浅谈“虚拟机器人”STEAM项目教学对学生计算思维的培养

杨雨

摘 要：计算思维是运用计算机科学的理念分析问题、设计方案的思维活动。随着信息技术和计算机技术的迅猛发展，计算思维在学习、工作和生活中也越来越重要。就选择“虚拟机器人”开展STEAM项目教育来阐述如何培养学生的计算思维。

关键词：计算思维;虚拟机器人;STEAM

5G通信技术的成熟和应用带来的是高网速、低延时和万物互联的信息时代，信息量、信息传播和处理的速度以及应用信息的程度都以几何级数的方式增长。5G时代对信息技术教师发起了挑战：培养具备一定计算思维，运用计算机科学的思维分析问题、设计方案解决问题的综合素质人才。

一、选择虚拟机器人开展STEAM教育

STEAM是一种注重探究真实情境下的问题的项目教学技术，在培养学生的计算思维上具有明显优势。而机器人教育可以全方位培养学生的计算思维，提升学生的综合应用能力，但是由于资金、场地等因素的限制，在高中开展实体机器人教育无法普及也不现实。3D虚拟机器人则不受此限制，更多的学生有了接触机器人的机会。

选择萝卜圈3D机器人在线仿真平台开展机器人教育有两个原因：第一，萝卜圈平台提供了很多富有挑战性的综合任务，如汽车总动员、野外生存、漫游金字塔、无人驾驶等。学生可以在虚拟平台中搭建机器人，设计并编写程序来完成任务，在完成任务的过程中培养计算思维;第二，萝卜圈平台可以容纳多人同时登录，设置了积分排行榜，每完成一个任务，根据机器人完成动作的时间、完成程度和整体用时获得不同的积分，让学生之间有更多竞争和交流。综上所述，萝卜圈3D机器人在线仿真平台能为开展“虚拟机器人”STEAM项目教育提供强大的技术支持和坚实的物质基础。

二、STEAM项目教学的开展

笔者选择了“无人驾驶”开展STEAM项目教育，该项目具备极高的现实意义且综合性极强，学生能够充分沉浸在问题的情景中，全面考虑实现“无人驾驶”需要解决的问题，调动多学科知识设计方案、解决问题。

“无人驾驶”项目要求学生设计的机器人能模拟无人驾驶交通行为：机器人从起点出发，全程自主运行完成安全行车和技能挑战动作，并在规定的时间内抵达终点。学生在设计机器人时需考虑虚拟环境道路上车辆的位置和行车速度、行人位置、窄路曲行路段、路障和交叉路口和隔离栏杆等。紧密联系生活的项目能引导学生运用计算机思维分析问题、设计方案并解决问题，学习知识与实践活动相互交融，培养计算思维。学生在完成项目的过程中主动提出问题：怎样到达终点？如何实现“避让行人”“转向选择”等，为了解决这些问题又会主动吸取相关知识。有了这样的内在驱动力，学生不但能掌握机器人的相关知识，还能提高综合运用各学科知识的能力。

学生完成“无人驾驶”项目共分三步：第一步，全面考虑“无人驾驶”项目中需要解决的问题，设计一个初步的解决方案，包括机器人的硬件设计和程序逻辑设计;第二步，根据设计搭建机器，编写代码，控制机器人在不同情境下的行为模式，让机器人能够根据道路变化完成不同的得分动作;第三步，在虚拟赛道上仿真测试，根据测试反馈的问题不断重复修改机器人和代码，直到完成挑战。

笔者将2到3个学生分为一组，组内成员通过头脑风暴共同完成前期的方案设计，每组选择的硬件和设计的行为逻辑都有所不同。完成第一步之后，每一组都向其他同学分享自己的解决方案、分享的过程又是一场思维的碰撞。学生在互相学习中优化设计方案，寻找最佳的解决方案，知识水平得以飞快提高，不断拓展自己思维的广度和深度。单纯靠教师讲课不可能培养具备综合素质的人才。每一位同学在设计方案时都能应用自己所学的知识，充分思考并将思考的结果“变现”，这样的学习过程才能真正培养学生的计算思维。第二步，组内成员分工合作，根据个人优势选择不同的分工，在最后阶段将每个人的成果进行组合。分工合作可以提高学生的沟通能力，合作能力和团队精神，培养具备综合素质的人才。第三步则需要学生具备发现问题并解决问题的能力。学生将机器人放入仿真虚拟环境中测试，发现机器人实际运行时会在各种各样的任务环节中出现故障，需要根据实际暴露的问题分析造成故障的原因，不断修正自己的设计。在反复实践中，学生能够快速提升應用所学知识的能力，有效培养计算思维。因此在开展“虚拟机器人”STEAM项目教学任务时，教师必须紧紧围绕实践性这个特点，让学生在解决问题中提高计算思维能力。

三、课程实施的注意事项

“无人驾驶”项目涉及知识点广，难度高，需要时间多。如果教师在一开始直接把整个综合性任务抛给学生，一方面学生很难理解和消化，容易挫伤学生的积极性;另一方面，大部分学生是初次接触虚拟机器人，马上提出综合性任务不利于教学的开展。因此笔者认为应该在精心分析教学目标和“无人驾驶”涉及的相关知识点后进行系统规划，截取综合项目里重要的知识点设计成小型任务链。例如：（1）礼让行人：当路口出现模拟人（发射可被检测的红外光）时，机器人等待模拟人优先通过;（2）安全会车：道路上出现正在行驶或临时停靠的车辆时，机器人通过不能接触到车辆。在学生完成小型任务链后再抛出“无人驾驶”综合项目。

开展“虚拟机器人”STEAM项目教学，在发现问题解决问题的过程中学生的计算思维和创新思维得到提升和发展，良好的计算思维更让人终身受益。

参考文献：

[1]陈意辉.培养计算思维，发展信息技术核心素养[J].中学课程资源，2018（9）.

[2]查成林.浅议信息技术课程中高中生计算思维的培养[J].教育现代化，2018（23）.

编辑 冯志强