面向計(jì)算思維培養(yǎng)的小學(xué)機(jī)器人教學(xué)研究

田輝 朱春鶯

【摘 要】本文聚焦小學(xué)機(jī)器人課堂，重點(diǎn)關(guān)注如何在課堂上滲透計(jì)算思維。本文采用文獻(xiàn)分析法提出適用于小學(xué)階段培養(yǎng)的計(jì)算思維概念及要素界定;運(yùn)用扎根理論的方法分析小學(xué)機(jī)器人課堂教學(xué)案例，得出培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的教學(xué)策略。在此基礎(chǔ)上，對(duì)在小學(xué)機(jī)器人課堂上培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維，提出了“提問引導(dǎo)”“換位思考”等具體教學(xué)方法的建議。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算思維;機(jī)器人教學(xué);教學(xué)策略

【中圖分類號(hào)】G434? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2021）011-059-05

計(jì)算思維的概念與維度

周以真教授提出：計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)[1]。李國杰院士指出：計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的概念原理的問題求解過程，它選擇適合的方式陳述問題，對(duì)問題的相關(guān)方面建模，并采用最有效的方法求解問題[2]。李廉提出，計(jì)算思維是人類科學(xué)思維中，以抽象化和自動(dòng)化，或者說以形式化、程序化和機(jī)械化為特征的思維形式[3]。Google在《面向教育者的計(jì)算思維課程》（Computational Thinking for Educators）中提出：計(jì)算思維是一個(gè)有著諸多特點(diǎn)和要求的問題解決過程，它的基本要素包括分解、模式識(shí)別、抽象、算法開發(fā)。2017年12月，教育部印發(fā)的《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》將計(jì)算思維概念界定為：計(jì)算思維是指?jìng)€(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產(chǎn)生的一系列思維活動(dòng)[4]。

國內(nèi)外學(xué)界對(duì)計(jì)算思維概念的界定雖然視角不同，但大多認(rèn)同計(jì)算思維是用計(jì)算機(jī)科學(xué)的方法進(jìn)行問題解決過程中產(chǎn)生的思維活動(dòng)。除了“問題解決”以外，其他出現(xiàn)的詞句按頻率高低依次為抽象、算法、建模、問題界定、分解、解題方案、遷移等。

參考學(xué)術(shù)界對(duì)計(jì)算思維概念的界定，結(jié)合小學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，本研究認(rèn)為適用于小學(xué)階段培養(yǎng)的計(jì)算思維是指?jìng)€(gè)體界定問題，形成問題解決方案，并以自動(dòng)求解為目的而借助主要包括計(jì)算機(jī)在內(nèi)的工具實(shí)施方案，在解決問題的過程中產(chǎn)生的一系列思維活動(dòng)。它的基本要素包括以下方面。

