機(jī)器人模塊中 踐行計(jì)算思維的設(shè)計(jì)途徑

王蕾

教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》頒布后，有關(guān)在義務(wù)教育階段教學(xué)中滲入計(jì)算思維的呼聲此起彼伏。在前期實(shí)驗(yàn)計(jì)算思維的常見課例中，機(jī)器人模塊受到了中小學(xué)一線教師的青睞，在計(jì)算思維研究課中，以此為主題的研究課例占有較大的比重。但是在這批嘗鮮的課例中，往往延續(xù)傳統(tǒng)信息技術(shù)教學(xué)模塊的設(shè)計(jì)方式。在課堂教學(xué)實(shí)踐中，多個(gè)課例出現(xiàn)了教學(xué)課時(shí)不足、學(xué)生課堂達(dá)成率不高、作品單一等問題，引起了筆者的思考。

問題分析

對(duì)相關(guān)課例詳細(xì)分析后發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)以上問題的原因在于：機(jī)器人模塊與傳統(tǒng)信息技術(shù)教學(xué)內(nèi)容之間，既有學(xué)科共性，也有模塊個(gè)性。如果教師采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，不能完全符合教學(xué)要求。在多個(gè)課例中，教師未能采用適宜的教學(xué)設(shè)計(jì)方式來組織教學(xué)，勢(shì)必引起諸多問題。從研究主題來說，計(jì)算思維作為信息技術(shù)學(xué)科的目標(biāo)之一，需要采用適宜的途徑進(jìn)行實(shí)踐，如何能尋找到適宜的設(shè)計(jì)載體，成為當(dāng)下教研的焦點(diǎn)。合理地運(yùn)用計(jì)算思維方式來組織機(jī)器人模塊的教學(xué)過程，方能取得較為理想的教學(xué)效果。

機(jī)器人模塊設(shè)置的內(nèi)容及現(xiàn)狀

1.機(jī)器人模塊的內(nèi)容分析特點(diǎn)

《中小學(xué)信息技術(shù)課程指導(dǎo)綱要（試行）》中明確指出，在中小學(xué)信息技術(shù)教學(xué)中，培養(yǎng)目標(biāo)可以歸納為三類：①在基礎(chǔ)模塊教學(xué)中，強(qiáng)調(diào)追求表現(xiàn)個(gè)性與特點(diǎn)的發(fā)散思維和人文精神；②在編程等邏輯思維能力培養(yǎng)的教育中，比較強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生如何認(rèn)識(shí)世界與發(fā)現(xiàn)規(guī)律的演繹、邏輯思維能力和科學(xué)精神；③在以機(jī)器人模塊為代表的新技術(shù)類的內(nèi)容中，所強(qiáng)調(diào)的是追求解決問題與完成任務(wù)的可實(shí)現(xiàn)、可操作的計(jì)算思維與創(chuàng)新精神。

作為學(xué)科內(nèi)容，機(jī)器人模塊屬于信息技術(shù)教學(xué)中的新模塊；從教學(xué)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)上分析，機(jī)器人模塊具有信息技術(shù)教學(xué)設(shè)計(jì)的共性，即注重實(shí)踐性和實(shí)驗(yàn)性，強(qiáng)調(diào)學(xué)科的操作技能目標(biāo)達(dá)成。但機(jī)器人模塊也具有自身的個(gè)性，即注重學(xué)生對(duì)解決問題方案的規(guī)劃，突出程序釋疑的多角度性，鼓勵(lì)學(xué)生在硬件搭建和軟件配套間尋求最佳途徑。

2.當(dāng)前機(jī)器人模塊教學(xué)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀

機(jī)器人模塊作為信息技術(shù)學(xué)科的內(nèi)容之一，進(jìn)入常規(guī)化班級(jí)授課的時(shí)間較短，各類教學(xué)設(shè)計(jì)和課堂教學(xué)的案例有限。根據(jù)已有情況來分析，大部分的機(jī)器人教學(xué)強(qiáng)調(diào)技能的訓(xùn)練，常規(guī)設(shè)計(jì)形式為：教師演示程序—學(xué)生模仿搭建—學(xué)生練習(xí)—教師總結(jié)。在常規(guī)設(shè)計(jì)中，教師注重技能的演示，忽視對(duì)機(jī)器人搭建過程的關(guān)注，導(dǎo)致課堂類似傳統(tǒng)工匠的作坊，學(xué)生缺乏必要的思維過程，無法進(jìn)行有效的知識(shí)遷移，作品達(dá)成形式單一。

