基于真实情境与协作学习的机器人教学新范式

摘要：本文聚焦计算思维培养与机器人教学的深度融合，提出一种基于真实情境与协作学习的机器人教学新范式，并通过理论分析阐述了该教学范式的内涵和特征，同时结合“智能搬运小车”项目的教学实践，探讨了该范式在培养学生计算思维、问题解决和创新实践能力等方面的有效性。研究发现，真实情境有助于培养学生计算思维的运用能力，协作学习有助于学生在讨论、反思中深化对计算思维的理解，提升计算思维的高阶技能。因此，该教学范式能够有效促进学生将计算思维知识迁移到机器人实践活动中。

关键词：计算思维；机器人教学；真实情境；协作学习；教学范式

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2024）19-0049-04

引言

1.研究背景

计算思维是信息时代公民必备的核心素养之一。它是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计与人类行为理解的思维方式[1]，已成为与数学思维、工程思维并列的基本思维方式。培养学生的计算思维能力，对于提升其数字化生存和创新发展能力具有重要意义。

机器人教学是培养青少年计算思维的重要途径。国内外许多研究表明，机器人教学能够激发学生的学习兴趣，培养其计算思维和创新实践能力。[2]然而，目前大多数机器人教学仍然侧重于知识传授和技能训练，存在重结果轻过程、重个人轻协作等不足，难以有效支持学生计算思维的深度发展。为了推动机器人教学从“学机器人”到“用计算思维”的转变，笔者探索了一种融合计算思维培养要求、彰显机器人教学优势的教学新范式。

2.文献综述

为培养学生的计算思维能力，研究者提出了多种融合计算思维的教学范式。其中，案例教学法、项目学习法、游戏化学习等较为常见。张进宝等[3]提出了一种“兴趣驱动、项目引领、协作学习、评价促进”的机器人教学范式，在项目活动中渗透计算思维培养。卢庆伟等[4]提出将TRIZ理论引入机器人创新实践活动，构建了TRIZ-CDIO创新教学范式，从技术创新角度支持计算思维发展。田阳等[5]基于S-P-O-C模型，设计了任务导向的智能机器人实践教学范式，在问题解决过程中融合计算思维训练。

虽然上述研究为机器人教学中的计算思维培养提供了有益探索，但仍存在一些不足：一是对计算思维内涵把握不够精准，未能充分体现其抽象建模、数据表示、问题分解、模式泛化等核心要素；二是对机器人教学特色挖掘不够，如体验性、综合性、创新性等未得到充分彰显；三是教学情境设计不够真实，学习任务与真实世界联系不够紧密，学生参与的主动性有待提高。

计算思维的内涵与培养路径

1.计算思维的内涵

笔者认为，计算思维是一种融合抽象建模、数据表示、问题分解、模式泛化、算法思维、调试优化的综合性思维模式，贯穿于问题求解的全过程。因此，计算思维能力的提升，需要在具体的问题情境中，引导学生体验和内化以上思维方式。

2.机器人教学中计算思维的培养路径

机器人教学在本质上契合计算思维的培养要求。从技术实践角度来看，机器人的感知、规划、控制等功能实现高度依赖抽象建模、算法设计等计算思维方法。从创新设计角度来看，机器人的设计优化需要问题分解、创新设计等系统思考能力。

在机器人教学中培养学生的计算思维，依照“教师指导－学生主体－训练主线”的原则。在具体实施过程中重点关注以下环节：首先，选取恰当的项目主题，营造支持计算思维迁移的教学情境，设定贴近生活的真实任务，组织跨学科项目学习和机器人竞赛，引导学生在多样化问题解决中体验计算思维的应用价值，实现知识与技能的灵活迁移。其次，设计教学活动，将计算思维要素融入机器人课程，通过目标设置、内容选取、活动设计等方面的精心织入，引导学生在“做中学”中掌握抽象建模、算法思维等核心要素。再次，进行新知实践，注重计算思维的显性表征和针对性指导，要求学生用流程图、伪代码等方式外化思维过程，教师则及时捕捉学生思维方式的可视化表征，助力学生深思优化。最后，鼓励自主探究，构建计算思维的学习共同体，营造小组协作、头脑风暴、在线分享等互动交流环境，引导学生在集体智慧中碰撞思维火花，在经验分享中优化问题解决思路。

