基于機器人社團的高中生計算思維培育策略

劉付燕

摘 要：文章在剖析計算思維內涵的基礎上，指出在高中機器人社團體驗、探索和創造中培養計算思維具有獨特優勢，并在實踐經驗的基礎上提出了計算思維的培養策略：在項目學習中培養計算思維、在實現“人機對話”中提升計算思維、在“方案優化”中培育計算思維。

關鍵詞：高中生;機器人社團;計算思維

中圖分類號：G633.67????????? 文獻標識碼：A???? 文章編號：1992-7711（2020）21-057-1

2018年1月頒布的《普通高中信息技術課程標準》中指出：計算思維作為信息技術學科核心素養的核心要素之一是指個體運用計算機科學領域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產生的一系列思維活動。華東師范大學任友群等人認為，計算思維是一種運用計算概念和工具解決實際問題的過程，也是一種需要系統培養、鍛煉的科學思維方式，可以將其從方法習得、工具應用、思維遷移三個層面與中小學信息技術課程融合并落實。[1]計算思維作為一種高階思維方式，其思想基礎是數學思維和工程思維，是一種求解問題的有效工具。計算思維的本質是問題解決過程，是信息技術課程的內在價值追求。

一、機器人社團：體驗、探索和創造式學習

目前很多小學和初中都開設了創客、機器人、編程等課程，因此在高中傳統的信息技術興趣小組已經不能完全滿足學生的學習需求，比如，有些學生在小學、初中就對編程有了一定的學習基礎、有些學生參加過國家、省級、市級的機器人比賽并取得了不錯的成績。由此可見，在高中成立機器人社團是非常必要的。機器人社團的成立一方面可以滿足具有科技特長學生的學習需求;另一方面也為學生創新能力的螺旋上升提供的平臺和機會。

在機器人的學習過程中，需要學生面向任務（解決問題）完成基礎搭建、結構改進、算法設計、程序編寫、程序調試、程序改進等一系列的過程，在這個過程中學生要主動分析問題、設計優化方案、算法實現與程序調試、有效地增強學生的利用信息技術解決問題的能力以及創新意識、創造力以和自主學習能力的培養。

二、做中學：機器人社團培養計算思維的途徑

計算思維的核心是設計問題解決的算法或方案，培養學生計算思維的關鍵在于引導學生思考工具背后的算法。在機器人教學中，利用程序控制機器人完成指定任務，不僅培養了學生的計算思維，而且讓學生充分體驗和實踐了問題抽象、算法設計、程序實現和程序調試、算法優化等過程。

1.在項目學習中培養計算思維

機器人的學習涉及到了科學、數學、工程和技術等多學科的內容，需要同學之間協作學習，學習過程中要建立組內異質、組間同質的學習團隊。因此在機器人社團的學習中多開展基于真實問題情境的學習，并讓學生采用項目學習法。項目學習很大程度上還原了學習的本質，這種具有真實情境的學習能促進學生對信息問題的敏感性、對自己學習的掌控力、對問題求解的思考力的發展。

比如，在2019年賽季的機器人比賽中學生采用項目學習的形式來進行，首先學生根據學校購買設備選擇參賽項目，確定項目主題：VEX機器人工程挑戰賽——“反敗為勝”主題，接下來指導教師要帶領學生認真研讀比賽規則，設計項目方案，完成項目規劃，開展方案交流，實施項目探究活動（機器人基礎知識的學習、機器人的基礎搭建、機器人結構的優化和程序控制、程序調試，機器人設備的操控等）。學生通過選擇競賽主題、設計方案、實踐探索，并尋求最優方案，完成比賽的過程就是典型的項目學習過程。在項目學習過程中，學生抽象提取問題、設計問題解決方案（算法）、程序實現、調試改進、優化方案的能力都得到有效提升，進而促進學生計算思維水平的發展。

2.在實現“人機對話”中提升計算思維

機器人搭建好了，那么如何實現“人機對話”是關鍵，即如何讓機器人按照我們的意圖來運動，這也是提升學生計算思維的絕佳時機。盡管程序教學在提升學生計算思維水平方面具有獨特的優勢，但是傳統的程序教學比較枯燥，難以持久地維持學生的學習興趣，而機器人具有很強的可操作性，學生拼搭完機器人就特別想展示一下拼搭成果，這就需要讓機器能夠動起來完成指定任務，這也就很自然地過渡到了程序控制，即算法設計、程序編寫和調試。一旦學生有了學習需求和明確的任務，學習過程就會順暢而高效。

教師在帶領學生學習“人機對話”時可以采用如下方法：教師要帶領學生學習機器人主控識別的編程語言、熟悉語言環境、機器人和程序的鏈接方式等。在程序學習之初，教師可以先為學生提供程序的框架，引導學生去讀懂程序，在讀懂程序的基礎上讓學生去修改程序、調試程序，等學生能夠讀懂且調試程序之后，教師就可以放手讓學生自己去動手編程，盡力發揮創意。

3.在“方案優化”中培育計算思維

“以賽促教，以賽促學”是每一個競技類教學項目的運作策略之一。高中生富于挑戰性，在機器人社團學習中，日常的學習固然重要，但是比賽對于學生的學習具有質的促進。由于每年的VEX機器人大賽都會有不同的主題以及相應的比賽規則，因此每年的比賽對于參賽者而言都是新的挑戰，有助于激發學生的創造力。

實踐證明，高中生對具有挑戰性的項目尤其感興趣，學生為了在比賽中取得理想的成績，就會對機器的結構進行不斷的優化，在不斷的模擬比賽中操控機器人完成指定任務，在操控中不斷發現問題，不斷嘗試新方案，改進機器人的結構，修改程序控制和機器人操控的訓練，這個過程是循序漸進，螺旋上升的，最終讓學生和機器在最優狀態下去參賽。不斷設計新方案、設計算法、編寫程序的過程也是學生計算思維不斷提升的過程。

[參考文獻]

[1]任友群，隋豐蔚，李鋒.數字土著何以可能？——也談計算思維進入中小學信息技術教育的必要性和可能性[J].中國電化教育，2016（01）.

（作者單位：南京市秦淮中學，江蘇 南京210000）