摘要：本文結(jié)合“4C教學(xué)法”，通過(guò)“聯(lián)系情境，提出問(wèn)題”“自主建構(gòu)，約簡(jiǎn)模型”“反思迭代，設(shè)計(jì)算法”“展示交流，評(píng)價(jià)反饋”“延續(xù)拓展，遷移應(yīng)用”五大教學(xué)環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生在機(jī)器人校本課程的學(xué)習(xí)中進(jìn)行分解、抽象、模式識(shí)別、設(shè)計(jì)算法、調(diào)試優(yōu)化、泛化遷移，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；機(jī)器人教育；校本課程

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2024）19-0074-03

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）提出具備計(jì)算思維的學(xué)生，能對(duì)問(wèn)題進(jìn)行抽象、分解、建模，并通過(guò)設(shè)計(jì)算法形成解決方案，能嘗試模擬、仿真、驗(yàn)證解決問(wèn)題的過(guò)程，反思、優(yōu)化解決問(wèn)題的方案，并將其遷移到其他問(wèn)題的解決中。

筆者通過(guò)不斷的實(shí)踐，認(rèn)為“4C教學(xué)法”能夠讓“計(jì)算思維”核心素養(yǎng)落地生根。4C教學(xué)法是樂(lè)高技術(shù)教育過(guò)程中創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的計(jì)劃內(nèi)容，其包括聯(lián)系（Connect）、建構(gòu)（Construct）、反思（Contemplate）和延續(xù)（Continue）四個(gè)部分?！奥?lián)系”階段強(qiáng)調(diào)“做中學(xué)”，將新觀念與舊知相聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，提升學(xué)習(xí)成果?！敖?gòu)”階段則是學(xué)生在現(xiàn)實(shí)世界中建構(gòu)知識(shí)，設(shè)計(jì)編程指令，完成學(xué)習(xí)。“反思”階段要求學(xué)生加深理解，討論交流，反復(fù)調(diào)整想法?！把永m(xù)”階段建立在反思之上，學(xué)生動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)，渴求新知，不斷引發(fā)對(duì)知識(shí)的應(yīng)用思考，形成螺旋式上升的良性循環(huán)。根據(jù)“4C教學(xué)法”，筆者提出，在教學(xué)中，“聯(lián)系情境，提出問(wèn)題”“自主建構(gòu)，約簡(jiǎn)模型”“反思迭代，設(shè)計(jì)算法”“交流展示，評(píng)價(jià)反饋”“延續(xù)拓展，遷移應(yīng)用”五大教學(xué)環(huán)節(jié)，能夠讓學(xué)生在解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中培養(yǎng)計(jì)算思維核心素養(yǎng)。

本文以“智能運(yùn)輸小車”項(xiàng)目為例闡述如何基于“4C教學(xué)法”在機(jī)器人教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維。本項(xiàng)目中的機(jī)器人指的是以配套的ukit EDU作為機(jī)器人軟件。

聯(lián)系情境，提出問(wèn)題

在教學(xué)中，要想培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，最好的方法就是讓學(xué)生經(jīng)歷真實(shí)問(wèn)題情境下的探究學(xué)習(xí)，即以解決現(xiàn)實(shí)世界的問(wèn)題為主線來(lái)展開(kāi)教學(xué)。問(wèn)題的設(shè)計(jì)需要具備系統(tǒng)性和一定的復(fù)雜性，學(xué)生在解決復(fù)雜問(wèn)題的過(guò)程中主動(dòng)探究攻克難題。值得注意的是，真實(shí)情境不僅需建立新知與現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的聯(lián)系，還需要幫助學(xué)生找到問(wèn)題根源，與舊知識(shí)建立聯(lián)系，為后續(xù)任務(wù)做準(zhǔn)備。

