對性指導(dǎo)，要求學(xué)生用流程圖、偽代碼等方式外化思維過程，教師則及時捕捉學(xué)生思維方式的可視化表征，助力學(xué)生深思優(yōu)化。最后，鼓勵自主探究，構(gòu)建計算思維的學(xué)習(xí)共同體，營造小組協(xié)作、頭腦風(fēng)暴、在線分享等互動交流環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生在集體智慧中碰撞思維火花，在經(jīng)驗分享中優(yōu)化問題解決思路。

基于真實情境驅(qū)動與協(xié)作式知識建構(gòu)的機器人教學(xué)范式

1.教學(xué)范式的框架

本文提出的機器人教學(xué)范式，以培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力為核心目標(biāo)，凝練了真實情境驅(qū)動、協(xié)作式知識建構(gòu)兩大關(guān)鍵要素，形成“真實情境驅(qū)動－協(xié)作式知識建構(gòu)－計算思維提升”的內(nèi)在邏輯。

①真實情境驅(qū)動。教學(xué)情境的設(shè)計源于學(xué)生熟悉的現(xiàn)實世界，蘊含豐富的計算思維要素。這種情境能激發(fā)學(xué)生的探究欲望，喚起已有認(rèn)知經(jīng)驗，驅(qū)動其主動應(yīng)用計算思維方法分析、解決問題，在與情境的互動中實現(xiàn)知識遷移和能力提升，使抽象的計算思維在具體情境中“落地”，在真實應(yīng)用中“內(nèi)化”。

②協(xié)作式知識建構(gòu)。在教學(xué)過程中，學(xué)生并非被動接受知識，而是以小組為單位開展協(xié)作探究，通過討論、分享、辯論等互動方式主動建構(gòu)知識。協(xié)作學(xué)習(xí)有助于發(fā)揮學(xué)生的集體智慧，通過頭腦風(fēng)暴、思維碰撞產(chǎn)生聚合效應(yīng)，共同完成較復(fù)雜的項目任務(wù)。在協(xié)商一致意見的過程中，學(xué)生能夠相互啟發(fā)，優(yōu)勢互補，逐步內(nèi)化計算思維策略，形成較深層次的理解。

③計算思維能力提升。通過貼近學(xué)生生活實際的問題情境，引導(dǎo)其主動應(yīng)用計算思維，關(guān)注能力生成過程；通過協(xié)作互動，重視個性化發(fā)展與溝通表達(dá)，提升創(chuàng)新設(shè)計能力。這種教學(xué)理念和教學(xué)方法的創(chuàng)新，有助于機器人教學(xué)從“學(xué)機器人”到“用計算思維”的跨越。

2.教學(xué)范式的特征

基于真實情境驅(qū)動與協(xié)作式知識建構(gòu)的機器人教學(xué)范式有以下四點特征：

①真實性。以真實問題導(dǎo)向和知識應(yīng)用為核心，通過真實情境中的項目實踐，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維和知識遷移能力，而非簡單的概念羅列和公式訓(xùn)練，符合計算思維的實踐性特點。

②驅(qū)動性。教學(xué)過程注重能力發(fā)展，基于驅(qū)動問題，采用探究式和體驗式學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生在實踐中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題。

③協(xié)作性。強調(diào)協(xié)作建構(gòu)，學(xué)生通過小組討論和頭腦風(fēng)暴生成創(chuàng)新方案，正如建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論所強調(diào)的，知識在社會互動中形成。

④差異性。個性化教學(xué)設(shè)計尊重學(xué)生差異，鼓勵學(xué)生發(fā)揮特長，用獨特的方式呈現(xiàn)項目成果，挖掘創(chuàng)新潛能，彰顯個性化思維。

教學(xué)案例與實踐分析

1.教學(xué)案例：“智能搬運小車”項目

為驗證本教學(xué)范式的可行性和有效性，筆者在某中學(xué)開展了為期3周的“智能搬運小車”項目教學(xué)實踐。該項目以物流搬運為背景，要求學(xué)生利用樂高EV3和SpikePrime機器人搭建一輛智能小車，使其能夠自動規(guī)劃行駛路徑，避開障礙物，將指定物品運送至目的地。項目分為四個主要環(huán)節(jié)。

①情境導(dǎo)入與任務(wù)分解。教師首先創(chuàng)設(shè)真實的物流場景，引導(dǎo)學(xué)生分析搬運中存在的問題，進(jìn)而引出利用智能小車優(yōu)化搬運的解決方案。學(xué)生通過小組討論，對項目任務(wù)進(jìn)行分解，明確需要實現(xiàn)的功能，如自主行駛、避障、物品搬運等。教師協(xié)助學(xué)生梳理每項功能對應(yīng)的計算思維要素，如抽象建模、結(jié)構(gòu)搭建、智能控制等。這一環(huán)節(jié)立足真實情境，激發(fā)了學(xué)生的興趣，通過任務(wù)分解實現(xiàn)計算思維要素的整合與內(nèi)化，體現(xiàn)了“真實情境驅(qū)動問題解決”的教學(xué)理念。

