構建項目化教學模式 聚焦計算思維發展

【摘 要】隨著人工智能時代的到來，教育無人機走進了校園，給教學帶來了機遇與挑戰。基于小學生思維發展的特點，本文分析了教育無人機社團的教學現狀，結合筆者的實踐教學經驗，闡述采用項目化教學法，以項目進展的時間創設新的教學模式，從項目引入、問題定向，項目分析、問題分解，項目實施、方法建模，項目總結、算法優化四個環節，逐漸挖掘學生的思維，指向計算思維的發展。

【關鍵詞】計算思維；項目化教學；自主建構；建模

【中圖分類號】G434 【文獻標志碼】A

【論文編號】1671-7384（2024）012-051-03

引 言

隨著人工智能時代的到來，教育無人機、教育機器人等智能學具走進了校園，那么如何借助教育無人機展開信息科技教學？這給教師教學帶來了機遇與挑戰。目前無人機（本文指大疆RoboMaster TelloTalent四旋翼教育無人機，簡稱為TT無人機）在小學主要以社團為教學陣地，教學內容從創客比賽的需求出發。筆者發現如下教學問題：無人機的教學忽視了學習者的發展需求，目標沒有鮮明地聚焦于學科核心素養的具體維度；學習內容主要以單課時的知識點傳授為主，知識與知識之間缺乏主題活動串聯，比較零散，缺乏結構化；無人機的空間坐標對小學生來說比較難，教師采用講授為主，缺乏學生的自主探知，教學方法比較單一。

計算思維作為智能時代的產物，已滲透到教學當中。《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》對計算思維做了如下描述：計算思維是指個體運用計算機科學領域的思想方法，在問題解決過程中設計的抽象、分解、建模、算法設計等思維活動；具備計算思維的學生，能對問題進行抽象、分解、建模，并通過設計算法形成解決方案，并將其遷移運用于解決其他問題。小學階段，特別是四年級學生，思維的發展由具象思維開始向抽象思維過渡，因此，在這個階段培養計算思維至關重要。

計算思維對小學生來說比較抽象，需要采用合適的教學方法，使學生在具體形象的學習體驗中理解該思維方式，而項目化學習正是提升學生計算思維的有效學習模式[1]。于是，筆者分析無人機教學問題現狀，探尋社團教學過程中的解決方案：整構教學內容，指向計算思維的發展，采用項目化教學模式，在教學中激發學生思考問題的欲望，提升學生分析問題、解決問題的能力，進而培養學生的計算思維。

項目化教學模式

培養計算思維很重要，但通過什么樣的方式培養更重要。筆者認為，抽象、分解、建模等就是計算思維的培養方式，那么，在項目化的活動過程中怎么融入這些培養方式呢？從項目開展的時間順序來看，學習活動分項目引入、項目規劃、項目實施、項目總結四個環節，其中，“項目規劃”與“項目實施”屬于核心環節。隨著項目進展，教師可將計算思維的“問題定向”“分解問題”“方法建模”“優化算法”這四個方式融入貫穿到教學過程的各個環節，在項目實施和問題解決過程中提升思維能力，從而發展核心素養。筆者在無人機社團課程教學中，以建構主義理論為依據，以新課標為指導文件，將學生所要學習的知識點串聯在一個完整的項目活動中。筆者整構教學內容，以項目化學習活動開展為明線，以計算思維發展為暗線，兩條線協同發展，相輔相成，共同落實發展學生計算思維的目標，構建指向計算思維發展的小學教育無人機項目化課程教學模式（圖1）。

項目化教學模式運用實例

近年來，融合STEM理念和創客比賽的要求，筆者設置了項目活動“無人機穿越障礙物”。活動內容為：無人機從起飛墊出發，自主規劃路線依次穿越多種類型的障礙物，最終降落至起飛墊上；要求飛機在飛行過程中不能降落和碰到障礙物（圖2），時間短的小組獲勝。本項目需要學生繪制草圖、在圖紙上標注和進行流程計劃的編寫，并將信息填寫在工程筆記（飛行路線的圖紙）上。社團成員主要是四、五年級的學生，他們已經掌握了無人機飛行的基本原理和上升、前進、后退、下降的基本運動指令，懂得了平面直角坐標。學生在項目學習過程中要掌握無人機定位挑戰卡、三維空間直角坐標以及修改優化方案來解決問題。教師在學生完成項目的過程中不斷地挖掘思維的深度，滲透計算思維的發展。

