指向计算思维培养的小学机器人项目教学探究

近年来，人工智能和编程教育被高度重视，机器人教育在小学逐渐普及。小学机器人教育的教学内容通常以信息科技学科为核心，融合工程、数学等学科元素，具有跨学科特性。其任务驱动和成果导向的实施特点，非常适合以项目的方式开展教学^[1]。《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》明确了该学科的核心素养，并将计算思维列入其中，这也为小学阶段的学科教学提供了指引。计算思维是运用计算机科学的思想进行问题分析、方案设计、产品制作等活动中所发生的思维活动，对小学生则多体现为利用信息技术解决问题的交互性思维方式。计算思维的培育方式多样，根据国内外学者的研究，机器人和编程教育被普遍认为是直接有效的方法。项目教学有助于学生批判性思维、问题解决能力等方面的提升^[2]。科学利用软硬件，以项目活动的方式开展小学机器人教育教学，有助于促进学生计算思维的发展。

一、计算思维要素

目前学者对计算思维的定义和培育要素的界定并不唯一，但有许多共通点。英国南安普顿大学在2013年提出计算思维是一种以产品为导向又不局限于解决问题的过程，主要包含模式概括、分解、抽象、算法思维、评估五个要素^[3]。也有观点认为计算思维的表现形式主要是解决问题过程中的程式化、模型化、自动化、系统化。

综合各方观点，结合机器人教育的特点，笔者认为，机器人项目活动中的计算思维的培育要素主要包括四个方面：分解能力、抽象能力、概括能力、算法能力。四个培育要素的特征如下。

分解能力包含两个部分：一是将复杂问题分解成若干简单问题的能力;二是将复杂的项目任务分解为单一的简单任务的能力。这种能力主要体现在分析问题和规划方案的过程中。

抽象能力体现为将复杂情景任务提炼成可由机器人实现的子任务，包括确定机械结构、选择电子元件、形成执行逻辑等。抽象能力出现在项目活动的每个环节，例如分析问题、设计结构、编写程序等过程。

概括能力体现在两个方面：一是梳理以往学习的经验并在之后的活动中运用;二是查阅资料文档并探究规律。概括能力主要体现在项目的实施阶段以及评价阶段，通常围绕机器人教育的核心学科技能以及活动相关的拓展知识的学习而展现。

算法能力体现为根据机器人项目的任务需求设计并编写程序，包括调用算法模型、设计程序流程等。算法能力展现在制作和使机器人动起来的活动过程中，以程序脚本、流程图等成果呈现。

二、项目框架

小学生思维能力尚处起步阶段，难以应付较复杂的逻辑问题。小学机器人项目活动可侧重于使用相关技术以比较简单直观的方式解决具体问题，例如调用传感器判断外界信息、控制机器人依次执行动作等。以此，提升学生参与学习活动的兴趣，培养学生使用技术解决问题的能力，使学生的计算思维能力得到发展。

一般而言，机器人项目活动的流程可参考相关领域的工业流程进行设计，结合计算思维的培育要素，笔者将实施流程分五个阶段：分析问题、整理资料、设计方案、制作优化、展示分享。

由于学生在不同阶段中运用计算思维解决问题的侧重不同，因此笔者对各阶段的培育要素针对性设计，最终形成基于计算思维培育的机器人项目活动流程框架（如图1）。计算思维渗透于机器人项目活动的各个阶段，形成于师生互动和学生探究的过程。

分析问题阶段是由项目情境引入并形成可实施的驱动任务及相关子任务的过程，是整个项目活动的入项阶段。在此阶段，学生不仅要了解项目活动的内容，而且需要分析项目的任务目标。通过分解和抽象的方式，让学生将复杂的真实问题转化为更具体的学科问题，初步规划活动步骤。

整理资料阶段是运用信息技术工具收集和整理信息并界定项目任务中相关概念的过程，是设计项目方案前的准备阶段。这个阶段，学生获取信息同时对信息的内容进行筛选和归纳，最终转化成有益于自己完成项目任务的资源。

设计方案阶段是综合已获取的信息和相关知识，梳理思路并明确项目成果和实施步骤的阶段。这个阶段，学生除了在教师提供的支架下梳理思路形成方案，还要评估方案，确保方案可实施。

制作优化阶段是将想法付诸实施，物化成项目成果并不断完善的过程，是基于方案开展创新实践和不断突破自我的阶段。在此阶段，学生不仅需要综合运用技术方法和学科知识开展制作，而且需要根据实际效果对方案进行调整优化，最终完成预期的项目任务目标。