基于真实情境驱动与协作式知识建构的机器人教学范式

1.教学范式的框架

本文提出的机器人教学范式，以培养学生的计算思维能力为核心目标，凝练了真实情境驱动、协作式知识建构两大关键要素，形成“真实情境驱动－协作式知识建构－计算思维提升”的内在逻辑。

①真实情境驱动。教学情境的设计源于学生熟悉的现实世界，蕴含丰富的计算思维要素。这种情境能激发学生的探究欲望，唤起已有认知经验，驱动其主动应用计算思维方法分析、解决问题，在与情境的互动中实现知识迁移和能力提升，使抽象的计算思维在具体情境中“落地”，在真实应用中“内化”。

②协作式知识建构。在教学过程中，学生并非被动接受知识，而是以小组为单位开展协作探究，通过讨论、分享、辩论等互动方式主动建构知识。协作学习有助于发挥学生的集体智慧，通过头脑风暴、思维碰撞产生聚合效应，共同完成较复杂的项目任务。在协商一致意见的过程中，学生能够相互启发，优势互补，逐步内化计算思维策略，形成较深层次的理解。

③计算思维能力提升。通过贴近学生生活实际的问题情境，引导其主动应用计算思维，关注能力生成过程；通过协作互动，重视个性化发展与沟通表达，提升创新设计能力。这种教学理念和教学方法的创新，有助于机器人教学从“学机器人”到“用计算思维”的跨越。

2.教学范式的特征

基于真实情境驱动与协作式知识建构的机器人教学范式有以下四点特征：

①真实性。以真实问题导向和知识应用为核心，通过真实情境中的项目实践，培养学生的计算思维和知识迁移能力，而非简单的概念罗列和公式训练，符合计算思维的实践性特点。

②驱动性。教学过程注重能力发展，基于驱动问题，采用探究式和体验式学习，引导学生在实践中发现问题、分析问题、解决问题。

③协作性。强调协作建构，学生通过小组讨论和头脑风暴生成创新方案，正如建构主义学习理论所强调的，知识在社会互动中形成。

④差异性。个性化教学设计尊重学生差异，鼓励学生发挥特长，用独特的方式呈现项目成果，挖掘创新潜能，彰显个性化思维。

教学案例与实践分析

1.教学案例：“智能搬运小车”项目

为验证本教学范式的可行性和有效性，笔者在某中学开展了为期3周的“智能搬运小车”项目教学实践。该项目以物流搬运为背景，要求学生利用乐高EV3和SpikePrime机器人搭建一辆智能小车，使其能够自动规划行驶路径，避开障碍物，将指定物品运送至目的地。项目分为四个主要环节。

①情境导入与任务分解。教师首先创设真实的物流场景，引导学生分析搬运中存在的问题，进而引出利用智能小车优化搬运的解决方案。学生通过小组讨论，对项目任务进行分解，明确需要实现的功能，如自主行驶、避障、物品搬运等。教师协助学生梳理每项功能对应的计算思维要素，如抽象建模、结构搭建、智能控制等。这一环节立足真实情境，激发了学生的兴趣，通过任务分解实现计算思维要素的整合与内化，体现了“真实情境驱动问题解决”的教学理念。