問題界定：將解決的問題清晰地描述出來。

問題分解：把問題分解成若干更小、更易于理解或解決的部分。

提出方案：提出解決問題的思路、辦法。

抽象：抽取、概括出具體事物的共同屬性、關(guān)系等，舍棄個(gè)別的、非本質(zhì)的部分。

建模：書面描述可以被計(jì)算工具執(zhí)行的問題解決方案，構(gòu)建解題模型。

算法開發(fā)：為解決問題而撰寫一系列詳細(xì)的指令。

測(cè)試：在虛擬或真實(shí)環(huán)境中執(zhí)行算法，通過實(shí)驗(yàn)來研究解題模型。

糾錯(cuò)：修正解題模型、軟硬件設(shè)置等方面出現(xiàn)的錯(cuò)誤，以達(dá)到目標(biāo)結(jié)果。

遷移：將學(xué)到的內(nèi)容運(yùn)用到與之相關(guān)的其他問題解決中。

研究方法與過程

本研究運(yùn)用扎根理論的方法分析案例。扎根理論是源于質(zhì)性資料分析的理論建構(gòu)，是一種研究路徑，是一個(gè)針對(duì)現(xiàn)象系統(tǒng)地收集和分析資料，從資料中發(fā)現(xiàn)、發(fā)展和檢驗(yàn)理論的過程。通過將事件與事件、事件與概念、概念與概念之間進(jìn)行連續(xù)比較，對(duì)資料進(jìn)行概念化，以形成類屬及其屬性。用到的三級(jí)編碼方法分別是開放編碼、軸心編碼和選擇編碼。開放編碼，是懸置前設(shè)，憑著理論敏感性開放地挑選資料，將資料掰開、檢視、比較、概念化、類屬化。軸心編碼是在開放編碼的基礎(chǔ)上，形成類屬、屬性和維度，發(fā)展并檢驗(yàn)各類屬之間的關(guān)系。選擇編碼即在所有類屬中選擇一個(gè)核心類屬，其他類屬則成為支援類屬，然后通過一個(gè)整合圖式或故事線，將各種理論要素整合起來。

根據(jù)計(jì)算思維的9個(gè)基本要素設(shè)置9個(gè)分析類目。本研究選擇在全國中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)展評(píng)等活動(dòng)中獲得最高獎(jiǎng)項(xiàng)的三個(gè)課例作為研究案例。從案例的教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)視頻出發(fā)，先把教學(xué)視頻逐字轉(zhuǎn)化為師生對(duì)話、動(dòng)作描述、場(chǎng)景描述的文字素材。再參照教學(xué)設(shè)計(jì)、專家點(diǎn)評(píng)等資料理解這些素材體現(xiàn)的教學(xué)活動(dòng)意圖，依計(jì)算思維的9個(gè)要素把這些素材切片，分到各自對(duì)應(yīng)的類目中做進(jìn)一步分析。對(duì)每個(gè)分析類目中的教學(xué)片斷，用扎根理論的方法進(jìn)行教學(xué)策略提取，提煉出適用于培養(yǎng)計(jì)算思維各要素的教學(xué)策略。

運(yùn)用扎根理論對(duì)每個(gè)類目教學(xué)片斷集的分析過程中，先逐句分析師生對(duì)話、動(dòng)作描述、場(chǎng)景描述中體現(xiàn)的內(nèi)容，提煉生成概念，完成開放編碼。再對(duì)這些概念進(jìn)行匯總、分類，形成類屬。通過分析概念之間的關(guān)系，抽象出各類屬之間的關(guān)系，并用思維導(dǎo)圖表征這種關(guān)系，形成類屬、概念關(guān)系圖表，完成軸心編碼。最后結(jié)合對(duì)教學(xué)實(shí)施過程的理解，歸納出一條整合各類屬的故事線（即教學(xué)策略），完成選擇編碼。

類目分析實(shí)例

下面以“提出解題方案”類目為例，闡述對(duì)類目內(nèi)教學(xué)片斷集的研究過程。

1.教學(xué)片斷分析

“提出解題方案”類目下共有7個(gè)教學(xué)片段，下面以其一為例闡述對(duì)教學(xué)片斷的分析過程。

（1）開放編碼（受篇幅所限，僅展示部分）

（教學(xué)實(shí)錄）師：下面布置小組討論題。如果請(qǐng)你們組來設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器人，讓它能夠識(shí)別從左向右揮手的動(dòng)作。那么，你們會(huì)選用哪種傳感器？需要幾個(gè)？為什么？兩分鐘討論時(shí)間，現(xiàn)在開始。

（開放編碼）布置內(nèi)含部分問題的小組討論題，提出指向部分問題的、層層遞進(jìn)的問題。

（教學(xué)實(shí)錄）學(xué)生小組討論。

（開放編碼）學(xué)生進(jìn)行組內(nèi)討論，并梳理解題思路。

（教學(xué)實(shí)錄）師：有結(jié)果了嗎？哪個(gè)組想先來分享一下？

（開放編碼）組織組間交流討論。

……

該教學(xué)片斷在開放編碼過程中出現(xiàn)了“組織組間交流討論”“提出層層遞進(jìn)的問題”等11個(gè)概念。

（2）備忘錄

教師先將體感燈功能中的一部分作為小組討論題，分成三個(gè)層層遞進(jìn)的小問題布置給學(xué)生，用問題引導(dǎo)學(xué)生展開討論。然后組織多個(gè)小組分享討論結(jié)果，并通過提問引導(dǎo)學(xué)生逐步完善解題思路。

