机器人教学中创客教育与计算思维的融合探索*

2017-02-09倪正辉

中国教育信息化 2017年2期

关键词：创客机器人融合

倪正辉

（江苏省启东实验小学，江苏启东226200）

机器人教学中创客教育与计算思维的融合探索*

倪正辉

（江苏省启东实验小学，江苏启东226200）

基于创造的学习过程中融合计算思维，吻合创客教育的全人发展理念；计算思维教育是创客教育的一种载体，计算思维训练是创客教育的途径之一，计算思维方法是创客教育的具体实践策略，拥有计算思维是创客的一种存在境界；文章例谈了创客教育与计算思维融合的实践案例。

创客教育；计算思维；融合；机器人教学

创客教育以培养学生的创新精神和解决问题的能力为核心，强调STEAM多学科的融合，创新精神具有通过实践去发现问题，并努力探寻解决方案的含义，体现出积极向上的生活态度。“只有想不到，没有创客做不到”，实质是对“发现问题和解决问题”两方面的辩证反映。那如何既要想得到又要快速做得了呢？融合计算思维教育是个不错的选择。

计算思维[1]，“作为一个学术词汇出现得较晚，但其作为人类思维方式的组成成分很早就存在，而且随着计算工具、计算方法和人类整体思维能力的不断进步而改变”[2]，经过多年萌发，现犹如海啸般正在教育界激荡和蔓延，许多地区把计算思维作为技术课程的基础理论和内在核心价值加以引入，期望实现技术学科的稳定性和核心性，并因此而展开了实践探索。

一、创客教育与计算思维

1.计算思维教育是创客教育的一种载体

计算思维教育是一种“普适教育”。“教育的本质是人自身的发展”[3]，而人的发展需要高品质的思维，作为“涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动”[4]的计算思维以发现问题和解决问题为立足点，如同所有人都具备“读、写、算”能力一样，成为适合每个人的一类普适技能，其“思维教学的核心理念是培养聪明的学习者，教师不仅要教会学生如何解决问题，也要教会他们发现值得解决的问题”[5]，通过计算思维教育让学生品味计算思维、提高计算思维、享用计算思维，让“计算思维成为每一个人的技能组合成分，而不仅仅限于科学家”[6]。

创客教育是一种“基于创造的学习”[7]的全人发展教育。计算机科学家、图灵奖得主艾兹格·迪杰斯特拉曾说过：“我们所使用的工具影响着我们的思维方式和思维习惯，从而也将深刻地影响着我们的思维能力”，创客教育是信息技术常态化有效应用的一种阶段外显形态，旨在“借助技术工具与资源让学生能够将学习过程融于创造过程，实现基于创造的学习；能够在创造过程中提升学科学习质量，尤其是提升科学、技术、工程、数学、艺术等学科学习中的自信、创造力与兴趣；能够全身心投入到基于创造的学习过程中，培养自己的批判性思维、创新思维与问题解决能力，实现全人发展”[8]。

从上述意义上说，计算思维教育是创客教育的一种载体，“人类最基本学习方式的基于创造的学习”，与计算机技术（信息技术）支持下的“适合每个人的普适技能”的融合，是创新人的学习工作生活方式等行为方式的一种形态，创客教育与计算思维教育的融合，昭示着学生已从创新出发，而不是开始走向创新。

2.计算思维训练是创客教育的途径之一

郭喜凤教授等认为：计算思维源于并服务于由理论、技术、工程、工具、服务和应用构成的计算链，这一计算链以计算理论为始点，以计算应用为终点，每一结点都将产生计算思维，从始点到终点的转化构成计算思维的工程化，从终点到始点的转化构成计算思维的抽象、升华和理论化[9]。现阶段“创客教育是在创客空间（环境）中开展的培养青少年创客（目的）的一种教育类型，是以造物（手段）的形式培养学生综合实践能力（目标）的一种工程教育（本质）”[10]。

