培养小学生计算思维的机器人编程教学探究

王源　徐栋　李军

摘 要：计算思维是信息技术学科核心素养的重要组成要素，是智能时代智慧型人才的必备素质。在机器人编程教学中，学生可以通过程序驱动，实时操作机器人进行工作，实现了人与机器人之间的信息传递，这是当前小学阶段培养学生计算思维的主要途径。

关键词：小学信息技术；计算思维；机器人编程；教学策略

中图分类号：G427                                文献标识码：A                                       文章编号：2097-1737（2023）34-0005-03

机器人编程课程是教师设计教学模型、开展教学活动，以实现教学目标的教学载体。信息科技教师需要转变以传统理论输出为主的教学方式，充分利用区域内机器人教学环境与资源，注重采用启发式、参与式等具有创造性以及由兴趣主导的教学方式，推动小学生计算思维能力的整体提升[1]。

一、计算思维和机器人编程概念解析

（一）计算思维

计算思维就是按照一定的逻辑顺序有计划、有目的地解决问题的思维方式以及在这个问题解决过程中所体现出的能力。将计算思维带到计算学科这个框架内，就是通过算法将数据分析、数据模型、数据呈现等泛化抽象的问题进行具象化展现的思维能力。这种思维方式和解决问题的能力不仅是计算机从业者所必备的，也是每个人理解智能化社会运行的逻辑前提。

（二）机器人编程

相比图形化编程的普遍适用性，机器人编程更像是为使机器人完成某种任务而设置的动作顺序描述。它能十分简洁地描述工作环境和机器人的动作，把复杂的操作任务通过尽可能简单的程序来完成。机器人编程语言也和一般的程序语言一样，应具有结构简明、概念统一、容易扩展等特点。

二、开展培养小学生计算思维的机器人编程教学的必要性分析

（一）满足新时代的育人需求

在机器人编程教学中培养小学生计算思维符合国家教育政策的指引方向。在机器人编程教学过程中，培养学生计算思维能帮助学生使用计算思维解决生活中遇到的各种问题，增强学生的数据处理能力、决策能力、团队合作能力等，最终培养出能够适应社会高速发展并具有创新精神与开拓意识的智慧型人才。

（二）增强信息技术教学的实践性

在当前小学信息技术课程中，很多教师将教学重点放在理论知识的讲解和操作技能的培养上，机器人编程教学中也多以示范性操作教学为主，忽略了教学实践的重要性，减少了对学生计算思维和创造性能力的培养，长此以往会限制学生想象力的发挥。而机器人编程教学将数学和物理等有利于培养学生计算思维和计算能力的学科知识融入其中，再结合对机器人实践操作的任务驱动要求，为学生创造了培养计算思维和动手实践能力的操作环境，让学生在不知不觉中提升自己的计算思维能力。

三、开展培养小学生计算思维的机器人编程教学的策略

（一）分解编程任务，引导计算思维

分解任务的方式可以让问题结构和关键点更加清晰，从而降低整体难度。在机器人程序开发中，除了要注重代码书写的正确性，还需要设计最有效的解决方案。这就要求学生具备创造性思维能力，能够在不同情境下将问题转换为适合机器人控制的指令序列。但是复杂的设计会让学生感到无从下手，所以教师可以引导他们将一个复杂的任务分解为多个小的子任务，逐步解决每个子任务，最終达到解决整个问题的目标[2]。在分解过程中，教师应引导学生设计方案，规划路径，计算时间，做出决策，促进学生计算思维能力的提升。

例如，在图1的机器人巡线控制任务中，设定目标为让机器人从起点到达E点，中间四个节点各停留1秒。

学生可以将编程任务按照流程和顺序进行分解，因为机器人一次只能做一件事，不可能直行的同时左转，所以为了完成路线，机器人的动作一定有先后顺序。任务分解为：前进、停留1秒、左转、前进、停留1秒、右转、前进、停留1秒、右转、前进、停留1秒、掉头、前进、右转、前进。

