基于機(jī)器人編程教學(xué)的小學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)策略研究

【摘要】依托機(jī)器人編程教學(xué)引領(lǐng)，細(xì)化小學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)，是促進(jìn)學(xué)生信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的基本著力點(diǎn)。計(jì)算思維是智能時(shí)代下創(chuàng)新人才必備的基本素養(yǎng)。在小學(xué)信息科技課程教學(xué)中，教師一方面應(yīng)深度研讀新課標(biāo)，掌握信息化素養(yǎng)的內(nèi)涵，并結(jié)合機(jī)器人編程課程教學(xué)實(shí)踐，助力學(xué)生計(jì)算思維的有序發(fā)展；另一方面還需抓實(shí)小學(xué)生計(jì)算思維的概念界定，分析其在學(xué)生全面發(fā)展中的積極意義，探索其實(shí)施的基本策略，促進(jìn)小學(xué)生信息化素養(yǎng)發(fā)展，為其終身學(xué)習(xí)奠定良好基礎(chǔ)?！娟P(guān)鍵詞】機(jī)器人編程教學(xué)；小學(xué)生；信息科技課程；計(jì)算思維；培養(yǎng)策略在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，計(jì)算思維已是一項(xiàng)不可或缺的能力。在小學(xué)生的認(rèn)知發(fā)育過程中，編程教學(xué)可以通過可視化的操作與交互的形式，有效地調(diào)動(dòng)他們的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)造性。機(jī)器人編程是一種將計(jì)算機(jī)軟硬件結(jié)合起來的教育方式，它既可以提高學(xué)生的邏輯推理、問題解決能力，又可以培養(yǎng)他們的團(tuán)隊(duì)精神、項(xiàng)目管理能力等。在我國(guó)，關(guān)于培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維能力的研究與實(shí)踐較少，怎樣才能更好地指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行編程仍然是個(gè)難題。在這一背景下，教師需要深入探索基于機(jī)器人編程的計(jì)算思維培養(yǎng)策略，以促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。一、概念界定（一）計(jì)算思維計(jì)算思維就是利用計(jì)算機(jī)科學(xué)中的一些基礎(chǔ)概念去解決問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)、理解行為。這樣的思維模式并不局限于編程與計(jì)算機(jī)科學(xué)，它也被運(yùn)用到各個(gè)學(xué)科與日常生活中。在小學(xué)信息科技課程教學(xué)中，如何培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，成為當(dāng)前教育改革的一個(gè)重要課題。計(jì)算思維由分解問題、模式識(shí)別、抽象、算法設(shè)計(jì)等構(gòu)成。所謂的“分解問題”，就是把一個(gè)比較大的、難以解決的問題分成幾個(gè)小的、更容易解決的問題；“模式識(shí)別”是指通過對(duì)問題之間的相似性進(jìn)行辨識(shí)，從而使求解過程簡(jiǎn)單化；“抽象”是把無關(guān)的具體內(nèi)容忽略，將注意力放在問題的核心；而“算法設(shè)計(jì)”就是要為求解問題設(shè)定清晰的過程與規(guī)律。在小學(xué)信息科技教學(xué)中，通過編寫簡(jiǎn)單的程序與求解實(shí)際問題，學(xué)生能夠逐漸獲得基本的計(jì)算思維能力。計(jì)算思維既可以提高學(xué)生的邏輯思維和解題的能力，又可以讓他們?cè)谟龅揭恍┍容^復(fù)雜的問題時(shí)，用有條理的方式去進(jìn)行思考［1］。這樣的思維對(duì)于學(xué)生將來的發(fā)展是非常重要的。（二）機(jī)器人編程教學(xué)在小學(xué)信息科技課程中，機(jī)器人編程是一個(gè)非常關(guān)鍵的教學(xué)內(nèi)容。在小學(xué)階段，通過學(xué)習(xí)機(jī)器人編程課程，學(xué)生既能了解最新科技DxG/fmtGkuDU/UINUjDT/Q==的發(fā)展方向，又能得到實(shí)際操作與探究的機(jī)會(huì)。