機(jī)器人模塊與計(jì)算思維培養(yǎng)的關(guān)聯(lián)

1.機(jī)器人模塊與計(jì)算思維培養(yǎng)的契合點(diǎn)

機(jī)器人模塊涉及硬件搭建和軟件編程兩個(gè)項(xiàng)目：硬件搭建的過程中，學(xué)生需要清晰的思維框架和完整的功能載體。在這個(gè)過程中，計(jì)算思維的方式能夠給學(xué)生充分的學(xué)習(xí)支架，幫助其整理思路、確定任務(wù)主線。軟件編程中，學(xué)生要根據(jù)任務(wù)的要求，編寫機(jī)器人的相關(guān)活動(dòng)程序，活動(dòng)過程中，程序在學(xué)習(xí)中跟隨任務(wù)的推進(jìn)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整、改編、設(shè)置，以期完成機(jī)器人的相關(guān)活動(dòng)。編程的過程，具有典型的算法思維的特征，基于計(jì)算思維的算法設(shè)計(jì)是編程的重要基礎(chǔ)，整個(gè)編程過程基于計(jì)算思維而進(jìn)行。

2.具有計(jì)算思維特征的設(shè)計(jì)給機(jī)器人模塊教學(xué)帶來的變化

計(jì)算思維是與形式化問題及其解決方案相關(guān)的思維過程，其解決問題的表示形式應(yīng)該能有效地被信息處理代理執(zhí)行。通過對(duì)機(jī)器人模塊教學(xué)過程的分析可以看出，計(jì)算思維對(duì)機(jī)器人模塊的教學(xué)有著重要的意義。具有計(jì)算思維特征的教學(xué)設(shè)計(jì)，可以幫助機(jī)器人模塊的教學(xué)在硬件上達(dá)到高效規(guī)范的目的，在軟件上達(dá)到細(xì)化編程過程、規(guī)范編程細(xì)節(jié)的作用。因此，基于計(jì)算思維特征的教學(xué)設(shè)計(jì)可以給機(jī)器人模塊教學(xué)帶來規(guī)范的學(xué)習(xí)能量和清晰的學(xué)習(xí)思路。在教學(xué)實(shí)踐中，計(jì)算思維物化為符合學(xué)科特征的設(shè)計(jì)手段，通過適宜的組織構(gòu)建，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)計(jì)算思維的學(xué)習(xí)過程，有效地落實(shí)教學(xué)目標(biāo)。

基于計(jì)算思維的機(jī)器人模塊教學(xué)設(shè)計(jì)模式

基于計(jì)算思維的教學(xué)設(shè)計(jì)具有鮮明的特征，在機(jī)器人模塊的課堂教學(xué)過程中，通過硬件搭建和軟件編程兩個(gè)角度得以具體實(shí)施。下面，筆者以《機(jī)器人循光》一課為例，探索基于計(jì)算思維培養(yǎng)的機(jī)器人模塊教學(xué)設(shè)計(jì)模式。

1.迭代思維：多算法思維——從技能中心到問題解決

迭代是重復(fù)反饋過程的活動(dòng)，其目的通常是為了逼近所需目標(biāo)或結(jié)果。每一次對(duì)過程的重復(fù)稱為一次“迭代”，而每一次迭代得到的結(jié)果會(huì)作為下一次迭代的初始值。迭代函數(shù)在數(shù)學(xué)運(yùn)算中廣泛使用、迭代算法在程序編寫中經(jīng)常涉及。這里的迭代思維是指將多維度的算法思維進(jìn)行有效的組合，讓學(xué)習(xí)者的關(guān)注力從以技能為中心轉(zhuǎn)移到問題的解決方式上來，構(gòu)建自身的學(xué)習(xí)支架。

（1）原設(shè)計(jì)

機(jī)器人模塊的經(jīng)典課例《機(jī)器人循光》，包括“認(rèn)識(shí)紅外傳感器”“設(shè)置紅外傳感器”“用紅外傳感器控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)”三個(gè)主要環(huán)節(jié)。在第一個(gè)環(huán)節(jié)中，常見的設(shè)計(jì)方式為：教師播放一段機(jī)器人競(jìng)賽中機(jī)器人追逐足球的視頻，讓學(xué)生了解機(jī)器人循“物”的工作方式，引入紅外傳感器，再介紹紅外傳感器的生活用途，完成學(xué)生對(duì)紅外傳感器的認(rèn)識(shí)。

