面向計算思維培養(yǎng)的機器人編程項目式教學模式研究

關鍵詞：機器人編程；項目式教學；計算思維；理論體系；教學模式

人工智能時代，計算思維是理解數(shù)字世界、提升創(chuàng)造力與解決問題能力的關鍵。計算思維強調邏輯、抽象和算法，使得個體在面對復雜問題時，能夠運用科學的思維方式進行分析和解決。美國《CSTAK-12標準（2011年修訂版）》、英國2013年的新課程計劃、澳大利亞2015年的新課程方案，以及我國《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》都將其納入教育體系以培養(yǎng)學生計算思維與問題解決能力。可見，在基礎教育中培養(yǎng)計算思維已成國內外教育改革新趨勢。

計算思維是借助計算機科學核心原理與工程實踐解決復雜問題的復合型思維能力。編程教育是中小學教育中培養(yǎng)計算思維的有效途徑。學習者能借此分解問題、設計算法、編寫代碼實現(xiàn)解決方案，進而錘煉邏輯思維和問題解決能力，激發(fā)創(chuàng)新意識。在將解決方案或算法轉化為代碼過程中，深化對計算思維概念的理解，提升任務分析和問題解決能力。編程教學有任務驅動式、探究式、游戲式等多種教學模式，每種教學模式對計算思維的影響各不相同，其中，項目式教學（PBL）與編程教學的整合，在培養(yǎng)計算思維方面展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢，可促使學生深入探究實際問題，切實鍛煉學習者計算思維中的算法設計與分解能力。機器人編程項目式教學能提供直觀具體的實踐體驗，操作機器人能助學生理解抽象概念，掌握解決問題技能，促進批判性思維與計算思維發(fā)展。簡言之，整合機器人、編程和項目式教學在培養(yǎng)學生計算思維上優(yōu)勢顯著。

然而，目前的機器人編程項目式教學培養(yǎng)計算思維的研究并不深入，存在以下問題：一是教學實踐中教師注重編程技術傳授，忽視學生的自主探究和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，在一定程度上限制了學生計算思維的發(fā)展；二是尚未構建起通過該教學有效培養(yǎng)計算思維的完整理論體系與明確教學模式。鑒于此，本研究將深入探討，旨在構建適用于機器人編程項目式教學的計算思維培養(yǎng)理論體系，設計兼具創(chuàng)新性和可操作性的教學模式，為一線教師培養(yǎng)小學生計算思維提供指引。

一、核心概念與理論基礎

（一）建構主義學習理論

建構主義理論主張學習者是知識建構的主動參與者，強調學習者在特定情境中，通過與環(huán)境的互動和知識的內化，構建自己的知識體系。

教師創(chuàng)設挑戰(zhàn)性項目情境，激發(fā)學生主動探索、確定、分析項目問題，制定并實施方案，在實踐中調試完善，構建知識體系，發(fā)展思維。此教學過程強調合作學習，小組協(xié)作攻克編程難題，培養(yǎng)團隊協(xié)作與溝通能力，促進知識共享與思維碰撞。總之，建構主義理論支撐該教學模式，能培養(yǎng)學生主動學習、創(chuàng)新思維與團隊協(xié)作能力。

（二）斯騰伯格的思維三元理論

斯滕伯格的“思維三元理論”將思維分為分析性思維、創(chuàng)造性思維和實踐思維三個層次。他指出成功必須具備包括分析能力、實踐能力和創(chuàng)造能力等全方面能力，還針對思維培養(yǎng)提出三種教學策略：講授策略用于傳授新知識，問答策略用于復習測試，對話策略尤適思維訓練。

計算思維屬思維范疇，培養(yǎng)它即思維教學。依該理論，計算思維教學應以學生為核心，教師予以思考空間，引其自主思考、自主探究，培養(yǎng)其計算思維。教育者要用對話策略，借問題激發(fā)學生思維和討論。故本研究在面向計算思維培養(yǎng)的機器人項目的情境創(chuàng)設、問題討論等教學環(huán)節(jié)引入對話策略，優(yōu)化項目式教學，提升學習者計算思維。