1.項目引入，問題定向

新課標倡導真實性學習，教師要善于創設真實的問題情景，引導學生“做中學”“用中學”“創中學”。教師可以結合學生的實際情況和興趣點，設計出既符合課程目標又具吸引力的真實問題情景。因此，項目引入可以整合多學科內容，將實踐性強、融合信息技術等方面的問題情景作為項目驅動。在項目驅動的指引下，學生根據情景問題，分析解決問題的關鍵環節，把握好問題解決的方向，直指問題的本質。筆者在教學時帶領學生實地參觀學校的無人機創客基地，根據項目活動的內容，引導學生規劃飛行路線。學生對問題進行定向，如可以規劃飛行時間最短、飛行路程最短、最好穿越的障礙物為先等。學生根據自己的需求，尋找伙伴，自由搭配組合。這激發了學生探索的欲望，同時在問題定向時激發了學生的思考。

2.項目分析，問題分解

常言道：學起于思，思起于疑，疑解于問。提出問題之后，小組思考怎么解決問題，學生在教師指引下對自己的項目進行合理分析、思考以及討論解決問題。首先，學生根據自己定向的問題，將“大”問題分解為若干個可以完成的“小”問題，如無人機怎么斜飛；無人機如何飛行不偏航，靠什么定位；無人機定位飛行需要哪些積木。“大”問題分解之后，還要將“小”問題轉化為所學的知識，那么，如何在解決這些小問題的過程中獲取新知呢？關鍵在于找出解決問題的核心部分，也就是找出解決問題的關鍵點。學生觀察現場，討論交流，并在工程筆記上畫出無人機的飛行路線圖。

例如，在規劃最短飛行路線時，有些小組在工程筆記上畫出路線后，只是簡單地前進和右轉（或左轉），在教師的指導下，結合三角形的三邊關系得出飛機斜飛，距離更短，于是，學生很快得出規劃好飛行交叉環的路線就是解決問題的關鍵點。有些小組考慮到飛機受到場地和障礙物氣流的影響，在飛行時會造成路線偏航，他們認為飛機能夠順利穿過隧道，才是挑戰任務的關鍵，因此，飛行路線選擇先穿過拱門，接著穿越兩個圓環和交叉環，再穿越隧道降落在起飛墊上回到起點。有些小組考慮飛行時間問題，他們認為除了規劃好最短路線之外，還要控制好飛行的速度。

學生分析、討論交流，不斷地深入思考，最后在工程筆記上經過多次修改畫出飛行路線，得到最優路線。學生分解問題的能力進一步提升，計算思維也在潛移默化中得到了發展。

3.項目實施，方法建模

紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。根據建構主義理論，學生的學習過程是在與環境的互動中主動建構的過程，學生在自主和合作探索過程中，得出解決問題的方法或者相關的知識，從而走向深度學習。項目的實施過程是學生與環境互動的過程，也是學習知識的環節，教師要引導學生在“做中學”“玩中學”。在項目實施時，一般將所學的知識設置成一個個任務，學生通過挑戰完成一個個任務來獲取所學的新知。一個小任務可以用一個課時或者多個課時來完成，一個課時也可以完成一個或者多個任務。

由于無人機的飛行會受到慣性、氣流、光線等因素的影響，我們需要及時定位飛機。想要完成此項目任務，主要是掌握三維空間直角坐標（位置的移動）、定位飛機、無人機的斜飛等新知。于是項目分為三個學習任務：用挑戰卡定位飛機、飛機的斜飛和編寫無人機飛行路線的程序。