在機(jī)器人編程課程中，教師要求學(xué)生使用Scratch、Blockly等編程程序，并對(duì)其進(jìn)行操作。比如，學(xué)生可以編程，讓機(jī)器人沿著預(yù)先設(shè)定的路徑前進(jìn)，躲避障礙，或完成某些運(yùn)動(dòng)。通過實(shí)際操作，學(xué)生對(duì)編程中的序列執(zhí)行、條件判斷、循環(huán)及變數(shù)等基本觀念有了更深層次的了解。此外，該課程注重小組協(xié)作與項(xiàng)目管理。學(xué)生通常需要組成一個(gè)團(tuán)隊(duì)，一起設(shè)計(jì)、編寫、調(diào)試程序，這樣既可以鍛煉學(xué)生的協(xié)作意識(shí)，又可以提高他們交流與表達(dá)的能力。教師通過將抽象的編程概念與實(shí)際的操作有機(jī)地融合在一起，讓學(xué)生體會(huì)到編程的快樂與成功，進(jìn)而培養(yǎng)其對(duì)信息科技的濃厚興趣。這樣既提高了學(xué)生的編程技能水平，又培養(yǎng)了他們的計(jì)算思維，促進(jìn)整體素質(zhì)的發(fā)展。二、機(jī)器人編程教學(xué)對(duì)培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維的意義（一）提升邏輯思維和問題解決能力在小學(xué)階段的信息科技課程中，機(jī)器人編程教學(xué)的重要性是顯而易見的。機(jī)器人編程教學(xué)要求學(xué)生掌握并運(yùn)用一些基礎(chǔ)的編程概念，如變量、循環(huán)、條件語(yǔ)句等。這些概念不僅對(duì)編程有重要意義，而且有助于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)密的邏輯推理能力。編程的實(shí)質(zhì)就是不斷地發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題。在編程過程中，學(xué)生將面臨各種困難，他們需要運(yùn)用邏輯分析、試驗(yàn)論證等方法尋找問題的答案。比如，在機(jī)器人不能沿著預(yù)定路線行進(jìn)的情況下，學(xué)生要對(duì)其進(jìn)行邏輯上的修正，并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整與完善。這個(gè)過程既可以訓(xùn)練學(xué)生的邏輯推理能力，又可以培養(yǎng)學(xué)生處理復(fù)雜問題的耐心與毅力。（二）激發(fā)創(chuàng)造力和創(chuàng)新能力機(jī)器人編程教學(xué)可以提高學(xué)生的創(chuàng)造力與創(chuàng)新能力。在信息科技課程教學(xué)中，教師往往采用項(xiàng)目教學(xué)法，讓學(xué)生依據(jù)個(gè)人喜好及想象力，自行完成不同用途的機(jī)器人編程。例如，學(xué)生可以設(shè)計(jì)一種可以自主躲避障礙物的機(jī)器人，也可以設(shè)計(jì)一種可以與人交互的智能機(jī)器人。在機(jī)器人編程課程中，學(xué)生可以盡情地發(fā)揮自己的創(chuàng)意，把自己的想法變成實(shí)在的編程程序。同時(shí)，通過小組活動(dòng)，學(xué)生也可以學(xué)會(huì)在集體活動(dòng)中發(fā)揮自己的創(chuàng)造力。以創(chuàng)意為導(dǎo)向的教學(xué)模式，不僅讓編程教學(xué)充滿趣味與挑戰(zhàn)性，還能為學(xué)生日后的發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。（三）培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作和溝通能力機(jī)器人編程教學(xué)對(duì)提高小學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神與交流能力也起到積極的作用。機(jī)器人編程項(xiàng)目往往要求學(xué)生以小組為單位，分工進(jìn)行合作。在這個(gè)學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生除了要合作完成任務(wù)，還要與他人進(jìn)行良好的交流。比如，當(dāng)面對(duì)一個(gè)比較復(fù)雜的機(jī)器人項(xiàng)目時(shí)，編程師要跟設(shè)計(jì)者探討軟件與程序的整合，而測(cè)試者則要將程序執(zhí)行過程中出現(xiàn)的問題記錄下來，并提出修正意見。