面向小學(xué)生計算思維培養(yǎng)的機器人編程教學(xué)

在數(shù)字化時代背景下，計算思維已成為中小學(xué)生必備的一項關(guān)鍵能力?！读x務(wù)教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“課標”）特別強調(diào)了培養(yǎng)學(xué)生計算思維的重要性。機器人編程教育，作為培養(yǎng)計算思維的重要途徑之一，正逐漸被納入小學(xué)課程體系。為了探索在虛實融合環(huán)境下的機器人編程教學(xué)方法，有效培養(yǎng)小學(xué)生的計算思維能力，筆者基于具身認知理論，遵循“虛實融合、先虛后實、能實不虛”的原則，構(gòu)建了一種虛實融合的教學(xué)模式。筆者以“底盤移動”為例，在教學(xué)實踐中進行了應(yīng)用與驗證，旨在為小學(xué)機器人教育教學(xué)的普及和發(fā)展提供理論和實踐上的支持。一、虛實融合：提升學(xué)生計算思維的教學(xué)新方法課標明確指出，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維是教育的核心目標之一。計算思維是指學(xué)生在掌握并應(yīng)用計算機科學(xué)的基本概念，如抽象、分解、算法、迭代、調(diào)試和一般化等，進行問題求解和系統(tǒng)設(shè)計的過程中，形成的一種面向信息時代的高階思維能力。早在2012年，美國麻省理工學(xué)院媒體實驗室的終身幼兒園研究小組就提出了計算思維的三個維度：計算概念、計算實踐和計算觀念。機器人編程教育是培養(yǎng)小學(xué)生計算思維能力的重要載體。隨著新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，虛擬的智能教育機器人仿真平臺與實體智能教育機器人相結(jié)合，形成了“虛實融合”的教學(xué)環(huán)境，為機器人教育的普及和推廣提供了廣闊的空間。虛擬教學(xué)平臺能夠為學(xué)生提供無限的探索空間、可視化的學(xué)習(xí)過程，并超越現(xiàn)實實驗環(huán)境的限制，從而進一步促進教育公平。陳宇峰等人對面向計算思維的啟發(fā)式虛擬實驗教學(xué)進行了探索性研究，并在大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程中引入了虛擬實驗輔助教學(xué)[1]。楊雨等人則通過“虛擬機器人”項目開展STEAM教學(xué)，利用蘿卜圈3D機器人在線仿真平臺進行機器人教育[2]。張敏認為，與傳統(tǒng)機器人相比，虛擬機器人能夠降低普及的門檻、易于推廣，在程序設(shè)計教學(xué)中為學(xué)生提供了直觀的作用對象，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生更接近算法與編程，促進學(xué)生計算思維的長期發(fā)展[3]。盡管在虛實融合環(huán)境下開展機器人教學(xué)具有明顯優(yōu)勢，但目前虛擬仿真實驗與真實學(xué)習(xí)環(huán)境融合教學(xué)方面的研究仍然較少。筆者基于具身認知理論，構(gòu)建了以學(xué)生為中心的虛實融合教學(xué)模式，并進行了實踐教學(xué)與成效驗證，旨在為機器人教育的普及和普惠發(fā)展探索出一條新路。二、虛實融合環(huán)境下智能機器人教學(xué)的理論框架具身認知理論提出，學(xué)生在純虛擬環(huán)境中與教具的物理距離可能會引起心理疏遠感，而鼓勵學(xué)生在實驗探究過程中與環(huán)境進行多模態(tài)的身體交互[4]。在虛實融合的實驗探究中，教師將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與傳統(tǒng)手工搭建結(jié)合，可以實現(xiàn)虛擬探究環(huán)境與真實探究環(huán)境的整合，為學(xué)生的觀察反饋以及身體與實驗探究環(huán)境的多模態(tài)交互創(chuàng)造條件。