（三）活動理論

活動理論是以活動為邏輯起點和中心范疇，研究人的心理發(fā)生和發(fā)展的心理學理論。其源于古典哲學與辯證唯物主義，由維果斯基提出，成熟于列昂捷夫與魯利亞，經(jīng)三代發(fā)展，初步形成相對完整的理論體系。第三代活動理論提出人類活動結構模型，恩格斯托姆認為活動是系統(tǒng)，含六要素與四系統(tǒng)。主體、客體、共同體為核心要素，工具、規(guī)則與勞動分工為中介元素，它們相互組合成生產、交流、分配與消費四個子系統(tǒng)。因此，將活動理論運用于教學，強調學習者學習過程與活動的交互作用，注重在活動中引導學習。

活動理論可針對性地指導學習活動設計，助力機器人編程項目式教學活動要素設計和教學模式構建。依此理論，本研究將教學活動各階段視為活動系統(tǒng)，從主體、客體、共同體以及工具、規(guī)則和勞動分工六個維度設計教學活動要素，再根據(jù)核心要素規(guī)劃各個項目活動的具體內容。

二、機器人編程項目式教學模式構建的依據(jù)

（一）社會活動要素

機器人編程項目式教學活動具備社會活動屬性，遵循活動理論理念。故而，本研究以這六個要素為基石，重構機器人編程項目式教學的關鍵要素，且依據(jù)主體、客體、共同體這三個核心要素精心設計各項目活動詳情，以此構成教學模式主體部分。思維是活動的內化呈現(xiàn)，在活動理論指引下，機器人編程項目式教學通過設計方案、活動探究、制作產品等探尋問題解決方案系列活動的逐步展開，將操作步驟抽象為問題解決的思維方法，使小學生在反復的項目創(chuàng)作流程中潛移默化地促進計算思維發(fā)展。

（二）計算思維培養(yǎng)的特征

計算思維是能夠借由編程培育的、用于解決問題的高階思維，有別于普通知識概念。計算思維培養(yǎng)屬于思維教學范疇，若采用行為主義學習理論倡導的講授與記憶策略開展教學，往往效果不佳。思維三元理論點明，學習者是思維教學的核心，基于思維的對話策略對推動學習者計算思維進階更為有利。運用計算思維高效且創(chuàng)造性地破解難題涵蓋六大思維流程：重新界定問題、組織剖析數(shù)據(jù)、抽象建模、用算法思想（一系列有序步驟）構思自動化解決方案、識別分析并施行可行方案、拓展遷移。參照運用計算思維解決問題的六大思維過程，機器人編程項目式教學模式也應規(guī)劃與之適配的實踐活動及計算思維培養(yǎng)進程。

（三）機器人編程的特征

機器人作為學習科學、技術、編程和語言的跨學科工具，其所涉及的編程領域整合了計算機科學、機械和工程等學科內容，能為學生創(chuàng)設融合多元學科的教學活動，布置極具挑戰(zhàn)性的學習任務。在機器人編程學習中，主要憑借機器人的組裝搭建、編程控制這類動手實踐環(huán)節(jié)，助力學生主動構建知識體系，利用完成的機器人作品激發(fā)學習者對周圍世界形成心理表征。

依據(jù)機器人設計、組裝、編程、調試和運行的開發(fā)流程，機器人編程項目式教學模式規(guī)劃出設計方案、制作產品以及調試優(yōu)化一系列學習活動。在真實的機器人開發(fā)實踐里，設計師極少能通過一次設計、制作與調試就打造出完美的作品，往往需要歷經(jīng)多次循環(huán)往復才能達成理想效果。因此，本模式中設計方案、制作產品以及調試優(yōu)化是循環(huán)迭代的學習活動，以促使學生在反復打磨中不斷提升技能與知識掌握程度。

（四）項目式教學的特征

項目式教學以建構主義和建造主義理論為根基，秉持學生主體、教師主導原則。學生要剖析項目，經(jīng)設計方案、實踐驗證、持續(xù)探究等活動深化知識理解、掌握技能，主動建構知識，以小組的形式完成項目。

機器人編程項目式教學模式重構項目式教學流程，由確定項目等環(huán)節(jié)變?yōu)轫椖窟x題、項目引入、項目拆分、項目認知探究、設計方案、活動探究、制作產品、調試優(yōu)化、展示匯報、評價反思以及項目拓展的十一個基本環(huán)節(jié)，還依流程歸并為前期、活動、后期三個階段。