（2）思考焦點(diǎn)

以上的教學(xué)過程中，雖然沒有明顯的認(rèn)知問題，但是在課堂教學(xué)中，常常會(huì)出現(xiàn)學(xué)生參與度不高、無法拓展生活實(shí)例的情況，以至于教師讓學(xué)生搭建紅外傳感器時(shí)，學(xué)生不知所措，無法達(dá)到滿意的教學(xué)效果。究其原因，教師給與學(xué)生的學(xué)習(xí)素材只注重概念的技能特征，忽視了其問題解決的推動(dòng)原理。雖然是機(jī)器人的應(yīng)用實(shí)例，但是“循光”與“尋物”缺乏必要的物質(zhì)聯(lián)系，學(xué)生無法理解紅外傳感器為什么能起到“循”的作用。因此，在搭建過程中，才出現(xiàn)了學(xué)生不知該如何安插紅外傳感器的尷尬情況。

（3）改進(jìn)型設(shè)計(jì)

基于計(jì)算思維的設(shè)計(jì)過程中，教師可以從“自動(dòng)門”入手，引導(dǎo)學(xué)生觀察為什么能“自動(dòng)”？學(xué)生通過自身的生活經(jīng)驗(yàn)，可以想到自動(dòng)門頂端有個(gè)紅色的小燈，每當(dāng)有人靠近時(shí)，小紅燈就會(huì)閃一下，接著門就開了。教師拿出實(shí)物展示給學(xué)生看；接著通過對(duì)“自動(dòng)門”工作過程的分析，帶領(lǐng)學(xué)生繪出工作流程圖，讓學(xué)生清晰了解紅外傳感器的工作原理；再帶領(lǐng)學(xué)生將紅外傳感器搭建到機(jī)器人機(jī)身上。

教學(xué)評(píng)析：在此過程中，雖然流程相對(duì)復(fù)雜，看似耗用了較多的時(shí)間，但給學(xué)生充分的知識(shí)補(bǔ)給，幫助學(xué)生建立理性的問題解決框架，了解完整的認(rèn)知內(nèi)容及原理。通過這樣的設(shè)計(jì)，學(xué)生明晰了學(xué)習(xí)任務(wù)的行進(jìn)方式，有目的地進(jìn)行自我學(xué)習(xí)過程的推進(jìn)。因?yàn)槎?，所以?zhǔn)確，在教學(xué)實(shí)踐中，此設(shè)計(jì)不但收到了良好的達(dá)成率，而且學(xué)生能夠積極地尋求下一輪學(xué)習(xí)的開展。

2.基準(zhǔn)設(shè)計(jì)：區(qū)塊鏈設(shè)計(jì)——從單一認(rèn)知到項(xiàng)目組合

區(qū)塊鏈?zhǔn)莵碜詳?shù)學(xué)算法的概念，包含分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、共識(shí)機(jī)制、加密算法等計(jì)算機(jī)技術(shù)的新型應(yīng)用模式，落實(shí)在教學(xué)設(shè)計(jì)中，借用區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的學(xué)習(xí)共同體，完成實(shí)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)之間建立信任、獲取權(quán)益的問題算法線。

（1）原設(shè)計(jì)

常規(guī)教學(xué)中，《機(jī)器人循光》的第二環(huán)節(jié)一般為“設(shè)置紅外傳感器參數(shù)”。在已有的案例中，一般會(huì)從程序入手，教師講授相關(guān)控件的設(shè)置方法，演示相關(guān)的過程，完成紅外傳感器的設(shè)置。教學(xué)設(shè)計(jì)的流程為“提出任務(wù)—編寫程序—設(shè)置參數(shù)—完成設(shè)置”。在教學(xué)中經(jīng)常遇到學(xué)生應(yīng)變能力不足的情況。例如，改變機(jī)器人工作環(huán)境后學(xué)生無法適從，或不同的光照條件下學(xué)生無法應(yīng)對(duì)更為復(fù)雜的控件模塊；又如，出現(xiàn)機(jī)器人活動(dòng)故障后，部分學(xué)生不會(huì)修改程序，或修改的程序參數(shù)不正確。

（2）思考焦點(diǎn)