通過這樣的小組活動(dòng)，學(xué)生可以更好地發(fā)揮自己的優(yōu)勢(shì)，在交流與探討中提升自己的語(yǔ)言表達(dá)與交流能力。教師讓學(xué)生親歷機(jī)器人編程項(xiàng)目的全過程，可以培養(yǎng)學(xué)生的集體觀念及協(xié)作能力，并為其日后融入社會(huì)奠定良好的基礎(chǔ)。三、基于機(jī)器人編程教學(xué)的小學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)策略（一）設(shè)計(jì)項(xiàng)目，解決問題在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，提高學(xué)生的問題解決能力顯得尤其重要。計(jì)算思維就是把一個(gè)復(fù)雜的問題分成更小、更容易處理的模塊，然后用一種合理的、系統(tǒng)的思路去解決。在機(jī)器人編程教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，不僅對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)有很大的幫助，而且對(duì)于學(xué)生解決現(xiàn)實(shí)中的種種困難也是非常有益的［2］。比如，在“即時(shí)的交流與分享”這節(jié)課的教學(xué)中，教師以“即時(shí)通信”為項(xiàng)目課題，引導(dǎo)學(xué)生通過編程，讓機(jī)器人具備即時(shí)通信功能，能夠自動(dòng)回復(fù)信息。首先，教師帶領(lǐng)學(xué)生了解即時(shí)通信機(jī)器人的基本原理與功能，并通過一系列循序漸進(jìn)的小任務(wù)模塊，讓學(xué)生逐步地解決原本比較困難的編程問題。例如，學(xué)生要想辦法先讓機(jī)器人識(shí)別出一些關(guān)鍵字詞，然后做出適當(dāng)?shù)幕卮?，這就包括了模式識(shí)別與抽象思維的運(yùn)用。在此期間，學(xué)生必須持續(xù)地進(jìn)行邏輯推理與檢驗(yàn)，以求出最佳方案。學(xué)生也許會(huì)在一些案例中發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人不能正確地辨認(rèn)關(guān)鍵字，從而做出錯(cuò)誤的回答。此時(shí)，教師要讓學(xué)生自己去剖析根本原因，然后用各種方式來進(jìn)行修正。課程結(jié)束時(shí)，學(xué)生展示自己設(shè)計(jì)的機(jī)器人程序，并與同學(xué)交流在編程過程中遇到的問題與解決辦法。教師利用機(jī)器人編程項(xiàng)目，讓學(xué)生學(xué)習(xí)編程，培養(yǎng)學(xué)生分析與處理問題的能力，對(duì)學(xué)生今后的學(xué)業(yè)、人生發(fā)展起到重要作用。（二）創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)，激發(fā)想象機(jī)器人編程可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，在此過程中，學(xué)生可以把自己的想法轉(zhuǎn)換成真實(shí)的程序和作品，這既可以提升他們的計(jì)算思維能力，又可以發(fā)展他們的創(chuàng)新與實(shí)踐技能。編程的整個(gè)過程就是一個(gè)不斷地求解和獲得最優(yōu)解的過程，這就需要學(xué)生不斷地嘗試，不斷地調(diào)整，進(jìn)而完善自己的程序，提高創(chuàng)新思考能力［3］。比如，在“創(chuàng)作數(shù)字作品”這一課中，教師可以指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)易的機(jī)器人動(dòng)畫程序的設(shè)計(jì)與編寫。首先，教師講解數(shù)字作品制作的基礎(chǔ)知識(shí)與程序，讓學(xué)生理解數(shù)字作品的制作方法。其次，教師結(jié)合實(shí)例，說明怎樣利用計(jì)算機(jī)程序來完成一個(gè)機(jī)器人動(dòng)畫的基本動(dòng)作，比如走路、揮手、跳躍等。再次，教師鼓勵(lì)學(xué)生大膽實(shí)驗(yàn)，充分利用自己的想象和創(chuàng)意，進(jìn)行一些獨(dú)特的設(shè)計(jì)。比如，學(xué)生可以設(shè)計(jì)能夠變化形狀的機(jī)器人，或是能唱又能跳的機(jī)器人。最后，教師讓學(xué)生演示自己制作的機(jī)器人動(dòng)畫程序，彼此交流設(shè)計(jì)心得。