三、機器人編程項目式教學模式構建

基于活動理論和社會活動要素，機器人編程項目式教學指借助機器人套件、編程軟件等工具，在相應機器人編程項目規(guī)則約束下，依機器人編程項目分工開展活動探究、設計方案、制作產品等，交互培養(yǎng)學習者計算思維。

本研究以社會活動六要素重構機器人編程項目式教學活動要素：學習者、計算思維項目以及同伴和教師是核心要素，機器人編程項目工具、機器人編程項目規(guī)則和機器人編程項目分工是中介要素。其中，主體是學習者，能夠依據(jù)自身想法參與和決定如何實施機器人編程項目。因教學目標在培養(yǎng)學習者的計算思維，所以客體是面向計算思維培養(yǎng)的項目。小組同伴與教師等項目式學習活動參與者構成活動共同體。機器人編程項目工具涵蓋開展教學必需的軟硬件資源，如計算機、樂高EV3機器人套件、EV3Classroom編程軟件等。機器人編程項目規(guī)則包含項目時限、作品評價表、課堂規(guī)范、工具使用安全規(guī)則等師生須遵守的規(guī)章。鑒于學習者、同伴和教師以及計算思維項目是核心要素，機器人編程項目式教學模式從學生活動、教師活動和項目流程三方面設計主體內容，秉持建構主義學習理論，遵循以學生為主體、教師為主導的原則。學生于真實情境發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，主動構建知識，教師負責引導學生歷經(jīng)項目設計、探究、實施各階段的活動。

依據(jù)斯滕伯格的思維三元理論和計算思維培養(yǎng)的特征，機器人編程項目式教學模式融入計算思維發(fā)展的思維流程，規(guī)劃與之適配的實踐活動，巧用對話策略，引領學習者自主思索、探究，親身體驗解決問題，助力計算思維提升。其一，為助力學習者重新界定問題，該教學模式設置項目拆分環(huán)節(jié)，促使學習者把項目問題拆解轉化為可解的熟悉問題。其二，在項目認知探究階段，指導學習者通過多渠道搜集數(shù)據(jù)、有邏輯地組織分析數(shù)據(jù)，以此了解項目全貌，培育分解思維，為后續(xù)方案設計夯實基礎。其三，鑒于抽象是計算思維的核心，設計方案環(huán)節(jié)鼓勵學習者運用文字描述、草圖繪制、流程圖設計等多元方式抽象展現(xiàn)方案，著力培養(yǎng)抽象思維，助推模型構建。其四，算法思維與評估貫穿于制作產品（編程控制）及調試優(yōu)化環(huán)節(jié)，編寫與調試程序時，借助對話策略引導學習者運用算法思維設計機器人程序以實現(xiàn)自動化操作。其五，為甄選最優(yōu)方案，展示匯報與評價反思環(huán)節(jié)組織各小組交流互動、相互學習，鍛煉學習者的評估能力。其六，為達成問題解決過程的遷移，項目拓展環(huán)節(jié)開展頭腦風暴，激發(fā)學生衍生新項目或挖掘解決方案的全新應用場景，推動項目進階。

從機器人編程自身特征出發(fā)，依據(jù)機器人開發(fā)流程，機器人編程項目式教學模式規(guī)劃出設計方案、制作產品以及調試優(yōu)化這組循環(huán)迭代的學習活動，助力學生不斷精進技藝。設計方案環(huán)節(jié)，鑒于設計機器人要綜合考量基本功能、機械結構、程序控制三要素，便設置機器人功能設計、草圖設計與程序流程圖設計內容。促使學生分解機器人功能和機械結構，挑選機械元件，掌握編程規(guī)則和知識，進而培養(yǎng)分解與抽象思維。后續(xù)環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)問題會反饋至此優(yōu)化，形成迭代。制作產品環(huán)節(jié)包含搭建機器人模型與編程控制，旨在完成機器人組裝與編程任務。搭建模型時，學生可選已有機械結構或重構新結構模型；編程控制須運用算法思維編寫程序語句，操控機器人電機與傳感器，實現(xiàn)自動化，問題反饋推動設計調整，形成迭代。調試優(yōu)化環(huán)節(jié)依據(jù)軟硬件分為機械模型調試與程序調試，需要評估、調試修改現(xiàn)有結構和程序，對比運行結果與預期，評判機器人整體結構與功能是否達標，結果反饋推動前兩環(huán)節(jié)優(yōu)化完善。總之，該教學模式借此循環(huán)迭代活動提升學生技能與計算思維。