第一個任務：用挑戰卡定位飛機。教師先帶領學生復習用數字定位班級的座位（第幾排，第幾列，“排”理解為橫坐標X，“列”理解為縱坐標Y）以及復習平面直角坐標，接著引入挑戰卡的定位作用（無人機飛行通過識別到挑戰卡來校準位置），借助視頻和實物展示介紹挑戰卡的相關知識，借助立方體的長、寬、高來理解“高”就是三維空間直角坐標的上下方向Z坐標，再通過觀察、實地測量無人機飛在挑戰卡的正上方的高度，從而理解此時無人機相對于挑戰卡的位置坐標，最后布置分層挑戰任務。學生經過分析得出，飛機可以先定位挑戰卡再前進或者后退，更改積木坐標和挑戰卡ID的參數來嘗試挑戰卡的定位，從而建立定位和前進的模型。

第二個任務：學習用無人機自身的坐標來控制飛機的斜飛。該任務比較難，學生需要較強的空間思維能力。掌握挑戰卡的定位后，學生對三維空間直角坐標有了一定的概念，以無人機自身建立坐標系，借助右手法則來理解空間直角坐標系。學生通過完成任務和實物展示，借助右手法則反復練習修改三維空間直角坐標的參數和程序積木的坐標參數，直至掌握飛機的斜飛。

第三個任務：編寫飛機的飛行程序。學生在工程筆記上先根據飛行路線自主嘗試畫出飛行的大致流程圖，接著在教師引導下完善，并分析得出飛機飛行的規律。在學生掌握了無人機斜飛至下一個位置再定位的通用算法模式后，教師再引導學生學習積木的通用模式，然后根據現場測量的數值和右手法則在工程筆記上標注出下一個要飛行的位置坐標，最后根據“斜飛定位”算法模式完成程序的編寫和實踐操作。

在項目的整個實施環節，教師有方法、有梯度、有技巧地引導學生一步一步地建立飛機斜飛下一個位置的通用模式，真正做到方法建模。在完成一個個任務的過程中，學生思維一步步被深挖，走向深度學習。

4.項目總結，算法優化

學而不思則罔，思而不學則殆。學習能夠提升學生的思維能力和解決問題能力，達到自我提升。因此，在項目總結階段，教師要讓學生學會反思、歸納解決問題的方法，優化算法；充分利用學生逆向思維，激活和運轉學生跳躍性思維，實現遷移應用，進而培養學生的創新意識。在無人機教學項目總結階段，學生分小組編完程序后就要試飛，通過觀察、分析、思考，反復調試、調整參數的設置并歸納總結方法，不斷優化解決問題的方法，直至完成任務。例如，飛機飛行方向相反，要學會檢查坐標的正負；為了飛機不偏航，飛行速度設置要在合適的范圍，否則識別不到挑戰卡；為了節省飛行時間，還要會根據實際情況靈活刪減識別挑戰卡的積木，優化程序等。學生根據現場飛行的實際情況，查找程序問題，得出最優化的算法來解決問題，同時還要會根據不同的場景（調換障礙物的位置）編寫和修改程序。學生掌握了用Mind+軟件控制無人機的單機飛行，后續的項目活動是創編六架無人機的舞蹈飛行。教師可引導學生結合生活的熱點時事，融入中華歷史、文化等創編無人機舞蹈飛行的主題和每一步舞步的造型寓意，進一步激發學生的創意思維。

綜上所述，筆者結合項目化教學的模式，引導學生自主、合作探究，有梯度、有方法、有技巧地從問題定向、問題分解、方法建模、算法優化、遷移應用等方面，促使學生在教育無人機學習的過程中逐步深入思考，從淺層到深層，實現思維的發展。

基金項目：福建省廈門市同安區教育科學“十四五”規劃2024年度重點課題“小學信息科技跨學科融合項目化學習教學實踐研究”（KYX2404）

參考文獻

黃小寧. 信息科技學科提升小學計算思維素養的實踐研究：以項目化學習“打地鼠”為例[J]. 教育參考，2024（2）： 79-83.

作者單位：福建廈門市同安區西塘小學

編 輯：馮艷艷