淺談“虛擬機器人”STEAM項目教學對學生計算思維的培養(yǎng)

楊雨

摘 要：計算思維是運用計算機科學的理念分析問題、設(shè)計方案的思維活動。隨著信息技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，計算思維在學習、工作和生活中也越來越重要。就選擇“虛擬機器人”開展STEAM項目教育來闡述如何培養(yǎng)學生的計算思維。

關(guān)鍵詞：計算思維;虛擬機器人;STEAM

5G通信技術(shù)的成熟和應用帶來的是高網(wǎng)速、低延時和萬物互聯(lián)的信息時代，信息量、信息傳播和處理的速度以及應用信息的程度都以幾何級數(shù)的方式增長。5G時代對信息技術(shù)教師發(fā)起了挑戰(zhàn)：培養(yǎng)具備一定計算思維，運用計算機科學的思維分析問題、設(shè)計方案解決問題的綜合素質(zhì)人才。

一、選擇虛擬機器人開展STEAM教育

STEAM是一種注重探究真實情境下的問題的項目教學技術(shù)，在培養(yǎng)學生的計算思維上具有明顯優(yōu)勢。而機器人教育可以全方位培養(yǎng)學生的計算思維，提升學生的綜合應用能力，但是由于資金、場地等因素的限制，在高中開展實體機器人教育無法普及也不現(xiàn)實。3D虛擬機器人則不受此限制，更多的學生有了接觸機器人的機會。

選擇蘿卜圈3D機器人在線仿真平臺開展機器人教育有兩個原因：第一，蘿卜圈平臺提供了很多富有挑戰(zhàn)性的綜合任務(wù)，如汽車總動員、野外生存、漫游金字塔、無人駕駛等。學生可以在虛擬平臺中搭建機器人，設(shè)計并編寫程序來完成任務(wù)，在完成任務(wù)的過程中培養(yǎng)計算思維;第二，蘿卜圈平臺可以容納多人同時登錄，設(shè)置了積分排行榜，每完成一個任務(wù)，根據(jù)機器人完成動作的時間、完成程度和整體用時獲得不同的積分，讓學生之間有更多競爭和交流。綜上所述，蘿卜圈3D機器人在線仿真平臺能為開展“虛擬機器人”STEAM項目教育提供強大的技術(shù)支持和堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)。

二、STEAM項目教學的開展

筆者選擇了“無人駕駛”開展STEAM項目教育，該項目具備極高的現(xiàn)實意義且綜合性極強，學生能夠充分沉浸在問題的情景中，全面考慮實現(xiàn)“無人駕駛”需要解決的問題，調(diào)動多學科知識設(shè)計方案、解決問題。

“無人駕駛”項目要求學生設(shè)計的機器人能模擬無人駕駛交通行為：機器人從起點出發(fā)，全程自主運行完成安全行車和技能挑戰(zhàn)動作，并在規(guī)定的時間內(nèi)抵達終點。學生在設(shè)計機器人時需考慮虛擬環(huán)境道路上車輛的位置和行車速度、行人位置、窄路曲行路段、路障和交叉路口和隔離欄桿等。緊密聯(lián)系生活的項目能引導學生運用計算機思維分析問題、設(shè)計方案并解決問題，學習知識與實踐活動相互交融，培養(yǎng)計算思維。學生在完成項目的過程中主動提出問題：怎樣到達終點？如何實現(xiàn)“避讓行人”“轉(zhuǎn)向選擇”等，為了解決這些問題又會主動吸取相關(guān)知識。有了這樣的內(nèi)在驅(qū)動力，學生不但能掌握機器人的相關(guān)知識，還能提高綜合運用各學科知識的能力。

學生完成“無人駕駛”項目共分三步：第一步，全面考慮“無人駕駛”項目中需要解決的問題，設(shè)計一個初步的解決方案，包括機器人的硬件設(shè)計和程序邏輯設(shè)計;第二步，根據(jù)設(shè)計搭建機器，編寫代碼，控制機器人在不同情境下的行為模式，讓機器人能夠根據(jù)道路變化完成不同的得分動作;第三步，在虛擬賽道上仿真測試，根據(jù)測試反饋的問題不斷重復修改機器人和代碼，直到完成挑戰(zhàn)。

筆者將2到3個學生分為一組，組內(nèi)成員通過頭腦風暴共同完成前期的方案設(shè)計，每組選擇的硬件和設(shè)計的行為邏輯都有所不同。完成第一步之后，每一組都向其他同學分享自己的解決方案、分享的過程又是一場思維的碰撞。學生在互相學習中優(yōu)化設(shè)計方案，尋找最佳的解決方案，知識水平得以飛快提高，不斷拓展自己思維的廣度和深度。單純靠教師講課不可能培養(yǎng)具備綜合素質(zhì)的人才。每一位同學在設(shè)計方案時都能應用自己所學的知識，充分思考并將思考的結(jié)果“變現(xiàn)”，這樣的學習過程才能真正培養(yǎng)學生的計算思維。第二步，組內(nèi)成員分工合作，根據(jù)個人優(yōu)勢選擇不同的分工，在最后階段將每個人的成果進行組合。分工合作可以提高學生的溝通能力，合作能力和團隊精神，培養(yǎng)具備綜合素質(zhì)的人才。第三步則需要學生具備發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的能力。學生將機器人放入仿真虛擬環(huán)境中測試，發(fā)現(xiàn)機器人實際運行時會在各種各樣的任務(wù)環(huán)節(jié)中出現(xiàn)故障，需要根據(jù)實際暴露的問題分析造成故障的原因，不斷修正自己的設(shè)計。在反復實踐中，學生能夠快速提升應用所學知識的能力，有效培養(yǎng)計算思維。因此在開展“虛擬機器人”STEAM項目教學任務(wù)時，教師必須緊緊圍繞實踐性這個特點，讓學生在解決問題中提高計算思維能力。

三、課程實施的注意事項

“無人駕駛”項目涉及知識點廣，難度高，需要時間多。如果教師在一開始直接把整個綜合性任務(wù)拋給學生，一方面學生很難理解和消化，容易挫傷學生的積極性;另一方面，大部分學生是初次接觸虛擬機器人，馬上提出綜合性任務(wù)不利于教學的開展。因此筆者認為應該在精心分析教學目標和“無人駕駛”涉及的相關(guān)知識點后進行系統(tǒng)規(guī)劃，截取綜合項目里重要的知識點設(shè)計成小型任務(wù)鏈。例如：（1）禮讓行人：當路口出現(xiàn)模擬人（發(fā)射可被檢測的紅外光）時，機器人等待模擬人優(yōu)先通過;（2）安全會車：道路上出現(xiàn)正在行駛或臨時停靠的車輛時，機器人通過不能接觸到車輛。在學生完成小型任務(wù)鏈后再拋出“無人駕駛”綜合項目。

開展“虛擬機器人”STEAM項目教學，在發(fā)現(xiàn)問題解決問題的過程中學生的計算思維和創(chuàng)新思維得到提升和發(fā)展，良好的計算思維更讓人終身受益。

參考文獻：

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編輯 馮志強