②协作探究与方案设计。学生在小组内开展头脑风暴，提出多种设计方案，如传感器选型、小车结构、控制策略等。通过小组讨论，学生相互质疑、论证，选出最佳方案。随后，小组成员根据各自特长明确分工，负责机械结构、流程梳理、程序编写等任务。教师巡视指导，参与讨论，点拨疑难。这个过程充分发挥了协作学习的优势，学生在思维碰撞中积极建构知识，在头脑风暴中彼此启发，激发创新思维。分工合作又凸显了因材施教，学生能发挥所长，找到适合自己的学习方式。从计算思维角度来看，这一环节聚焦方案的抽象建模与算法设计，是计算思维的集中应用和提升。

③动手实践与测试优化。学生按照设计方案动手组装机械结构、搭建电路、编写程序，完成智能小车的初步构建。随后，他们设计测试场景，评估小车的实际表现，如避障是否灵敏、能否准确到达等。对于发现的问题，学生主动分析原因，提出优化策略，改进设计方案、完善程序，递归优化，直至达到预期效果。学生在动手实践中检验所学知识，在反复调试中体验计算思维的运用，针对遇到的问题进行分析优化，既锻炼了动手能力，又深化了对计算思维方法的理解。测试环节是学生批判性思维的集中体现，聚焦于问题解决过程，而非简单的结果评判，体现了教学评价的过程导向。

④项目呈现与反思提升。各小组通过演示视频、现场操作等方式展示项目成果，分享心得体会。其他小组提出问题，给出改进建议。教师针对项目设计的创新性、计算思维应用的系统性等进行点评，引导学生梳理项目经验，反思如何进一步优化解决方案、拓展应用场景。这一环节注重协作交流，学生在分享展示中输出认知，在相互评价中获得反馈，在教师点拨中实现计算思维的升华。反思回顾引导学生聚焦学习过程，梳理经验教训，思考计算思维的实际应用。

2.实践成效分析

为评估本教学范式的实际效果，笔者采用课堂观察、过程性评价等方式收集数据，并从计算思维、学习兴趣、实践创新、协作表现等维度进行分析。数据显示：85%以上的学生能灵活运用抽象建模、算法设计、数据优化等计算思维方法解决问题；92%的学生认为源于真实情境的项目最能激发探究兴趣；81%的学生认为作品展现了丰富创意，体现了创新思维，提升了动手能力；77%的学生认为小组协作有效促进思维交流，互助性明显增强。从上述数据结果中可以发现，本教学范式在提升学生计算思维水平、激发学习兴趣、培养创新实践能力等方面取得了良好的成效。不过，实践中笔者也发现一些问题：个别学生在遇到技术难题时缺乏耐心，需要教师帮助调节情绪；作品物化程度不够深入，未能体现更多思维的交叉融合。

结语

本文基于计算思维内涵分析，提出了一种融合真实情境和协作学习的机器人教学新范式，并通过案例实践揭示了该范式对培养学生计算思维、问题解决与创新实践能力的促进作用。这一研究丰富了机器人教学领域的教学范式，为推动机器人活动与计算思维培养的深度融合提供了新思路。

参考文献：

[1]Wing， J. M. Computational thinking[J].Communications of the ACM，2006，49（03），33-35.

[2]李锋，高原.机器人教学：培养小学生计算思维能力的新途径[J].中国电化教学，2017（05）：81-87.

[3]张进宝，陈欢欢.创客教学视域下的机器人教学范式创新[J].现代教学技术，2017，27（11）：15-22.

[4]卢庆伟，康杰，熊输.TRIZ理论在机器人创新教学中的应用实践[J].计算机教学，2019（10）：151-155.

[5]田阳，郑宏，何克抗.智能机器人实践的任务驱动教学范式研究[J].电化教育研究，2018，39（10）：85-91.

作者简介：李亚洲，硕士，高级职称，研究方向为教学管理；李子文，本科，中级职称，研究方向为机器人教学。

本文系甘肃省教学科学“十四五”规划2023年度一般课题“基于计算思维的中学机器人教学实践研究”的研究成果，课题立项号：GS[2023]GHB0934。