（3）軸心編碼（初步）

結(jié)合備忘錄中對(duì)該片段教學(xué)過程的理解，初步考慮將開放編碼中出現(xiàn)的概念納入3個(gè)類屬，具體如下（受篇幅所限，僅展示部分）。

（類屬）小組交流討論。

（概念）布置內(nèi)含部分問題的小組討論題、組織組間交流討論……

（類屬）課堂提問。

（概念）提出指向部分問題的問題、提出層層遞進(jìn)的問題……

（類屬）梳理思路。

（概念）學(xué)生表述解題思路、評(píng)價(jià)學(xué)生解題思路……

（4）教學(xué)片段類屬關(guān)系圖表

結(jié)合備忘錄中對(duì)該片段教學(xué)過程的理解，梳理各類屬之間的關(guān)系如圖1所示。

2.類目分析

（1）軸心編碼

用上述方法對(duì)該類目下7個(gè)教學(xué)片段進(jìn)行開放編碼，提煉出的概念都可以納入并逐漸豐富這4個(gè)類屬：課堂提問、梳理思路、小組交流討論、算法流程圖（“算法流程圖”類屬由該類目其它教學(xué)片段中提?。Ｍㄟ^對(duì)這些概念匯總、分類歸納，得出它們的上位概念和對(duì)應(yīng)類屬（如表1所示，受篇幅所限，僅展示部分），完成類目分析軸心編碼。

（2）類目類屬關(guān)系圖表

將歸納出的概念結(jié)合該類目下7個(gè)教學(xué)片段，得出該類目的概念類屬關(guān)系如圖2所示。

（3）選擇編碼

在這張圖表的基礎(chǔ)上，結(jié)合該類目下7個(gè)教學(xué)片段備忘錄中的描述，歸納出教學(xué)案例里培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維中“提出解題方案”要素時(shí)采用“提問引導(dǎo)、交流討論、流程圖工具輔助”的教學(xué)策略，具體如下：提出環(huán)環(huán)相扣的、指向解題要點(diǎn)的問題;組織小組內(nèi)和組間交流討論，提出、梳理、完善解題思路;借助流程圖工具梳理、表述解題思路。

將上述對(duì)“提出解題方案”類目的分析方法應(yīng)用于其他8個(gè)類目的分析過程，歸納出教學(xué)案例里培養(yǎng)學(xué)生“問題界定”“分解”等另外8個(gè)計(jì)算思維要素的教學(xué)策略。

基于扎根理論的小學(xué)計(jì)算思維教學(xué)策略

通過對(duì)以上三個(gè)優(yōu)秀案例進(jìn)行分析，本研究提出適用于培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維各要素的如下教學(xué)策略。

1.問題界定

采用創(chuàng)設(shè)情境、提問引導(dǎo)、交流討論、實(shí)驗(yàn)測(cè)試等教學(xué)方式。創(chuàng)設(shè)問題情境，展示內(nèi)含問題的素材，讓學(xué)生在接觸素材的過程中感知問題。通過提問、組織交流討論、實(shí)驗(yàn)測(cè)試等方式，引導(dǎo)學(xué)生明確并表述問題。

2.問題分解

采用提問引導(dǎo)、交流討論等教學(xué)策略。先通過提問、組織交流討論等方式引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、描述部分問題，再引導(dǎo)學(xué)生用結(jié)構(gòu)化的語言描述整體問題，梳理解題思路。先解決問題中困難的、涉及新內(nèi)容的部分，再解決整體問題。

3.提出解題思路

采用提問引導(dǎo)、交流討論、流程圖工具輔助等教學(xué)策略。首先提出環(huán)環(huán)相扣的、指向解題要點(diǎn)的問題;然后組織小組內(nèi)和組間交流討論，提出、梳理、完善解題思路;最后借助流程圖工具梳理、表征解題思路。