例如，在“智能運(yùn)輸小車”項(xiàng)目中，教師以“果園采摘水果”為情境，以“解決運(yùn)輸問(wèn)題”為主線，將其貫穿整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程，教師先請(qǐng)學(xué)生交流到果園采摘蔬果的經(jīng)歷，喚起學(xué)生“采摘”經(jīng)驗(yàn)。接著提出問(wèn)題：“如何實(shí)現(xiàn)將摘好的水果快速運(yùn)回基地，節(jié)省勞動(dòng)力？”聯(lián)系“采摘”經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)如果采摘數(shù)量龐大，那么運(yùn)輸就成為一個(gè)難題，不僅耗時(shí)耗力，而且如果不及時(shí)運(yùn)輸將會(huì)影響水果的新鮮度?；谶@樣的思考，學(xué)生提出“智能運(yùn)輸小車”這個(gè)創(chuàng)意點(diǎn)子幫助農(nóng)民伯伯運(yùn)輸水果，解決農(nóng)民伯伯的運(yùn)輸困境。教師順勢(shì)引導(dǎo)學(xué)生思考：什么樣的小車才能具備運(yùn)輸功能？學(xué)生紛紛回答“卡車”“農(nóng)用車”“拖拉機(jī)”等各種工具車。教師引導(dǎo)：有沒(méi)有更智能的運(yùn)輸小車？學(xué)生立刻聯(lián)系生活中的經(jīng)驗(yàn)，提出了自動(dòng)導(dǎo)航、按規(guī)定路線行走、無(wú)人操控的運(yùn)輸小車。于是教師展示了各種智能運(yùn)輸小車及視頻，開(kāi)闊了學(xué)生視野，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性。

自主建構(gòu)，約簡(jiǎn)模型

在小學(xué)機(jī)器人教學(xué)中，教師不能直接提供現(xiàn)成的知識(shí)，而是營(yíng)造一種有利于學(xué)生自主建構(gòu)知識(shí)的環(huán)境。自主建構(gòu)包括自主探究和合作學(xué)習(xí)，即通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)和在小組合作交流中產(chǎn)生思維的碰撞，進(jìn)一步培養(yǎng)計(jì)算思維。

例如，在“智能運(yùn)輸小車”項(xiàng)目中，首先，進(jìn)行模型約簡(jiǎn)，簡(jiǎn)化復(fù)雜問(wèn)題。教師提出問(wèn)題：“小車為什么能運(yùn)動(dòng)？”學(xué)生聯(lián)系科學(xué)知識(shí)回答是“有力的作用”“有電機(jī)提供力量”從而引出了“舵機(jī)”的概念。接著，教師提出問(wèn)題：“智能運(yùn)輸小車由哪幾部分組成？”（生：動(dòng)力裝置、貨箱）“那么動(dòng)力裝置需要包括哪些元器件？”（生：舵機(jī)、輪子、控制器、信號(hào)線）這一個(gè)個(gè)問(wèn)題層層遞進(jìn)幫助學(xué)生剖析“智能運(yùn)輸小車”的構(gòu)造，將一個(gè)復(fù)雜的機(jī)器人構(gòu)造分解成一個(gè)個(gè)元器件的簡(jiǎn)單拼搭問(wèn)題。其次，教師提供學(xué)習(xí)支架，促進(jìn)自主建構(gòu)。教師巧妙提供“拼搭指南”學(xué)習(xí)單及相關(guān)視頻等學(xué)習(xí)支架幫助學(xué)生自主學(xué)習(xí)拼搭技巧并提醒學(xué)生拼搭的先后順序。這樣大大降低了學(xué)生拼搭難度，提高了運(yùn)輸小車拼搭的成功率。為了提高小組合作的積極性，教師提供“運(yùn)輸小車”設(shè)計(jì)方案，并引導(dǎo)學(xué)生合作設(shè)計(jì)運(yùn)輸小車的方案。該設(shè)計(jì)方案包括“設(shè)想”“器材零件”“動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)圖”“貨箱設(shè)計(jì)圖”“設(shè)計(jì)意圖”等要素。教師將“動(dòng)力裝置”和“貨箱”分解開(kāi)來(lái)，正是為了約簡(jiǎn)模型。最后，結(jié)合科學(xué)原理，促進(jìn)學(xué)科融合。