②協(xié)作探究與方案設(shè)計。學(xué)生在小組內(nèi)開展頭腦風(fēng)暴，提出多種設(shè)計方案，如傳感器選型、小車結(jié)構(gòu)、控制策略等。通過小組討論，學(xué)生相互質(zhì)疑、論證，選出最佳方案。隨后，小組成員根據(jù)各自特長明確分工，負(fù)責(zé)機械結(jié)構(gòu)、流程梳理、程序編寫等任務(wù)。教師巡視指導(dǎo)，參與討論，點撥疑難。這個過程充分發(fā)揮了協(xié)作學(xué)習(xí)的優(yōu)勢，學(xué)生在思維碰撞中積極建構(gòu)知識，在頭腦風(fēng)暴中彼此啟發(fā)，激發(fā)創(chuàng)新思維。分工合作又凸顯了因材施教，學(xué)生能發(fā)揮所長，找到適合自己的學(xué)習(xí)方式。從計算思維角度來看，這一環(huán)節(jié)聚焦方案的抽象建模與算法設(shè)計，是計算思維的集中應(yīng)用和提升。

③動手實踐與測試優(yōu)化。學(xué)生按照設(shè)計方案動手組裝機械結(jié)構(gòu)、搭建電路、編寫程序，完成智能小車的初步構(gòu)建。隨后，他們設(shè)計測試場景，評估小車的實際表現(xiàn)，如避障是否靈敏、能否準(zhǔn)確到達(dá)等。對于發(fā)現(xiàn)的問題，學(xué)生主動分析原因，提出優(yōu)化策略，改進(jìn)設(shè)計方案、完善程序，遞歸優(yōu)化，直至達(dá)到預(yù)期效果。學(xué)生在動手實踐中檢驗所學(xué)知識，在反復(fù)調(diào)試中體驗計算思維的運用，針對遇到的問題進(jìn)行分析優(yōu)化，既鍛煉了動手能力，又深化了對計算思維方法的理解。測試環(huán)節(jié)是學(xué)生批判性思維的集中體現(xiàn)，聚焦于問題解決過程，而非簡單的結(jié)果評判，體現(xiàn)了教學(xué)評價的過程導(dǎo)向。

④項目呈現(xiàn)與反思提升。各小組通過演示視頻、現(xiàn)場操作等方式展示項目成果，分享心得體會。其他小組提出問題，給出改進(jìn)建議。教師針對項目設(shè)計的創(chuàng)新性、計算思維應(yīng)用的系統(tǒng)性等進(jìn)行點評，引導(dǎo)學(xué)生梳理項目經(jīng)驗，反思如何進(jìn)一步優(yōu)化解決方案、拓展應(yīng)用場景。這一環(huán)節(jié)注重協(xié)作交流，學(xué)生在分享展示中輸出認(rèn)知，在相互評價中獲得反饋，在教師點撥中實現(xiàn)計算思維的升華。反思回顧引導(dǎo)學(xué)生聚焦學(xué)習(xí)過程，梳理經(jīng)驗教訓(xùn)，思考計算思維的實際應(yīng)用。

2.實踐成效分析

為評估本教學(xué)范式的實際效果，筆者采用課堂觀察、過程性評價等方式收集數(shù)據(jù)，并從計算思維、學(xué)習(xí)興趣、實踐創(chuàng)新、協(xié)作表現(xiàn)等維度進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)顯示：85%以上的學(xué)生能靈活運用抽象建模、算法設(shè)計、數(shù)據(jù)優(yōu)化等計算思維方法解決問題；92%的學(xué)生認(rèn)為源于真實情境的項目最能激發(fā)探究興趣；81%的學(xué)生認(rèn)為作品展現(xiàn)了豐富創(chuàng)意，體現(xiàn)了創(chuàng)新思維，提升了動手能力；77%的學(xué)生認(rèn)為小組協(xié)作有效促進(jìn)思維交流，互助性明顯增強。從上述數(shù)據(jù)結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，本教學(xué)范式在提升學(xué)生計算思維水平、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)創(chuàng)新實踐能力等方面取得了良好的成效。不過，實踐中筆者也發(fā)現(xiàn)一些問題：個別學(xué)生在遇到技術(shù)難題時缺乏耐心，需要教師幫助調(diào)節(jié)情緒；作品物化程度不夠深入，未能體現(xiàn)更多思維的交叉融合。

結(jié)語

本文基于計算思維內(nèi)涵分析，提出了一種融合真實情境和協(xié)作學(xué)習(xí)的機器人教學(xué)新范式，并通過案例實踐揭示了該范式對培養(yǎng)學(xué)生計算思維、問題解決與創(chuàng)新實踐能力的促進(jìn)作用。這一研究豐富了機器人教學(xué)領(lǐng)域的教學(xué)范式，為推動機器人活動與計算思維培養(yǎng)的深度融合提供了新思路。

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[5]田陽，鄭宏，何克抗.智能機器人實踐的任務(wù)驅(qū)動教學(xué)范式研究[J].電化教育研究，2018，39（10）：85-91.

作者簡介：李亞洲，碩士，高級職稱，研究方向為教學(xué)管理；李子文，本科，中級職稱，研究方向為機器人教學(xué)。

本文系甘肅省教學(xué)科學(xué)“十四五”規(guī)劃2023年度一般課題“基于計算思維的中學(xué)機器人教學(xué)實踐研究”的研究成果，課題立項號：GS[2023]GHB0934。