以上問題可以歸因?yàn)閷W(xué)生對(duì)紅外線模塊程序思考的應(yīng)變能力不夠，未能掌握編程語言的內(nèi)核，學(xué)習(xí)停留在程序模仿的階段。此時(shí)學(xué)生的學(xué)習(xí)過程是線性的、固化的、單一性的、碎片式的，就學(xué)習(xí)的性質(zhì)而言，“演示+模仿”的程序教學(xué)中，學(xué)生缺乏意義學(xué)習(xí)的過程，這樣的學(xué)習(xí)缺乏必要的認(rèn)知支持系統(tǒng)。

（3）改進(jìn)型設(shè)計(jì)

基于計(jì)算思維的《機(jī)器人循光》的第二部分設(shè)計(jì)中，教師可采用以下形式組織教學(xué)：

小結(jié)：教師帶領(lǐng)學(xué)生分析前一階段的紅外傳感器工作流程圖。

主題：教師給出本節(jié)課的活動(dòng)目的→學(xué)生分析問題核心。

首次定義：學(xué)生繪制問題流程圖→教師指導(dǎo)過程；

第一區(qū)塊：根據(jù)流程圖→定義相關(guān)變量→編寫首輪程序模塊；

第二區(qū)塊：根據(jù)改進(jìn)圖→使用相關(guān)變量→修改程序參數(shù)；

第三區(qū)塊：根據(jù)反饋圖→修改相關(guān)變量→編譯相關(guān)程序；

……

綜合區(qū)塊鏈：完成與實(shí)驗(yàn)環(huán)境相適應(yīng)的紅外線程序編寫和參數(shù)設(shè)置。

經(jīng)過多個(gè)區(qū)塊鏈相組合后，學(xué)生完成較為完整的控制紅外傳感器的程序編寫，學(xué)會(huì)了在不同環(huán)境下設(shè)置相關(guān)程序的方法，并理解了不同環(huán)境下應(yīng)該如何修改相應(yīng)的參數(shù)。

教學(xué)評(píng)析：學(xué)生的多項(xiàng)區(qū)塊鏈的組合思考，所形成的是較為完善的學(xué)習(xí)概念。多項(xiàng)的區(qū)塊鏈的本質(zhì)是分項(xiàng)目對(duì)變量進(jìn)行定義和修改，讓學(xué)生對(duì)控件模塊的編程參數(shù)有較為深刻的理解。每一輪的項(xiàng)目就是一個(gè)區(qū)塊鏈，多個(gè)區(qū)塊鏈綜合在一起，有機(jī)整合了學(xué)生的邏輯思維過程。在基于計(jì)算思維的設(shè)計(jì)方式中，對(duì)于紅外傳感器之類有較強(qiáng)應(yīng)用型特征的內(nèi)容，可采用區(qū)塊鏈設(shè)計(jì)的方式，將單一認(rèn)知的流程改變到學(xué)習(xí)方陣中進(jìn)行，保持思維過程的嚴(yán)密性。通過教學(xué)實(shí)踐，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生的深度理解力明顯提升，收到了良好的教學(xué)效果。

3.遞歸思維：泛深度學(xué)習(xí)——從泛在項(xiàng)目到深入解析

遞歸是一種在程序設(shè)計(jì)中常用的編程技巧，程序調(diào)用自身的編程技巧稱為遞歸。遞歸思維作為一種典型的計(jì)算思維算法，在程序設(shè)計(jì)語言中廣泛應(yīng)用。在基于遞歸算法思維的機(jī)器人模塊中，通常會(huì)把一個(gè)大型復(fù)雜的機(jī)器人實(shí)踐問題，層層轉(zhuǎn)化為一個(gè)與原問題相似的規(guī)模較小的問題來求解。具體而言，遞歸思維借助問題分解，從泛在內(nèi)容中提取清晰的結(jié)構(gòu)組件，以達(dá)到深入解析問題的目的。

（1）原設(shè)計(jì)

本課的第三個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)為“用紅外傳感器控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)”。常規(guī)設(shè)計(jì)中，一般是教師在前一階段講述了程序的設(shè)置方式，這部分讓學(xué)生進(jìn)行具體的實(shí)踐，編寫機(jī)器人循光的程序：如果前方有光源，機(jī)器人前進(jìn)；如果前方?jīng)]有光源，機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)；如果光源的光照度不夠，機(jī)器人后退。在授課中，此部分的教學(xué)效果不盡如人意，相當(dāng)數(shù)量的學(xué)生不知所措、無法完成程序的搭建，或者不會(huì)根據(jù)機(jī)器人實(shí)際出現(xiàn)的情況修改自己的程序。

（2）思考焦點(diǎn)