4.抽象

采用提問引導(dǎo)、交流討論、實(shí)驗(yàn)測(cè)試等教學(xué)策略。讓學(xué)生采集素材并基于素材對(duì)問題的本質(zhì)做出猜想。通過做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想、提問、交流討論等方式，引導(dǎo)學(xué)生逐漸發(fā)現(xiàn)問題的本質(zhì)、關(guān)系等。

5.建模

采用提問引導(dǎo)、流程圖工具輔助等教學(xué)策略。用流程圖工具表征解題思路，形成算法流程圖雛形。通過提問引導(dǎo)等方式梳理關(guān)鍵步驟，完善算法流程圖。

6.算法開發(fā)

采用自主學(xué)習(xí)、個(gè)別輔導(dǎo)、流程圖工具輔助等教學(xué)策略。通過演示講解、提供自學(xué)材料、個(gè)別輔導(dǎo)等方式教授新知識(shí)。呈現(xiàn)算法流程圖，讓學(xué)生參照算法流程圖編寫程序。

7.測(cè)試

采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試、個(gè)別輔導(dǎo)等教學(xué)策略。讓學(xué)生先在虛擬環(huán)境中完成仿真測(cè)試，再做實(shí)物測(cè)試，并在此過程中進(jìn)行個(gè)別輔導(dǎo)。

8.糾錯(cuò)

采用交流討論、提問引導(dǎo)、換位思考、個(gè)別輔導(dǎo)等教學(xué)策略。組織交流討論，通過提問引導(dǎo)、對(duì)比分析成功案例與失敗案例、讓學(xué)生與機(jī)器人換位思考等方式，引導(dǎo)學(xué)生找到故障原因，提出修改方案。組織學(xué)生組內(nèi)互助修改程序，教師個(gè)別輔導(dǎo)。

9.遷移

采用先行組織者、交流討論等教學(xué)策略。帶學(xué)生復(fù)習(xí)已知內(nèi)容、預(yù)習(xí)新內(nèi)容。組織組內(nèi)、組間交流，討論所學(xué)內(nèi)容在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用和對(duì)未來應(yīng)用的設(shè)想。遷移包括課前和課后，既把之前學(xué)習(xí)的內(nèi)容遷移到本課學(xué)習(xí)中，也把本課學(xué)習(xí)的內(nèi)容進(jìn)行遷移擴(kuò)展。

對(duì)機(jī)器人課堂教學(xué)的建議

通過對(duì)三個(gè)教學(xué)案例的分析研究，結(jié)合具體教學(xué)實(shí)踐，本研究對(duì)小學(xué)智能機(jī)器人課的教學(xué)工作有如下反思。

1.通過提問、討論充分調(diào)動(dòng)思維活動(dòng)

在教學(xué)設(shè)計(jì)中融入多種計(jì)算思維要素。在教學(xué)過程中，多采用“通過提問引導(dǎo)學(xué)生思考”“組織組內(nèi)、組間交流討論”等教學(xué)策略，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的思維活動(dòng)。

2.引導(dǎo)學(xué)生與機(jī)器人換位思考

在遇到難解的問題時(shí)，可采用“換位思考”的教學(xué)策略，引導(dǎo)學(xué)生站在機(jī)器人的角度，思考自己若遇到同樣的問題會(huì)怎樣解決。讓學(xué)生自省在問題解決過程中自身智能活動(dòng)的流程，分析自己感知到了什么（輸入）、做決策的內(nèi)在信息加工過程是怎樣的（信息加工）、做出了什么行動(dòng)（輸出）。再把這一過程按機(jī)器人的運(yùn)行規(guī)則轉(zhuǎn)化成一系列對(duì)應(yīng)操作，讓機(jī)器人模擬執(zhí)行人類的解題方案解決問題。

3.形象化展示抽象內(nèi)容

在梳理解題思路、表征算法等較為抽象的教學(xué)環(huán)節(jié)，多使用流程圖工具做形象化展示。在問題界定、抽象、測(cè)試機(jī)器人等與問題關(guān)鍵屬性、狀態(tài)相關(guān)的教學(xué)環(huán)節(jié)，通過做實(shí)驗(yàn)生成形象的結(jié)果，讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)、分析、解釋問題。

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