创客教育的实践是从始点到终点的转化，是计算思维工程化的体现；创客教育的课程是从终点到始点的转化，虽然现实层面上的课程体系尚未形成，但是完善的课程体系不是简单的产品操作说明书，而是始于应用终于理论的套件系列，创客教育课程是计算思维理论化的体系形式之一。

可见，计算思维工程化是创客教育的一种实践形态，工程化过程中的计算思维训练是创客教育的途径之一，它既让创客教育的实践具有了可操作性，又让创客教育的教程得以条理化，计算思维教育既可助力创客教育课程的体系形成，又可促进创客教育理论的深入研究。

3.计算思维方法是创客教育的具体策略

一个创客项目一般都含有内涵复杂、相互关联的若干个任务，虽然有可能包含一些良构问题，按程序性思维就能解决，但更多的是场景不明、影响因素模糊且解决问题的线索不易找到的劣构问题，也许还包括一些带有个性立场和感情色彩的争点问题。

用计算思维去发现问题和解决问题应是每个人的基本技能，“计算思维应把基础和核心建立在经验、实证和教育之上，应关注方法、实践和实效”[11]，学生在分析问题任务、设计解决方案、实施项目任务的过程中，对“约简、分离、转化、仿真和应用等”计算思维方法的大量组合应用，实质就是创客教育中的一个个具体实践策略。

可见，计算思维方法是创客教育中实践策略的具体化，是创客实践策略的基础，学生正是在这类劣构问题场景下开始了基于创造的学习，形成的创造性作品是创客存在境界的一种外显，俨然就是创客教育与计算思维教育的融合标志。

二、创客教育与计算思维教育的融合案例

课堂是创客教育与计算思维教育融合的常见阵地，以下结合苏科版小学信息技术教材中《机器人行走》一课的教学，例谈计算思维与创客教育的融合应用。

1.问题的约简

激发学生创造兴趣，让学生有信心参与创造过程是创客教育的标配。教材配套了“后两轮独立驱动”的三角形智能机器人，它貌似普通的玩具小车，学生初见时有点不屑一顾，而当要求通过编程来指挥机器人行走时，马上满脸充满兴奋，苦于没有头绪，不知如何来“玩”。

“把一个看来困难的问题重新阐释成一个我们知道怎样解决的问题”[12]，这是计算思维的基本构件，培养学生逐步养成这一思维习惯此时正是时候。行走问题实际上就是个典型的可计算问题，可先让学生观看月球车落月后行走的一段视频，然后问：“月球车行走了多少距离？”，通过整合数学知识，学生极易明白“速度与时间”是获取月球车行走距离的两大核心要素，于是机器人行走问题，学生也就很自然地简约成计算机技术了：编程指挥机器人行走，只需设置行走的速度和时间。

通过对庞杂或复杂问题简约化，降低问题难度，便于分析和解决问题，这就是计算思维的约简。

2.关注点分离

能让机器人按预设顺序行走，体现机器人的 “智能”，这是本课的一个具体化创客项目。维持创造动机是创客教育的标准件，为此我们借助场景，融合应用了关注点分离方法。

关注点分离就是将复杂系统，用合适方法分解成多个模块（阶段），然后再逐一针对各模块特征，找出各自解决方法，最终解决整个系统问题；如庖丁解牛般在关节点分割，其应用模式一般分3步：①问题分离策略，②各模块分别求解，③合成各模块的解。

如图1场景：“机器人位于中间的矿石加工区E区域，A、B、C、D四种矿石分布在四周区域，如果机器人要采集其中一种矿石用于加工，请以加工区为始点和终点，设计一个机器人行走方案”。这类场景学生极易上手，会有多种分离策略，如采集B矿石用“前进、后退和停止”分解策略，采集C矿石用“右转弯、前进、后退和停止”分解策略等；各模块的解，通过尝试操作较易获得，各模块解的合成也无难度，即“机器人采矿行走方案实质就是机器人前进、后退、转弯和停止这四种基本形态及其组合方式”。