這種整合有助于形成場景優(yōu)勢互補，突破傳統(tǒng)教學(xué)的空間限制，優(yōu)化虛擬教學(xué)的真實感，從而改善學(xué)生學(xué)習(xí)體驗，增加學(xué)習(xí)投入，并優(yōu)化教學(xué)進程控制，提高教學(xué)效率?；诖?，筆者提出了虛實融合環(huán)境下教學(xué)設(shè)計的五項原則。一是匹配性原則：遵循“虛實融合，能實不虛”的設(shè)計思想，設(shè)計相應(yīng)的學(xué)習(xí)形式，以最大化促進學(xué)生有意義的知識建構(gòu)為前提，設(shè)計虛擬環(huán)境與真實環(huán)境中的學(xué)習(xí)形式。二是可視化原則：運用數(shù)字技術(shù)手段，將抽象的概念、原理與過程等轉(zhuǎn)換成直觀形象的內(nèi)容，為學(xué)生提供學(xué)習(xí)的支架與橋梁。三是可操作性原則：為學(xué)生主動建構(gòu)提供可生成、可操作的學(xué)習(xí)內(nèi)容，支持學(xué)生更直觀具象地進行認知加工。四是情境化原則：為學(xué)生構(gòu)建特定的問題情境，立足具身學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，促進其身體體驗、知識遷移與高階思維培養(yǎng)。五是真實性原則：依據(jù)教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)設(shè)與之相適應(yīng)的虛實融合實驗探究場景，提供真實的操作任務(wù)和無限接近真實的實驗場景。布置真實的操作任務(wù)旨在讓學(xué)生體驗真實的產(chǎn)品設(shè)計、調(diào)試、迭代和完善過程，以真實的實驗場景支持學(xué)生的科學(xué)探究。基于以上設(shè)計原則，構(gòu)建了虛實融合環(huán)境下機器人編程教學(xué)的理論框架，如圖1所示。該框架以虛實融合智能機器人教學(xué)的內(nèi)容作為目標核心，左邊區(qū)域為虛實融合的智能機器人教學(xué)學(xué)習(xí)環(huán)，以虛實融合的教學(xué)環(huán)境中教師指導(dǎo)和學(xué)生合作學(xué)習(xí)為主線，從實到虛，再由虛入實，分為明確任務(wù)、新知學(xué)習(xí)、合作探究、實踐應(yīng)用和展示評價共五個環(huán)節(jié)。在學(xué)習(xí)環(huán)，學(xué)生體驗了解決真實問題的流程、實踐操作活動和邏輯思維的訓(xùn)練，既有設(shè)計、調(diào)試以及實操的機器人控制環(huán)節(jié)，滿足了學(xué)生動手動腦的自我實現(xiàn)需求，又涉及編程操作，通過問題情境的設(shè)置和小組協(xié)作的形式，幫助學(xué)生提升高階思維能力，與研究設(shè)計中對學(xué)生計算思維培養(yǎng)的目的保持了一致。右邊區(qū)域為學(xué)習(xí)結(jié)果環(huán)，包括學(xué)生的計算思維觀念、計算思維概念和計算思維實踐能力，從三個維度檢驗虛實融合的智能機器人教學(xué)對于學(xué)生計算思維培養(yǎng)的可行性與有效性。其中計算思維觀念參考國際上使用最為廣泛的由Korkmaz等人編制的計算思維量表CTs，對計算思維進行較為科學(xué)的測量，將其分為創(chuàng)造力、批判思維、問題解決能力、算法思維和合作能力五個維度。三、虛實融合的智能機器人課程“底盤移動”教學(xué)設(shè)計與實施（一）內(nèi)容與能力目標分析筆者基于大疆教育平臺上的RoboMasterEP編程初階課程中的第2課時“底盤移動”課程，結(jié)合三到五年級學(xué)生的認知特點以及教學(xué)實踐的需要，對內(nèi)容進行了適當?shù)闹匦戮幣??？