展示分享阶段是对项目成果进行综合性描述、展示以及评价的过程，是整个项目活动的结项阶段。这个阶段，学生可以结合项目任务及目标，对作品的功能、特点等进行综合介绍，或以产品发布会的方式对外进行展示，锻炼其提炼概括和表达展示的能力。

三、教学策略

在开展指向计算思维培养的机器人项目活动的过程中，教师不仅要组织教学活动，而且要关注学生在活动中产生的思维碰撞。笔者认为，为了更好地促进学生的思维发展，教师在教学活动中还需要关注以下几方面。

（一）关注项目活动中学生是否深度参与

在机器人教育项目教学中，深度参与指学生参与问题的提出、分析、设计、解决、评价等一系列项目实施活动的过程，它是解决真实问题所需要经历的必要路径。小学阶段的机器人教育具有STEAM课程特征，有着明显的信息技术、工程、科学等学科融合的特点，对于学生而言具有与生俱来的吸引力。在此基础上，教师鼓励学生在问题驱动下深入参与各项目阶段，有助于学生真正学习、理解和掌握活动相关的知识内容，有益于将基础学科学习过程中的间接经验转化为直接经验，从而帮助学生更好地掌握学科知识，提升解决问题的能力。

（二）关注活动中计算思维是否持续渗透

计算思维是信息技术和计算机科学学科的核心素养之一，是以计算机解决的视角解决问题的思维方式，也是信息时代解释问题现象的重要能力。当今，计算思维无处不在。计算思维无法通过简单的机械锻炼培养，而要通过具体的实践活动去提升。因此，教师应关注在整个活动过程中对计算思维各个要素的渗透。例如，将复杂问题分解为子问题，将复杂现象抽象出关键要素，通过整理资料探究出规律等。在此过程中，教师可以适当放慢教学的进度，主动组织学生思考问题并倾听他们的答案。

（三）关注活动中学习习惯是否养成

学习习惯不仅是学生学习知识内容也是在其他学习活动中应具备的品格。在机器人教育中，常见的学习习惯包括课后持续学习、课堂主动探究、小组合作学习等。学习习惯的养成是由行为转为意识的过程，无法通过机械性练习习得，需要学生在有意识的持续参与的过程中逐步形成。因此，习惯的培养离不开教师在课堂上的教学引导和学生在活动过程中的持续参与。

（四）关注教学中学科素养是否落实

学科素养培养是当前育人的关键目标，各学科知识的背后都有其相关的学科素养支撑。学生运用学科知识学习并解决问题，有助于学科素养的提升。同时，学生具有良好的学科素养也有助于后续更多知识的学习和内化，两者相辅相成。学科知识是素养培养的基础，素养的培养离不开实践。以项目的方式开展学习活动是一种以终为始且关注实践过程的学习方式，对于素养培养有直接影响。机器人项目活动的教学中，学生会面对包括信息科技等多学科的知识。在教学活动中教师关注对学生学科素养的培养，有助于进一步发挥机器人项目活动的育人功能。

四、案例分析

笔者以“社区快递机器人”为例，介绍指向计算思维培养的机器人项目活动实施过程。

“社区快递机器人”项目以新冠肺炎疫情期间无接触传递为背景，以设计一台能够将快递从小区门口运送回家的智能机器人作为驱动任务（如图2）。在此项目中，学生需要调查并根据小区的平面地图形成一张快递运送路线图，搭建快递机器人并使它沿着路线完成快递运送任务。学生以小组团队的方式深度参与项目活动的每个阶段，在解决问题完成项目任务的过程中提高综合实践能力，使计算思维能力得到发展。

此项目教学面向笔者所在学校的四年级学生，笔者使用积木型机器人和图形化编程环境作为活动平台，以满足学生的能力基础和学习需求。参与项目活动之前，学生已经掌握机器人的基本结构和动力元件的使用方法，但是对于怎样用传感器控制机器人沿线循迹还比较陌生。项目教学目标有两个：一是使学生通过实践掌握使用分支结构调用传感器的编程方法，在学习资源的帮助下探究并完成循迹程序的编写;二是提高学生在真实情境下的综合实践能力，鼓励学生以信息技术学科的视角去分解、抽象、概括并最终解决问题。