在规划路线的过程中，学生的计算思维能力得到锻炼。由于该任务的实践性较强，学生脑海中形成了深刻印象，帮助学生实现知识内化。再次遇到同类的问题时，学生大脑就会做出对应反应，达到触类旁通、举一反三的授课效果。

（二）融合图形化编程教学，培养计算思维

将图形化编程教学和机器人编程教学相结合，使机器人的工作过程和运行原理以图形化编程的方式进行直观演示，更能方便学生理解编程知识，思考运行原理，及时发现错误环节，迅速修改，及时调试。学生应在完成机器人编程任务的过程中，不断调整程序和线路，实现计算思维能力的提升。

例如，“机器人机械手”一课中，教师的教学重点是让学生掌握机器人机械手程序的搭建和机器人拓展模块的组合方式。经过第一课时的教学，学生已经明白了机械手的概念以及活动原理、伺服电机和红外传感器的工作原理，也已经掌握了设置伺服电机的方式，接下来就需要利用编写程序对机器人机械手程序进行实验。学生通过编写机器人流程图，将机器人机械手运动的基本过程进行具象化展示，了解了机械手由两个伺服电机、四个两节模块、两个伺服电机链接、两个弯曲九孔以及固定伺服电机的铜片、螺丝组成。

学生在编写机械手程序时，如果按照教材中利用专门的软件进行编程，一般分为这几个步骤：机器人停止、机械手抓取物体、推动前进、机械手放下物体、机器人后退停止。在这个过程中，学生可通过对算法的学习促使自身计算思维能力的提升。但是在实际教学中，教师会发现学生脱离教师难以完成。此时学生就可以借助在五年级已经掌握的图形化编程语言，以图形化编程的形式将机械手的程序简单化。

一方面可拆卸的积木式机器人方便学生在实验过程中纠正错误，另一方面，以模块化的指令代替陌生的代码指令，能够更好地激发学生的学习兴趣，增强学生学习信心。而学生在拆卸过程中寻找能让机械手运作的指令，在反复实践中将脑海中内容具象化，用旧知识解决新问题，更好地发展了计算思维能力。

（三）开展项目式学习，拓展计算思维

在项目化学习中，学生会联系到数学、科学以及工程等多学科知识，真正实现多元智能发展。与此同时，在集思广益的团队合作中，学生可以互相交流分享，实现思维碰撞。在反复调试和算法预演中，学生的计算思维能力能够得到有效提升。

例如，在“机器人汽车倒车雷达”的项目式学习中，教师将教学目标设定为通过学习理解双分支选择结构，掌握选择结构算法，利用倒车雷达程序去感知选择结构算法的作用，最终提升计算思维能力。所以，

教师可如此开展教学。第一，利用实物创设问题情境，

引导学生展开探究。教师带领学生观察真实的倒车雷达显示屏和提示音的变化，进而引出问题：雷达是怎样测量车和障碍物之间的距离的，以及雷达提示音会随着距离数值的变动发生何种变化。为了让学生更了解控制器和超声波传感器，教师借助机器人搭建测距装置，让学生熟悉对应的计算模式。第二，通过对模拟相似环境的智能小车的学习，让学生将问题进行抽象处理，即总结归纳出汽车倒车雷达的结构模式，明确智能小车的算法，并在教师提出的“如果—那么—否则”的双分支程序描述模式的帮助下，实现仿真模

拟。第三，尝试画出流程图并得出算法，模拟汽车超声波传感器获取汽车与障碍物的距离值，并将其传送给控制器的过程。模拟的过程就是验证算法的过程。

梳理这个项目式学习过程，我们可以发现计算思维的拓展贯穿始终。首先，拓展分层处理思维。教师在利用“眼见为实”的方式让学生观察后，将复杂的问题进行分解，将超声波传感器和控制器的探究问题通过两个问题来呈现：超声波传感器如何测距和汽车控制器如何发送指令。化繁为简，更加清晰。其次，拓展模式识别或算法识别思维，即利用机器人智能小车进行仿真模拟，进一步抽象算法。再次，拓展流程建设的思维，从仿真模拟到流程图最终得到算法，层层递进，解决问题，获得学习自信心。最后，利用编程软件进行算法验证，真正实现问题的抽象化处理。这样的教学起到了润物无声的效果，学生利用计算思维解决问题的同时，也获得全面发展。在之后的学习中，