紤]到學(xué)生都來自本校的機器人社團，對機器人的構(gòu)造和設(shè)計已有一定了解，因此對原來課程中介紹機器人結(jié)構(gòu)及其設(shè)計原理的內(nèi)容進行了刪減。筆者用更接近學(xué)生生活的視頻案例導(dǎo)入課程，旨在提高學(xué)生的參與度和興趣。課程的核心任務(wù)是要求學(xué)生通過掌握大疆教育平臺上用于控制機器人的底盤編程模塊，利用已掌握的數(shù)學(xué)知識來為機器人規(guī)劃路徑，控制機器人完成“米”字圖案的繪制。筆者根據(jù)虛實融合式教學(xué)環(huán)境的設(shè)計原則進行了教學(xué)設(shè)計。筆者基于大疆教育機器人套件開展教學(xué)，要求學(xué)生以小組協(xié)作的形式，引導(dǎo)他們完成編程控制機器人在空地上書寫“米”字的教學(xué)任務(wù)。隨后，依據(jù)張屹等開發(fā)的我國小學(xué)生計算思維量表，對學(xué)生的計算思維的評估按照創(chuàng)造力、批判思維、問題解決能力、算法思維、合作能力五個維度展開。筆者在教學(xué)設(shè)計中將從這五個維度來對教學(xué)目標進行表述，詳細內(nèi)容見表1。（二）教學(xué)設(shè)計與實施筆者設(shè)置五個環(huán)節(jié)實施虛實融合的機器人編程教學(xué)（如圖2）。1.初步認識與明確任務(wù)明確任務(wù)是教學(xué)過程的起點，旨在引導(dǎo)學(xué)生感知核心任務(wù)，激活先驗知識，并探索問題解決策略。筆者首先通過視頻展示機器人書法創(chuàng)作，激發(fā)學(xué)生的好奇心，然后介紹本課使用的大疆機器人，引導(dǎo)學(xué)生思考如何編程控制機器人完成書寫任務(wù)，并進行任務(wù)的抽象和模塊化。教師設(shè)置問題支架，輔助學(xué)生運用數(shù)學(xué)、科學(xué)等學(xué)科知識，將復(fù)雜的控制任務(wù)分解為路徑選擇、程序編寫、迭代優(yōu)化等步驟，體驗解決實際問題的過程。本環(huán)節(jié)筆者遵循情境化原則，利用虛擬仿真平臺提供與真實環(huán)境一致的模擬機器人和環(huán)境，讓學(xué)生探索控制機器人的路徑和方法。筆者利用視頻引入機器人書法概念，建立真實問題情境，引導(dǎo)學(xué)生思考學(xué)習(xí)任務(wù)，分解大任務(wù)為小任務(wù)，促進知識建構(gòu)，提升問題解決和算法思維能力。2.新知學(xué)習(xí)與編程模擬學(xué)生根據(jù)教師講解和軟件程序模板，學(xué)習(xí)底盤控制模塊，掌握可視化編程語句和結(jié)構(gòu)。學(xué)生在掌握相關(guān)知識后，利用可視化編程軟件編寫控制程序。在虛擬仿真平臺中，學(xué)生可以操縱底盤移動或旋轉(zhuǎn)，通過改變程序數(shù)值觀察結(jié)果變化，理解數(shù)值含義，促進知識建構(gòu)，鍛煉編程能力。本環(huán)節(jié)筆者遵循可視化原則，提供與真實環(huán)境一致的模擬機器人和環(huán)境，讓學(xué)生探索控制機器人的路徑和方法。提供熟悉的可視化編程工具，遷移編程知識，幫助學(xué)生直觀體驗并快速熟悉機器人構(gòu)造和控制方法。3.合作探究與仿真調(diào)試學(xué)生用上一環(huán)節(jié)編寫的底盤控制代碼，在虛擬仿真平臺DJIRoboticSimulator中控制機器人完成“米”字繪制任務(wù)。該平臺提供仿真物理模擬，還原機械關(guān)節(jié)、摩擦阻力、碰撞等特性，使編程學(xué)習(xí)更為高效。學(xué)生在模擬器中調(diào)試程序后，可直接連接真實機器人進行驗證。