這個(gè)活動(dòng)不僅給予了學(xué)生展現(xiàn)自己成果的機(jī)會(huì)，同時(shí)也為學(xué)生相互交流提供了平臺(tái)。在此過程中，學(xué)生既能掌握編程相關(guān)的理論知識(shí)，又能鍛煉自身的創(chuàng)新能力。（三）分配任務(wù)，團(tuán)隊(duì)協(xié)作在小學(xué)信息科技課程中，機(jī)器人編程能夠培養(yǎng)小學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神。在編程項(xiàng)目中，學(xué)生需要分配任務(wù)，展開協(xié)作。這樣既可以鍛煉學(xué)生的合作能力，又可以增強(qiáng)學(xué)生的集體觀念，培養(yǎng)學(xué)生的責(zé)任心和領(lǐng)導(dǎo)才能，對(duì)于學(xué)生今后的發(fā)展十分重要。通過團(tuán)隊(duì)合作，學(xué)生能夠認(rèn)識(shí)到自己的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，在團(tuán)體中充分地利用自己的長(zhǎng)處，并從中吸取經(jīng)驗(yàn)，使整個(gè)隊(duì)伍的工作效率與質(zhì)量得到提高［4］。此外，在小組合作中，學(xué)生也能加強(qiáng)彼此間的信任，這對(duì)他們以后參加學(xué)校活動(dòng)、工作以及社會(huì)上的各類團(tuán)體活動(dòng)都是很有幫助的。比如，在“在線協(xié)作學(xué)習(xí)”這一課的教學(xué)中，教師可以為學(xué)生布置一次小組合作式的機(jī)器人編程任務(wù)。在課程之初，教師將3～4個(gè)學(xué)生分為一組，以保證小組成員各有專長(zhǎng)，能夠取長(zhǎng)補(bǔ)短。接著，教師介紹在線協(xié)作學(xué)習(xí)工具的用法，例如分享文件、即時(shí)消息及項(xiàng)目管理等，并演示利用此工具執(zhí)行作業(yè)及追蹤作業(yè)進(jìn)度的方式。學(xué)生小組對(duì)編程、設(shè)計(jì)、測(cè)試、文檔編寫等方面進(jìn)行具體的工作安排。課程期間，教師安排在線會(huì)議，協(xié)助學(xué)生解決遇到的難題，并與學(xué)生交流學(xué)習(xí)進(jìn)度及體會(huì)。這樣，學(xué)生不僅可以學(xué)到在線協(xié)作學(xué)習(xí)的相關(guān)知識(shí)，還可以體會(huì)到真正的團(tuán)體合作。在項(xiàng)目研究的后期，各小組要匯報(bào)自己的研究成果，并交流各自的合作經(jīng)驗(yàn)。通過交流與合作，學(xué)生可以學(xué)到各種處理問題的方式與技能，進(jìn)而培養(yǎng)合作精神。這一活動(dòng)既能讓學(xué)生在實(shí)際操作中掌握編程方面的理論，又能增強(qiáng)他們的集體觀念與責(zé)任心，為學(xué)生今后的學(xué)業(yè)與工作奠定良好的基礎(chǔ)。（四）自主學(xué)習(xí)，增強(qiáng)信心機(jī)器人編程可以提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，通過編寫程序，學(xué)生能夠獨(dú)立地探究、學(xué)習(xí)，并獲得新的知識(shí)與技能。這樣的教學(xué)方法可以提高學(xué)生的自我約束力，增強(qiáng)學(xué)生的自主意識(shí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)信心與自立能力［5］。以“自主可控技術(shù)”這節(jié)課的教學(xué)為例。首先，教師講解有關(guān)“自主可控技術(shù)”的理論與運(yùn)用，使學(xué)生能夠?qū)Υ擞幸粋€(gè)大致的認(rèn)識(shí)。接著，教師給學(xué)生安排一個(gè)開放式的編程任務(wù)，比如，通過程序編寫讓機(jī)器人做一項(xiàng)特殊的工作。該任務(wù)要求學(xué)生自行查閱有關(guān)文獻(xiàn)，掌握必要的專業(yè)知識(shí)，并自行設(shè)計(jì)有關(guān)程序。在此期間，學(xué)生要自行設(shè)計(jì)自己的學(xué)習(xí)路線，并逐漸地獲得所需的技巧與知識(shí)，如編程技巧、邏輯思維、問題解決、工程管理等多種技能。在學(xué)生編程過程中，教師除了給予必要的引導(dǎo)與協(xié)助，還應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、發(fā)現(xiàn)問題的能力。這樣，學(xué)生既能體會(huì)到自主學(xué)習(xí)的成就感與快樂，又能在遇到不熟