學(xué)生之所以出現(xiàn)問題，與其前期的程序基礎(chǔ)薄弱有關(guān)，學(xué)生模仿程序后，不能靈活地進(jìn)行深入的實(shí)踐。從表象來看，這部分內(nèi)容屬于實(shí)踐性的環(huán)節(jié)；從認(rèn)知角度分析，此環(huán)節(jié)屬于理性思維與感性經(jīng)驗(yàn)的跨越階段，學(xué)生的自我構(gòu)建需要教師的助力。合理的設(shè)計(jì)中，應(yīng)發(fā)揮教師的主觀能動(dòng)性，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)必要的活動(dòng)內(nèi)容，以保證其能夠合理地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。

（3）改進(jìn)型設(shè)計(jì)

基于遞歸思維的設(shè)計(jì)中，“用紅外傳感器控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)”的過程可通過分解問題的形式推進(jìn)，將大問題化整為零，分步突破。

教師提供四條具體的問題推進(jìn)路線，學(xué)生根據(jù)以上思路，分步驟完成相應(yīng)的小任務(wù)，最終實(shí)現(xiàn)活動(dòng)目的。

問題1：解析環(huán)境的類型：○無光、○有弱光、○有強(qiáng)光

問題2：傳感器檢測(cè)分類：○停止運(yùn)動(dòng) ○后退運(yùn)動(dòng) ○前進(jìn)運(yùn)動(dòng)

問題3：程序解碼的方式：○模塊參數(shù)設(shè)置 ○源代碼修改 ○依據(jù)環(huán)境重新定義

問題4：平臺(tái)與機(jī)器的連接：○直連式 ○編譯式 ○二次編碼式

綜合問題：用紅外傳感器控制機(jī)器人的多種運(yùn)動(dòng)形式

教學(xué)評(píng)析：以上案例包括三次遞歸過程，包括解決問題的邊界條件、遞歸前進(jìn)段和遞歸返回段。當(dāng)邊界條件不滿足時(shí)，遞歸前進(jìn)；當(dāng)邊界條件滿足時(shí)，遞歸返回。在此過程中，學(xué)生的活動(dòng)是細(xì)化的、泛化的、可掌控的。學(xué)生只需遵循相應(yīng)的學(xué)習(xí)主線，就可描述出解題過程所需要的多次重復(fù)計(jì)算，大大地減少了程序的代碼量?；谶f歸思維的機(jī)器人模塊的設(shè)計(jì)妙處在于，用有限的語句來定義對(duì)象的無限集合。在教學(xué)實(shí)踐中，基于遞歸思維的教學(xué)設(shè)計(jì)中，學(xué)生創(chuàng)作了大量豐富多彩的作品，讓該課內(nèi)容獲得了較好的教學(xué)效果。

總結(jié)與展望

在機(jī)器人模塊中踐行計(jì)算思維的設(shè)計(jì)方法，具有鮮明的學(xué)科特征，能夠?qū)⑤^為抽象的程序編寫過程落實(shí)在具象化的活動(dòng)載體中，并能夠?yàn)榻虒W(xué)過程提供實(shí)際的學(xué)習(xí)支持。在使用計(jì)算思維來進(jìn)行機(jī)器人模塊的教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，要注意以下問題：

首先，有的放矢。在機(jī)器人模塊中篩選適宜的內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)。并非所有的教學(xué)內(nèi)容都適宜使用計(jì)算思維的方式組織教學(xué)。教學(xué)內(nèi)容中含有明顯的硬件、軟件結(jié)合的，符合計(jì)算思維的特征，可進(jìn)行適宜的嘗試。某些過于復(fù)雜的活動(dòng)內(nèi)容，則無法進(jìn)行過于準(zhǔn)確的迭代思維或無法進(jìn)行完全的計(jì)算思維，需要教師進(jìn)行具體的分析。

其次，有名乃大。注重主題性，圍繞確定的項(xiàng)目進(jìn)行思考。主題的篩選尤為重要，教師要選擇符合兒童認(rèn)知習(xí)慣和認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)的主題進(jìn)行活動(dòng)組織，避免過于生僻的主題內(nèi)容。

最后，有張有弛。教學(xué)形式多樣，擴(kuò)展學(xué)生的多樣性學(xué)習(xí)空間。在實(shí)施過程中，教師要注重獲取多維度的教學(xué)支持，如課外的資源獲取、移動(dòng)學(xué)習(xí)空間的利用等，滿足學(xué)生的求知欲。