学生可以主动尝试从多角度解决问题。

（四）开发编程校本课程，提升计算思维能力

校本课程是相对国家课程和地方课程来说的，是对现行普遍适用课程的补充。开发机器人编程校本课程能够激发学生的编程学习兴趣，为学生提供更多机器人编程的实践机会，最终形成“智能人才”的有效培养模式，全面提升本校学生的计算思维能力[3]。机器人编程教育校本课程开发，可以从以下两个方面入手：

1.快乐编程：以生为本，兴趣引导

在关于编程的校本课程开发中，学校要更加注重“以生为本”的教育理念，将学生兴趣导向放在首要位置，真正做到快乐编程，在不断探索的过程中提升计算思维能力。

例如，学校可以将游戏教学和机器人编程结合起来进行“趣味编程”的校本课程开发。学校可以参考现在市场上的一些编程游戏，如《代码对抗赛：机器人编程大战》。这是一款编程模拟类策略游戏，玩家可以在编程系统中输入指令，直接运行到机器人身上。这个游戏其实并没有专注于特定的编程语言，而是使用了一种直观的可视化编程语言，让玩家将思考的注意力转移到对循环、函数和变量处理的问题上来，在紧张的氛围中激发学生的学习潜力，真正做到寓教于乐。

编程校本课程也可以简化成容易实现的简易编程游戏。例如，教师可以结合图形化编程工具以及信息技术学科教学内容，联系条件判断、循环、变量、链表、函数等编程知识和技巧，引导学生制作游戏程序，让学生的计算思维能力在实践中不断提升[4]。

2.智慧编程：由简入难，层层递进

在产生开展机器人编程校本课程的想法后，笔者了解了几所已经在小学阶段开展编程教育校本课程的学校，发现编程校本课程开展状况良好的学校具备两个共性：第一，选择以难度更小的图形化编程工具作为课程载体，降低难度，让绝大部分的小学生能够实现编程入门；第二，坚持STEAM的教育理念，实现编程和其他学科的联动，突破学科界限[5]。因此，在开展机器人编程校本课程时，学校应注意从简单的机器人编程项目入手，将不同的学科涵盖其中，形成学科联动效应，综合提升学生的计算思维能力。

例如，学校在学生编程学习的起步阶段，可以开发基础学科联动的“嵌入式校本课程”，将简单的机器人编程指令训练作为主要教学内容。在学生能够得心应手地使用编程指令时，学校可以进一步开发“项目型校本课程”，将设计思维培养和操作步骤作为主要教学内容，同时提高教师参与度，创设竞赛活动，促使学生的计算思维得到逐步拓展。

四、结束语

总之，教师要注意把握机器人编程和计算思维的核心要义，在教学中既可以从分解编程任务、融合图形化编程教学方面降低教学难度，又可以通过开发机器人编程的项目式学习和编程校本课程来提升学生的计算思维能力，帮助学生将计算思维运用于解决生活及学习中遇到的问题，进而成长为更适合智能时代的新型人才。

参考文献

朱贇.机器人编程项目式学习成效的研究[J].上海教育，2021（21）：82-83.

代光光.小学教育中机器人编程的计算思维探究[J].科幻画报，2021（5）：87-88.

刘飞初.面向创造性思维培养的小学编程校本课程的开发与实践研究[D].曲阜：曲阜师范大学，2020.

张婷.小学生机器人教学中计算思维培养的实践研究[D].成都：四川师范大学，2019.

周明.基于计算思维培养的中小学编程教育校本课程开发与实践[J].中小學信息技术教育，2017（3）：61-65.