反思迭代，設(shè)計(jì)算法

1.分解問(wèn)題

“分解”是處理復(fù)雜問(wèn)題的有效策略，在“智能運(yùn)輸小車”項(xiàng)目中，除了要將運(yùn)輸小車的搭建過(guò)程進(jìn)行分解，還需將復(fù)雜的運(yùn)輸指令分解為多個(gè)子任務(wù)，如“前進(jìn)”“左轉(zhuǎn)”“右轉(zhuǎn)”“后退”“避障”等。這樣不僅降低了解決問(wèn)題的難度，還讓學(xué)生學(xué)會(huì)了如何系統(tǒng)地規(guī)劃和執(zhí)行任務(wù)。另外，在解決復(fù)雜問(wèn)題時(shí)，學(xué)生通常會(huì)在算法邏輯構(gòu)建上存在困難。針對(duì)這一問(wèn)題，教師可引入“思維導(dǎo)圖輔助法”，引導(dǎo)學(xué)生使用思維導(dǎo)圖工具梳理問(wèn)題、分解任務(wù)，對(duì)比傳統(tǒng)的流程圖更易讓學(xué)生接受，更有效地提升學(xué)生分解問(wèn)題的能力。

2.抽象特征

這一階段的目標(biāo)是發(fā)展學(xué)生合作學(xué)習(xí)、抽象問(wèn)題本質(zhì)的能力。例如，在“智能運(yùn)輸小車”項(xiàng)目中，需將“小車如何避開(kāi)障礙物”這一實(shí)際問(wèn)題，抽象為“檢測(cè)障礙物－判斷距離－執(zhí)行轉(zhuǎn)向或停止”的算法邏輯。教師通過(guò)設(shè)置“舵機(jī)”“轉(zhuǎn)速”等關(guān)鍵字，引導(dǎo)學(xué)生快速把關(guān)鍵字抽象成為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的“前進(jìn)”“后退”等編程指令。

3.模式識(shí)別

鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐、問(wèn)題解決和團(tuán)隊(duì)協(xié)作，將抽象的概念轉(zhuǎn)化為具體的機(jī)器人編程和搭建技能，幫助學(xué)生從大量數(shù)據(jù)中提取出有用的信息，并據(jù)此做出決策。在“智能運(yùn)輸小車”項(xiàng)目中，教師要引導(dǎo)各小組根據(jù)聚焦的“運(yùn)輸小車”問(wèn)題，聯(lián)想做過(guò)的項(xiàng)目模型，如能識(shí)別出類似模型，則可在原有的模型上進(jìn)行修改創(chuàng)新，如果沒(méi)有任何搭建經(jīng)驗(yàn)，就需要學(xué)生再次識(shí)別出算法的共通之處，觸類旁通。同時(shí)，教師要啟發(fā)學(xué)生：“之前學(xué)過(guò)的哪個(gè)模型也利用舵機(jī)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)？”學(xué)生能夠識(shí)別出之前做過(guò)的“智能風(fēng)扇”也使用到了舵機(jī)，運(yùn)動(dòng)方式不一樣，但實(shí)現(xiàn)方式大同小異。

4.設(shè)計(jì)算法

設(shè)計(jì)算法是計(jì)算思維的核心，它要求學(xué)生在設(shè)計(jì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)時(shí)，能夠清晰地定義運(yùn)動(dòng)步驟，選擇合適的算法，并預(yù)測(cè)算法的執(zhí)行結(jié)果。在“智能運(yùn)輸小車”項(xiàng)目中，學(xué)生要在搭建好的運(yùn)輸小車的模型上進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，讓小車按規(guī)定路線行走。在對(duì)舵機(jī)的編程過(guò)程中，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)舵機(jī)有順時(shí)針、逆時(shí)針兩條轉(zhuǎn)動(dòng)方向的指令，兩個(gè)舵機(jī)分別組合不同的指令，就能讓運(yùn)輸小車實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，教師要啟發(fā)學(xué)生思考最優(yōu)行走路徑，提高學(xué)生算法設(shè)計(jì)能力。

5.調(diào)試優(yōu)化

在機(jī)器人項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生需要不斷評(píng)估機(jī)器人的性能，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)試優(yōu)化、反復(fù)迭代，將其劃分為調(diào)試運(yùn)行、分析優(yōu)化兩個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)。一是調(diào)試運(yùn)行。通過(guò)代碼測(cè)試機(jī)器人的運(yùn)行情況，調(diào)試并修復(fù)作品中的錯(cuò)誤，這是測(cè)試調(diào)試過(guò)程中不可或缺的環(huán)節(jié)。二是分析優(yōu)化。這是評(píng)估過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，它要求學(xué)生從多個(gè)角度對(duì)作品進(jìn)行全面的審視優(yōu)化。這不僅包括對(duì)作品的運(yùn)行效果和功能性的評(píng)估，還包括對(duì)其可靠性和易用性的考量。例如，在“智能運(yùn)輸小車”項(xiàng)目中，當(dāng)學(xué)生完成“前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退”問(wèn)題的解決后，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生不斷探索新的解決問(wèn)題的方案，優(yōu)化解決問(wèn)題的方案，找到最優(yōu)解。

