面向小學生計算思維培養(yǎng)的機器人編程教學

在數(shù)字化時代背景下，計算思維已成為中小學生必備的一項關鍵能力?！读x務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方法，有效培養(yǎng)小學生的計算思維能力，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模式。筆者以“底盤移動”為例，在教學實踐中進行了應用與驗證，旨在為小學機器人教育教學的普及和發(fā)展提供理論和實踐上的支持。一、虛實融合：提升學生計算思維的教學新方法課標明確指出，培養(yǎng)學生的計算思維是教育的核心目標之一。計算思維是指學生在掌握并應用計算機科學的基本概念，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)小學生計算思維能力的重要載體。隨著新技術(shù)的發(fā)展與應用，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。虛擬教學平臺能夠為學生提供無限的探索空間、可視化的學習過程，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)式虛擬實驗教學進行了探索性研究，并在大學計算機基礎課程中引入了虛擬實驗輔助教學[1]。楊雨等人則通過“虛擬機器人”項目開展STEAM教學，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，在程序設計教學中為學生提供了直觀的作用對象，從而激發(fā)學生的學習興趣，讓學生更接近算法與編程，促進學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具有明顯優(yōu)勢，但目前虛擬仿真實驗與真實學習環(huán)境融合教學方面的研究仍然較少。筆者基于具身認知理論，構(gòu)建了以學生為中心的虛實融合教學模式，并進行了實踐教學與成效驗證，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的理論框架具身認知理論提出，學生在純虛擬環(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)教學的空間限制，優(yōu)化虛擬教學的真實感，從而改善學生學習體驗，增加學習投入，并優(yōu)化教學進程控制，提高教學效率。基于此，筆者提出了虛實融合環(huán)境下教學設計的五項原則。一是匹配性原則：遵循“虛實融合，能實不虛”的設計思想，設計相應的學習形式，以最大化促進學生有意義的知識建構(gòu)為前提，設計虛擬環(huán)境與真實環(huán)境中的學習形式。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，為學生提供學習的支架與橋梁。三是可操作性原則：為學生主動建構(gòu)提供可生成、可操作的學習內(nèi)容，支持學生更直觀具象地進行認知加工。四是情境化原則：為學生構(gòu)建特定的問題情境，立足具身學習基礎，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)教學內(nèi)容創(chuàng)設與之相適應的虛實融合實驗探究場景，提供真實的操作任務和無限接近真實的實驗場景。布置真實的操作任務旨在讓學生體驗真實的產(chǎn)品設計、調(diào)試、迭代和完善過程，以真實的實驗場景支持學生的科學探究?；谝陨显O計原則，構(gòu)建了虛實融合環(huán)境下機器人編程教學的理論框架，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學習環(huán)，以虛實融合的教學環(huán)境中教師指導和學生合作學習為主線，從實到虛，再由虛入實，分為明確任務、新知學習、合作探究、實踐應用和展示評價共五個環(huán)節(jié)。在學習環(huán)，學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練，既有設計、調(diào)試以及實操的機器人控制環(huán)節(jié)，滿足了學生動手動腦的自我實現(xiàn)需求，又涉及編程操作，通過問題情境的設置和小組協(xié)作的形式，幫助學生提升高階思維能力，與研究設計中對學生計算思維培養(yǎng)的目的保持了一致。右邊區(qū)域為學習結(jié)果環(huán)，包括學生的計算思維觀念、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對于學生計算思維培養(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”教學設計與實施（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)合三到五年級學生的認知特點以及教學實踐的需要，對內(nèi)容進行了適當?shù)闹匦戮幣??？紤]到學生都來自本校的機器人社團，對機器人的構(gòu)造和設計已有一定了解，因此對原來課程中介紹機器人結(jié)構(gòu)及其設計原理的內(nèi)容進行了刪減。筆者用更接近學生生活的視頻案例導入課程，旨在提高學生的參與度和興趣。課程的核心任務是要求學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)虛實融合式教學環(huán)境的設計原則進行了教學設計。筆者基于大疆教育機器人套件開展教學，要求學生以小組協(xié)作的形式，引導他們完成編程控制機器人在空地上書寫“米”字的教學任務。隨后，依據(jù)張屹等開發(fā)的我國小學生計算思維量表，對學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。筆者在教學設計中將從這五個維度來對教學目標進行表述，詳細內(nèi)容見表1。（二）教學設計與實施筆者設置五個環(huán)節(jié)實施虛實融合的機器人編程教學（如圖2）。1.初步認識與明確任務明確任務是教學過程的起點，旨在引導學生感知核心任務，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)學生的好奇心，然后介紹本課使用的大疆機器人，引導學生思考如何編程控制機器人完成書寫任務，并進行任務的抽象和模塊化。教師設置問題支架，輔助學生運用數(shù)學、科學等學科知識，將復雜的控制任務分解為路徑選擇、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，引導學生思考學習任務，分解大任務為小任務，促進知識建構(gòu)，提升問題解決和算法思維能力。2.新知學習與編程模擬學生根據(jù)教師講解和軟件程序模板，學習底盤控制模塊，掌握可視化編程語句和結(jié)構(gòu)。學生在掌握相關知識后，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。該平臺提供仿真物理模擬，還原機械關節(jié)、摩擦阻力、碰撞等特性，使編程學習更為高效。學生在模擬器中調(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，設計虛擬和真實環(huán)境的學習形式，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，旨在降低學生挫敗感，增強臨場體驗和學習沉浸感。4.實踐應用與底盤移動學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。面對真實環(huán)境中的摩擦力、機器人特性等不可控因素，學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，滿足學生對學習內(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，學生分享虛擬環(huán)境和程序代碼，其他學生可導入并修改程序，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，引導計算思維發(fā)展。本環(huán)節(jié)學生展示與交流作品，分組自評互評，分享學習成果，提升學習能力。學生欣賞和學習他人作品，審視調(diào)試代碼，評價他人作品，形成良好合作氛圍。四、虛實融合教學效果與發(fā)展?jié)摿Γㄒ唬┙虒W效果本研究旨在通過虛實融合教學創(chuàng)新培養(yǎng)小學生的計算思維，教學對象為武漢市某小學創(chuàng)客選修課的45名學生，涵蓋三至五年級。為確保實驗對象的隨機性，教師讓學生自主選擇學習該課程。為做好教學效果分析，筆者采用單組前后測實驗設計，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，虛實融合教學后學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測試題檢測學生計算思維知識與技能的變化。測試結(jié)果顯示，學生的平均正確題數(shù)為4.65題，超過半數(shù)，且所有學生的正確率均超過40%。將學生按高、中、低三個水平劃分，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)學生處于中等水平，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生在各學習階段的表現(xiàn)，對其計算思維操作能力進行質(zhì)性分析。學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生在操作過程中應用計算思維的能力。教學結(jié)束時，學生能以不同解決方案完成任務，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