基于建構主義學習理論和項目式教學特征，機器人編程項目式教學模式重構項目式教學流程，形成以項目式教學的基本過程為核心框架的學習過程模式。該模式涵蓋三大階段共十一個基本環(huán)節(jié)，前期階段包含項目選題、項目引入、項目拆分、項目認知探究；活動階段包括設計方案、活動探究、制作產品、調試優(yōu)化；后期階段涉及展示匯報、評價反思以及項目拓展。

在機器人編程項目前期，確定項目是關鍵起步，它又細分為項目選題和項目引入兩部分。項目選題由師生共同選擇合適主題，增加選擇性和趣味性以激發(fā)學生興趣。項目引入在確定項目選題基礎上，創(chuàng)設以現(xiàn)實生活劣構問題為基礎的情境，引導學生自主發(fā)現(xiàn)問題，激發(fā)求知欲。項目拆分對應制訂計劃，劃分出的子項目／子問題是組成整體的功能元素。項目式教學和建構主義強調協(xié)作學習，所以在項目拆分環(huán)節(jié)，學習者要創(chuàng)建學習小組，明確分工，以解決后續(xù)問題，此環(huán)節(jié)須明確項目問題并分解為可解決的子項目／子問題。

機器人編程項目式教學模式將原任務探究環(huán)節(jié)分為項目認知探究和活動探究。前者是針對項目整體概況，是設計、實施項目的基礎，學習者動手前須了解項目組成與知識內容；后者針對實施過程中遇到的困難及知識概念，是作品設計、創(chuàng)作、調試的基礎。當學生進行活動探究時，需要利用計算思維構建知識框架，運用抽象、模式建構、分解等方法確定問題、搜集信息，與同伴交流討論分析問題，制定方案并合作解決問題。而且，設計方案、活動探究以及制作產品并非線性關系，而是相輔相成的雙向循環(huán)的關系，遇到難題可進入活動探究實現(xiàn)難題突破，共同促進知識建構和有意義學習。

產品創(chuàng)作根據(jù)機器人設計、制作和調試流程，拓展為“設計方案一制作產品一調試優(yōu)化”三個環(huán)節(jié)。學生構建產品時，參與有意義的任務，處理生活相關的緊迫問題，踐行科學與工程領域實踐。該教學模式側重以科學思想實踐促進學習，學生能通過定義現(xiàn)象，測試、調試，完善自身對現(xiàn)象關系和過程的科學理解。教師作為項目探究全程指導者，助力學生在動手制作產品過程中深入學習數(shù)學邏輯知識，探究工程方案設計與實施，助推計算思維模式構建。

展示匯報是機器人編程項目式教學模式的成果交流環(huán)節(jié)，運用項目書撰寫、產品介紹、展示表演等多樣形式，推動師生、生生互動交流。教師借對話了解作品特色與制作過程，為學生項目拓展出謀劃策；學生間通過交流共享信息，分享成果與經(jīng)驗，合作實施方案，完成匯報。評價反思涵蓋對項目作品及實施過程的評價，方式多元，聚焦學生解決問題與高級思維能力，評價內容包含過程性的設計方案、作品、小組合作關系等，評價主體兼顧自我評價、小組評價、組間互評及教師評價。項目拓展基于評價反思，吸納他人建議與自身反思，豐富作品，遷移問題解決思維至一般場景，實現(xiàn)計算思維內化，催生新的機器人編程項目。

綜上，本研究立足計算思維培養(yǎng)視角，圍繞建構主義、活動理論、思維三元理論核心，依據(jù)社會活動、計算思維培養(yǎng)、機器人編程及項目式教學特征，結合機器人編程優(yōu)勢，構建出面向小學生計算思維培養(yǎng)的機器人編程項目式教學模式，如圖1所示。

四、結語

機器人編程項目式教學在培養(yǎng)學生計算思維方面潛力巨大，但目前該領域在學生自主探究創(chuàng)新、理論體系及教學模式構建等方面存在不足。本研究針對問題深入探討，構建計算思維培養(yǎng)理論體系，設計有效教學模式，為教學發(fā)展提供支撐與指導，為計算思維培養(yǎng)研究開辟新路徑，期望成果能為教育工作者提供新視角工具，助學生掌握核心能力，為未來發(fā)展奠基。