图1 矿区场景图

通过关注点分离，学生把任务场景演变成机器人的四种行走形态，从而顺利桥接到已有的计算机设置技术，最终完成设计方案。

3.巧妙的转化

把复杂问题转化为能够用计算机解决的形式，谓之转化。这是创客教育中十分常用的一个计算思维方法。本课对转弯内容的处理就运用了转化法。根据机器人两轮驱动组合形态，即“左右同进、左右同退、左停右转、左转右停、左进右退、左退右进”共六种，分别设计对应的六组转弯策略，再用“机器人行走模拟演示工具”在计算机上实验这六组策略，从而把实操场地上不易留存的转弯轨迹，在屏幕上绘制成对应的轨迹形态，进而归类转化成直观形象图，可视性强。（见图2）

图2 转弯轨迹图

借助计算机工具有效显示了机器人转弯轨迹，使得动态事物静态化，顺应了小学生形象思维为主，初步的逻辑思维为辅的思维特点，把抽象的逻辑思维转化为直观的形象思维，省时省力有实效。

4.验证式仿真

一个创客项目，除计算工程中的“实现方法”外，还有“系统分析、方案设计”等其他配套环节，实施“机器人按人的要求行走”，至少应当包括“系统分析”中的行走路径规划、“方案设计”中的程序编程策略和“实现方法”中的算法优化等内容。为此增补了项目场景：如果机器人要采集到全部四种矿石才能进行加工，那这个行走方案该如何设计呢？

创客教育与计算思维融合的特征之一，就是“能够发现、提出可用计算机解决的问题，能够自主分析问题，并能探索解决问题的途径和方法”。本例中，先设计机器人行走路径策略，后讨论程序编程策略，如前进距离、转弯大小等，再通过思辨和仿真演练，进行算法优化，如优化为顺时针转个大弯（转一大圈分别经过C、D、A、B区域）后停下等。

充分利用计算机模拟演示工具来仿真验证策略方案，让学生既享受结果，也享受过程，不减少探究体验但能缩短探究过程，实现了过程与结果的动态平衡。在模拟仿真环境下，因没有了机械传动、摩擦力等因素的影响，所以，工程化方案主体的支撑性和稳健性更易得到验证，同时干扰少了，学生也就更易专注于需求分析、策划设计和算法优化了。

5.实体化应用

课至此时，整体上是在思辨及模拟操作，可谓“纸上谈兵”，但实体项目中因受电力强弱、地面平整度等因素影响，行走策略的实现未必理想。让学生身临其境地参与求解过程，学以致用，避免只会解答理想模型而不能求解现实问题，这是教学使然，因此，教学的应然是让学生在具体创客项目中（实体场地纸上）调试操作机器人，实证策略方案。

原型制作（实体化应用），从思维过程化的角度看，计算思维源存在于一个“以计算理论为始点，以计算应用为终点”的计算思维生存周期中，从创客教育角度看，创造是一个需要全身心投入的复杂过程，本环节不但是学生领悟这一道理的极佳时机，而且也是创客教育中不可或缺的一个组成部分。

学生在探寻实体项目的解法中常会频发状况，实施情况可能并不理想，这很正常，但我们关注的重点应是学生“计算思维应用”与“创造的学习”之间的融合状况，前者需要关注学生能否将事物模型逐步转化为计算机所能理解的符号模型，能否把现实事物转化到信息世界，再把信息世界描述数据转化到机器人世界等，后者需要关注学生思考探索问题的过程，关注学生和机器人协同解决问题的过程，关注学生对机器人执行程序后反馈结果的处理方法等，两者融合层面上，要让学生领悟人和计算机之间的辩证关系，明白人之思维越深入模型构建越合理，则具体方案可行性越强，而计算机智能化程度越高，则人需关注之因素会减少，在问题求解过程中人与计算机是有不同分工的。