展示交流，評(píng)價(jià)反饋

在機(jī)器人作品完成后，不可忽視的環(huán)節(jié)就是作品的展示交流。該環(huán)節(jié)不僅能對(duì)小組作品進(jìn)行梳理，更能鍛煉學(xué)生的語(yǔ)言表達(dá)能力，提高學(xué)生的成就感和獲得感。

首先，為了提高學(xué)生的展示交流能力，教師可以提供以下交流方向：機(jī)器人名稱、長(zhǎng)寬高、舵機(jī)編號(hào)順序、外觀或功能特點(diǎn)、如何加固、設(shè)計(jì)的算法、實(shí)現(xiàn)的功能、如何改進(jìn)等。學(xué)生可以利用小組作品評(píng)分表對(duì)交流小組的“合作學(xué)習(xí)參與度”“解決問(wèn)題方式”“作品外觀”“算法可行性”“展示交流效果”等進(jìn)行評(píng)價(jià)，除了小組展評(píng)，還可以結(jié)合小組自評(píng)、教師評(píng)等方式進(jìn)行評(píng)價(jià)。

其次，教師可以設(shè)計(jì)一套綜合性的計(jì)算思維素養(yǎng)測(cè)試卷，該測(cè)試卷涵蓋算法設(shè)計(jì)、邏輯推理、問(wèn)題解決等多個(gè)評(píng)估維度，通過(guò)對(duì)比學(xué)生課程實(shí)施前后的測(cè)試結(jié)果，可以全面評(píng)價(jià)學(xué)生在整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中的思維進(jìn)步幅度。

延續(xù)拓展，遷移應(yīng)用

“延續(xù)拓展”即教學(xué)不能僅停留于某一作品的制作或某一任務(wù)的實(shí)現(xiàn)，而應(yīng)該創(chuàng)造機(jī)會(huì)拓寬學(xué)生思路?！斑w移應(yīng)用”則是將現(xiàn)有的知識(shí)及素養(yǎng)遷移到其他現(xiàn)實(shí)問(wèn)題解決過(guò)程中，通過(guò)不斷地遷移應(yīng)用，學(xué)生可以更加深刻地理解知識(shí)的內(nèi)涵和外延，同時(shí)也可以提高解決實(shí)際問(wèn)題的能力和效率。

以“智能運(yùn)輸小車”為例，教師提出“智能運(yùn)輸小車”在運(yùn)輸過(guò)程中還需考慮什么因素、如何應(yīng)用于其他場(chǎng)景中等問(wèn)題，鼓勵(lì)學(xué)生小組合作交流，并上臺(tái)匯報(bào)。同時(shí)，教師啟發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)在不同場(chǎng)景中應(yīng)用還需不斷優(yōu)化其算法和機(jī)械結(jié)構(gòu)，使其更好地適應(yīng)多樣化的任務(wù)需求。

綜上所述，通過(guò)“聯(lián)系情境，提出問(wèn)題”“自主建構(gòu)，約簡(jiǎn)模型”“反思迭代，設(shè)計(jì)算法”“展示交流，評(píng)價(jià)反饋”“延續(xù)拓展，遷移應(yīng)用”這五大教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，不僅提高了機(jī)器人學(xué)習(xí)效果，而且培養(yǎng)了學(xué)生計(jì)算思維，促進(jìn)了邏輯思維、創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，提高了問(wèn)題解決和遷移能力。

參考文獻(xiàn)：

任友群，黃榮懷，熊璋.從信息技術(shù)到信息科技——關(guān)于《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》的對(duì)話[J].課程·教材·教法，2022，42（12）：21-31.

本文系福建省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2022年度課題“基于計(jì)算思維培養(yǎng)的小學(xué)機(jī)器人教育校本課程建設(shè)研究”（課題批準(zhǔn)號(hào)：FJJKZX22-697）的研究成果。