活动实施过程分为五个阶段，分别是分析任务内容、收集活动资料、确定设计方案、制作机器作品、展示项目成果。为了提高学生在项目过程中的活动效率和学习效果，项目教学采取课内课外融合的方式实施。其中，课内活动主要包括项目分析、交流讨论、作品制作等需要互动和专用器材的活动;课外的活动紧跟课内展开，内容包括查找整理资料、制作文档等。

（一）分析任务内容

在项目中，驱动任务的作用不仅是激发学生的学习兴趣，而且是引发学生思考并形成具体的活动问题链。围绕驱动问题，笔者组织学生进行头脑风暴，形成若干子问题。学生通过对子问题的梳理，形成诸如“机器人怎样携带快递包裹”“小区门口到家的路线是怎样的”“怎样让机器人准确地走到家”等研究目标明确的、用于驱动任务的问题链，从而明确项目活动的具体内容。

在此阶段围绕驱动任务交流讨论的过程中，学生以“用机器人解决问题”的视角去思考问题，分解并形成一系列指向驱动任务的问题链，为后续项目成果的设计打下基础。通过这种方式，从问题的原点出发展开思考，逐渐进入项目角色。

（二）收集活动资料

明确项目的问题链和活动内容后，学生紧接着要做的是围绕问题链收集相关资料。在此项目中，学生要收集的资料包括机器人的结构、传感器的用法、小区的地图等。其中，结构和传感器是为设计机器人打基础，小区地图则是为规划运送快递的路线做准备。为了提高学生获取信息的有效性，笔者提供了学习资源包，其中包含微视频和学生可用的查阅信息的网站。

这个阶段的活动主要以课内外融合的方式进行，其中，信息的收集主要在课外完成，课内则以汇总交流为主。笔者通过这种方式，鼓励学生运用技术工具获取信息、使用媒体软件学习交流，完成项目阶段任务，提高学科能力。

（三）确定设计方案

汇总项目活动和问题链的资料后，学生就可以设计实施方案。方案设计主要有两个方面。一是机器人的制作方案。学生利用已有的经验，结合新获取的知识技能，思考快递机器人的结构和行动方式，并以结构草图和程序流程图的方式呈现方案。二是机器人运送快递的路线图。学生需要根据小区的平面地图，在大号海报纸上绘制机器人运送快递的路线，标记运送的起终点以及沿途的小区地标。快递机器人则将在这张路线图上完成运送快递的任务。

基于真实问题情境开展活动，虽是以信息技术学科为主的机器人项目，但学生在活动中仍要用到其他学科的技能，这有利于发展相应学科的素养能力。学生不仅要运用计算思维将小区地图抽象成机器人的行动路线，而且需运用美术学科的能力绘制运送路线和环境（如图3）。

（四）制作任务作品

完成方案设计之后就进入搭建模型和编程调试的阶段。在此阶段，学生的任务是制作能够沿着路线行进并将快递从小区大门运送至家的机器人作品。其中，使机器人沿着路线移动的程序，即循迹，对于学生而言是新知识。为此，笔者为学生提供了循迹程序的基础框架，帮助学生解决编程过程中的问题，也培养学生自主学习的习惯。

活动中，学生不仅通过探究完成快递机器人的制作，而且在调试的过程中体验、比较和归纳不同循迹程序的特点，概括程序的结构并形成基本的算法模型。部分学生在循迹程序的基础上进行改编，成功地调用了其他传感器，实现诸如防碰撞、防跌落的功能。

（五）展示项目成果

项目活动的最后阶段是学生运行和展示制作的快递机器人。在此阶段，学生以小组为单位逐一上台展示项目研究成果，运行机器人在基于小区地图绘制的路线图上运送快递。通过展示活动，学生互相交流机器人的设计思路和方法，彼此评价并给出改进建议。

小学机器人教育的重点在于让学生学会解决问题的思维方式并提高创新与实践能力。以项目的方式开展小学机器人教育对于计算思维的发展有着直接且正面的影响。

参考文献

[1] 钟柏昌，张禄.我国中小学机器人教育的现状调查与分析[J].中国电化教育，2015（7）：101-107.

[2] 黄明燕，赵建华.项目学习研究综述——基于与学科教学融合的视角[J].远程教育杂志，2014，32（2）：90-98.

[3] 谢忠新，曹杨璐.中小学信息技术学科学生计算思维培养的策略与方法[J].中国电化教育，2015（11）：116-120.

（作者系上海市浦东新区张江高科实验小学教师）

责任编辑：祝元志