机器人模块中 践行计算思维的设计途径

王蕾

教学现场

《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》颁布后，有关在义务教育阶段教学中渗入计算思维的呼声此起彼伏。在前期实验计算思维的常见课例中，机器人模块受到了中小学一线教师的青睐，在计算思维研究课中，以此为主题的研究课例占有较大的比重。但是在这批尝鲜的课例中，往往延续传统信息技术教学模块的设计方式。在课堂教学实践中，多个课例出现了教学课时不足、学生课堂达成率不高、作品单一等问题，引起了笔者的思考。

问题分析

对相关课例详细分析后发现，出现以上问题的原因在于：机器人模块与传统信息技术教学内容之间，既有学科共性，也有模块个性。如果教师采用传统的设计方式，不能完全符合教学要求。在多个课例中，教师未能采用适宜的教学设计方式来组织教学，势必引起诸多问题。从研究主题来说，计算思维作为信息技术学科的目标之一，需要采用适宜的途径进行实践，如何能寻找到适宜的设计载体，成为当下教研的焦点。合理地运用计算思维方式来组织机器人模块的教学过程，方能取得较为理想的教学效果。

机器人模块设置的内容及现状

1.机器人模块的内容分析特点

《中小學信息技术课程指导纲要（试行）》中明确指出，在中小学信息技术教学中，培养目标可以归纳为三类：①在基础模块教学中，强调追求表现个性与特点的发散思维和人文精神；②在编程等逻辑思维能力培养的教育中，比较强调培养学生如何认识世界与发现规律的演绎、逻辑思维能力和科学精神；③在以机器人模块为代表的新技术类的内容中，所强调的是追求解决问题与完成任务的可实现、可操作的计算思维与创新精神。

作为学科内容，机器人模块属于信息技术教学中的新模块；从教学设计的特点上分析，机器人模块具有信息技术教学设计的共性，即注重实践性和实验性，强调学科的操作技能目标达成。但机器人模块也具有自身的个性，即注重学生对解决问题方案的规划，突出程序释疑的多角度性，鼓励学生在硬件搭建和软件配套间寻求最佳途径。

2.当前机器人模块教学设计的现状

机器人模块作为信息技术学科的内容之一，进入常规化班级授课的时间较短，各类教学设计和课堂教学的案例有限。根据已有情况来分析，大部分的机器人教学强调技能的训练，常规设计形式为：教师演示程序—学生模仿搭建—学生练习—教师总结。在常规设计中，教师注重技能的演示，忽视对机器人搭建过程的关注，导致课堂类似传统工匠的作坊，学生缺乏必要的思维过程，无法进行有效的知识迁移，作品达成形式单一。

机器人模块与计算思维培养的关联

1.机器人模块与计算思维培养的契合点

机器人模块涉及硬件搭建和软件编程两个项目：硬件搭建的过程中，学生需要清晰的思维框架和完整的功能载体。在这个过程中，计算思维的方式能够给学生充分的学习支架，帮助其整理思路、确定任务主线。软件编程中，学生要根据任务的要求，编写机器人的相关活动程序，活动过程中，程序在学习中跟随任务的推进进行相应的调整、改编、设置，以期完成机器人的相关活动。编程的过程，具有典型的算法思维的特征，基于计算思维的算法设计是编程的重要基础，整个编程过程基于计算思维而进行。

2.具有计算思维特征的设计给机器人模块教学带来的变化

计算思维是与形式化问题及其解决方案相关的思维过程，其解决问题的表示形式应该能有效地被信息处理代理执行。通过对机器人模块教学过程的分析可以看出，计算思维对机器人模块的教学有着重要的意义。具有计算思维特征的教学设计，可以帮助机器人模块的教学在硬件上达到高效规范的目的，在软件上达到细化编程过程、规范编程细节的作用。因此，基于计算思维特征的教学设计可以给机器人模块教学带来规范的学习能量和清晰的学习思路。在教学实践中，计算思维物化为符合学科特征的设计手段，通过适宜的组织构建，为学生创设计算思维的学习过程，有效地落实教学目标。

基于计算思维的机器人模块教学设计模式

基于计算思维的教学设计具有鲜明的特征，在机器人模块的课堂教学过程中，通过硬件搭建和软件编程两个角度得以具体实施。下面，笔者以《机器人循光》一课为例，探索基于计算思维培养的机器人模块教学设计模式。

1.迭代思维：多算法思维——从技能中心到问题解决

迭代是重复反馈过程的活动，其目的通常是为了逼近所需目标或结果。每一次对过程的重复称为一次“迭代”，而每一次迭代得到的结果会作为下一次迭代的初始值。迭代函数在数学运算中广泛使用、迭代算法在程序编写中经常涉及。这里的迭代思维是指将多维度的算法思维进行有效的组合，让学习者的关注力从以技能为中心转移到问题的解决方式上来，构建自身的学习支架。

（1）原设计

机器人模块的经典课例《机器人循光》，包括“认识红外传感器”“设置红外传感器”“用红外传感器控制机器人运动”三个主要环节。在第一个环节中，常见的设计方式为：教师播放一段机器人竞赛中机器人追逐足球的视频，让学生了解机器人循“物”的工作方式，引入红外传感器，再介绍红外传感器的生活用途，完成学生对红外传感器的认识。