筆者遵循匹配性和真實性原則，設(shè)計虛擬和真實環(huán)境的學(xué)習(xí)形式，促進知識建構(gòu)。提供虛擬環(huán)境作為代碼調(diào)試和程序驗證的試錯情境，旨在降低學(xué)生挫敗感，增強臨場體驗和學(xué)習(xí)沉浸感。4.實踐應(yīng)用與底盤移動學(xué)生在虛擬仿真平臺驗證代碼后，轉(zhuǎn)到實驗室操作真實機器人，完成書法任務(wù)。面對真實環(huán)境中的摩擦力、機器人特性等不可控因素，學(xué)生需主動思考分析問題，調(diào)整代碼解決問題，鍛煉批判思維和問題解決能力。本環(huán)節(jié)筆者遵循可操作原則，滿足學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容的主動建構(gòu)需求，提供與真實環(huán)境一致的模擬機器人和環(huán)境，讓他們探索控制機器人的路徑和方法，提供創(chuàng)造空間。5.展示評價與總結(jié)提升全班范圍內(nèi)開展展示評價活動，要求小組互評。借助DJIEducationHub平臺，學(xué)生分享虛擬環(huán)境和程序代碼，其他學(xué)生可導(dǎo)入并修改程序，進行評價，加深對程序的理解，培養(yǎng)批判思維。教師點評程序，引導(dǎo)計算思維發(fā)展。本環(huán)節(jié)學(xué)生展示與交流作品，分組自評互評，分享學(xué)習(xí)成果，提升學(xué)習(xí)能力。學(xué)生欣賞和學(xué)習(xí)他人作品，審視調(diào)試代碼，評價他人作品，形成良好合作氛圍。四、虛實融合教學(xué)效果與發(fā)展?jié)摿Γㄒ唬┙虒W(xué)效果本研究旨在通過虛實融合教學(xué)創(chuàng)新培養(yǎng)小學(xué)生的計算思維，教學(xué)對象為武漢市某小學(xué)創(chuàng)客選修課的45名學(xué)生，涵蓋三至五年級。為確保實驗對象的隨機性，教師讓學(xué)生自主選擇學(xué)習(xí)該課程。為做好教學(xué)效果分析，筆者采用單組前后測實驗設(shè)計，將計算思維分為三個維度，即計算思維能力、計算思維概念和計算思維實踐，用問卷調(diào)查、能力測試和質(zhì)性分析等方法進行綜合評估。1.計算思維能力顯著提升筆者使用張屹等人開發(fā)的計算思維量表對學(xué)生的計算思維觀念進行測量。問卷信度檢驗結(jié)果顯示信度系數(shù)分別為0.882和0.973，表明問卷具有良好信度。前后測配對樣本檢驗結(jié)果表明，虛實融合教學(xué)后學(xué)生的計算思維觀念有顯著提升（前測=4.3227，后測=4.4102，=-5.302，=0.000<0.05）。描述性統(tǒng)計顯示，學(xué)生在創(chuàng)造力、問題解決、算法思維和合作能力等維度上均有顯著提升。2.計算思維概念平穩(wěn)發(fā)展利用Bebras測試題檢測學(xué)生計算思維知識與技能的變化。測試結(jié)果顯示，學(xué)生的平均正確題數(shù)為4.65題，超過半數(shù)，且所有學(xué)生的正確率均超過40%。將學(xué)生按高、中、低三個水平劃分，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)學(xué)生處于中等水平，表明計算思維知識與技能有所發(fā)展。3.計算思維實踐有效開展筆者觀察學(xué)生在各學(xué)習(xí)階段的表現(xiàn)，對其計算思維操作能力進行質(zhì)性分析。學(xué)生圍繞實際問題參與小組協(xié)作、程序編寫、調(diào)試、演練、分享和評價優(yōu)化等活動，各組的作品反映了學(xué)生在操作過程中應(yīng)用計算思維的能力。教學(xué)結(jié)束時，學(xué)生能以不同解決方案完成任務(wù)，并通過分享交流優(yōu)化方案，體現(xiàn)了計算思維實踐能力的提升。（二