淺談如何在機器人教學中提高學生編程思維能力

王春勝

（大連經濟技術開發區金源小學，遼寧 大連 116600）

當前，編程教學在小學信息技術教學中所占的分量已經越來越大了，在機器人教學、創客教學、人工智能教學這些信息技術教學活動中，都離不開編程技術的支持，編程技術能力的核心就是編程思維能力。學生的編程思維能力的高低是信息技術學科中對學生信息素養培養的一個重要指標。當前，由于教育機器人產業的興起，在中小學信息技術學科中開展機器人教學已經是非常普遍了，機器人的學習需要運用多種學科的知識，綜合運用，其中編程在機器人教學中是核心內容，本文探討的就是在如何在機器人教學中提高學生的編程思維能力。

思維是人類探索與發現事物的內部本質聯系和規律性，是認識過程的高級階段。編程思維則是對思維過程進行條理性的梳理、概括和表達，讓思維過程更加精準化、邏輯化、抽象化。

眾所周知，小學生的形象思維能力是他們認識事物的主要思維方式，教師在機器人教學中必須依據兒童的思維特點，以形象思維的操作為基礎，進行實驗觀察操作，逐漸向邏輯思維過渡，逐步提高學生編程思維能力。

一、充分利用圖形化編程軟件的特點，利用闖關游戲功能，激發學生編程的興趣，讓編程思維形象化

圖形化編程軟件，直觀、形象、生動。容易被小學生接受，同時有些圖形化編程軟件還帶有仿真功能，這就為編程教學增加了無窮的趣味性。以蘿卜圈虛擬編程軟件為例，先讓學生在仿真虛擬環境中利用一輛形態各異的機器人小車，進行“大發現尋找消失的輪子”的闖關游戲，學生在游戲仿真過程之中會發現，因為機器人的輪子殘缺不全，會導致機器人原地旋轉或者摔得七零八落，就會先把機器人的輪子安裝好，然后通過編程控制電機轉速與方向，讓機器人前進，雖然是簡單的直行順序程序，但是當機器人到達終點的時候，聽到場地的歡呼聲，學生獲得了成功的喜悅，學生經過這樣游戲編程的過程，編程思維通過程序表現出來，自然而然就喜歡上了編程學習，同時理解了機器人速度與方向的編程控制方法。利用軟件中自帶的闖關功能，讓學生進行編程實踐，在他們一次次完成任務的時候，增加他們編程的興趣，培養了學生編程思維能力[1]。

二、實驗探究控制器的工作方式和工作原理，逐步提高編程思維能力

機器人編程過程之中，經常會使用輸入輸出的命令，而輸入輸出，又分為數字輸入輸出和模擬輸入輸出，以ArduinoUNO控制板為例，為了理解14個數字口輸入輸出和六個模擬輸出口的用途，教師指導學生利用實驗的方法來學習和理解端口的用途。實際教學中，教師以編程控制一個LED發光小燈為最小系統，和學生一起探究控制板各個端口的用途，為思維能力打下基礎。教師和學生先一起了解發光二極管的用途，通過把發光二極管的長腳和短腳分別插在控制板的5伏和GND的端口，此時小燈點亮，交換插針的位置，此時小燈不亮。通過實驗了解到小燈長腳為正極，短腳為負極。接下來把小燈長腳插在13號端口，把短腳插在GND端口，通過編程利用輸入輸出命令控制13號端口的電平為高電平，使小燈點亮，13號端口為低電平時小燈熄滅。學生就很容易理解到控制板上14個數字端口的功能特點了，了解了基本原理之后，學生的編程就會有的放矢，思維能力就會提高。

三、實驗探究傳感器工作原理，豐富形象思維寬度，更進一步提高學生的編程思維能力

傳感器一般可以分為數字傳感器和模擬傳感器，不理解傳感器的工作原理就無法提高學生編程思維能力。數字傳感器的工作狀態基本上可以用1或0表示，例如探究觸碰傳感器的工作狀態，把觸碰傳感器的數字號引腳插在控制板的7號數字端口上，再把傳感器vcc和gnd分別插在控制板5V和gnd端口，完成電路搭建。此時通過編程，使用串口換行打印7號端口數據命令，完成程序編寫。學生在串口監測中查看數據，按下和松開觸碰按鈕，可以直觀地看到按下時數串口顯示數字為1，松開時，串口顯示數字為零。通過此種方法，學生通過動手實驗，學生就掌握了人體紅外感應傳感器、傾角傳感器、按鍵傳感器等數字傳感器的工作原理，在今后的編程中，能夠自如地控制根據這些傳感器的狀態，對機器人執行相應的動作。學生在探究學習過程中不但鍛煉了動手操作能力，同時學生思考學習能力和編程思維能力也得到了連續的訓練。

模擬傳感器的數值可以用0至1024表示。教師指導學生仍然用實驗法進行測試和探究，以紅外測距傳感器為例，把數字端口插在A0口上，Vcc和gnd端口分別插在控制板的5V和gnd端口，這樣完成電路搭建。此時通過編程使用串口換行打印模擬端口A0的數值，學生仍然可以在串口監視器之中，看到紅外測距傳感器，在距離障礙物比較近時顯示的數值很大，離障礙物很遠時，數字很小。紅外測距傳感器的數值變化范圍在0到1024之間，通過此實驗操作，學生模擬傳感器的用法，學生的編程思維能力再次得到了提高訓練。

綜上，在機器人教學中，對機器人硬件的核心器材進行原理理解，豐富和積累學生的具象思維，讓學生的思維在比較分類中、分析綜合中，進行抽象和概括，編程思維得到了鍛煉。實踐證明，這樣的學習方法對學生編程思維能力的訓練有極大的作用。反之，學生編程思維能力的提高，離不開實踐探索，隨著實踐探索的逐步深入，學生的編程思維能力也會隨之提高，學生的解決問題與創新能力也會逐步提高，這對培養學生信息技術核心素養中的計算思維目標就水到渠成地實現了。