（2）思考焦点

以上的教学过程中，虽然没有明显的认知问题，但是在课堂教学中，常常会出现学生参与度不高、无法拓展生活实例的情况，以至于教师让学生搭建红外传感器时，学生不知所措，无法达到满意的教学效果。究其原因，教师给与学生的学习素材只注重概念的技能特征，忽视了其问题解决的推动原理。虽然是机器人的应用实例，但是“循光”与“寻物”缺乏必要的物质联系，学生无法理解红外传感器为什么能起到“循”的作用。因此，在搭建过程中，才出现了学生不知该如何安插红外传感器的尴尬情况。

（3）改进型设计

基于计算思维的设计过程中，教师可以从“自动门”入手，引导学生观察为什么能“自动”？学生通过自身的生活经验，可以想到自动门顶端有个红色的小灯，每当有人靠近时，小红灯就会闪一下，接着门就开了。教师拿出实物展示给学生看；接着通过对“自动门”工作过程的分析，带领学生绘出工作流程图，让学生清晰了解红外传感器的工作原理；再带领学生将红外传感器搭建到机器人机身上。

教学评析：在此过程中，虽然流程相对复杂，看似耗用了较多的时间，但给学生充分的知识补给，帮助学生建立理性的问题解决框架，了解完整的认知内容及原理。通过这样的设计，学生明晰了学习任务的行进方式，有目的地进行自我学习过程的推进。因为懂得，所以准确，在教学实践中，此设计不但收到了良好的达成率，而且学生能够积极地寻求下一轮学习的开展。

2.基准设计：区块链设计——从单一认知到项目组合

区块链是来自数学算法的概念，包含分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式，落实在教学设计中，借用区块链系统中的学习共同体，完成实现不同节点之间建立信任、获取权益的问题算法线。

（1）原设计

常规教学中，《机器人循光》的第二环节一般为“设置红外传感器参数”。在已有的案例中，一般会从程序入手，教师讲授相关控件的设置方法，演示相关的过程，完成红外传感器的设置。教学设计的流程为“提出任务—编写程序—设置参数—完成设置”。在教学中经常遇到学生应变能力不足的情况。例如，改变机器人工作环境后学生无法适从，或不同的光照条件下学生无法应对更为复杂的控件模块；又如，出现机器人活动故障后，部分学生不会修改程序，或修改的程序参数不正确。

（2）思考焦点

以上问题可以归因为学生对红外线模块程序思考的应变能力不够，未能掌握编程语言的内核，学习停留在程序模仿的阶段。此时学生的学习过程是线性的、固化的、单一性的、碎片式的，就学习的性质而言，“演示+模仿”的程序教学中，学生缺乏意义学习的过程，这样的学习缺乏必要的认知支持系统。

（3）改进型设计

基于计算思维的《机器人循光》的第二部分设计中，教师可采用以下形式组织教学：

小结：教师带领学生分析前一阶段的红外传感器工作流程图。

主题：教师给出本节课的活动目的→学生分析问题核心。

首次定义：学生绘制问题流程图→教师指导过程；

第一区块：根据流程图→定义相关变量→编写首轮程序模块；

第二区块：根据改进图→使用相关变量→修改程序参数；

第三区块：根据反馈图→修改相关变量→编译相关程序；

……

综合区块链：完成与实验环境相适应的红外线程序编写和参数设置。

经过多个区块链相组合后，学生完成较为完整的控制红外传感器的程序编写，学会了在不同环境下设置相关程序的方法，并理解了不同环境下应该如何修改相应的参数。

教学评析：学生的多项区块链的组合思考，所形成的是较为完善的学习概念。多项的区块链的本质是分项目对变量进行定义和修改，让学生对控件模块的编程参数有较为深刻的理解。每一轮的项目就是一个区块链，多个区块链综合在一起，有机整合了学生的逻辑思维过程。在基于计算思维的设计方式中，对于红外传感器之类有较强应用型特征的内容，可采用区块链设计的方式，将单一认知的流程改变到学习方阵中进行，保持思维过程的严密性。通过教学实践，笔者发现学生的深度理解力明显提升，收到了良好的教学效果。

3.递归思维：泛深度学习——从泛在项目到深入解析

递归是一种在程序设计中常用的编程技巧，程序调用自身的编程技巧称为递归。递归思维作为一种典型的计算思维算法，在程序设计语言中广泛应用。在基于递归算法思维的机器人模块中，通常会把一个大型复杂的机器人实践问题，层层转化为一个与原问题相似的规模较小的问题来求解。具体而言，递归思维借助问题分解，从泛在内容中提取清晰的结构组件，以达到深入解析问题的目的。

（1）原设计

本课的第三个教学环节为“用红外传感器控制机器人运动”。常规设计中，一般是教师在前一阶段讲述了程序的设置方式，这部分让学生进行具体的实践，编写机器人循光的程序：如果前方有光源，机器人前进；如果前方没有光源，机器人停止运动；如果光源的光照度不够，机器人后退。在授课中，此部分的教学效果不尽如人意，相当数量的学生不知所措、无法完成程序的搭建，或者不会根据机器人实际出现的情况修改自己的程序。

（2）思考焦点

学生之所以出现问题，与其前期的程序基础薄弱有关，学生模仿程序后，不能灵活地进行深入的实践。从表象来看，这部分内容属于实践性的环节；从认知角度分析，此环节属于理性思维与感性经验的跨越阶段，学生的自我构建需要教师的助力。合理的设计中，应发挥教师的主观能动性，为学生创设必要的活动内容，以保证其能够合理地进行实验活动。

（3）改进型设计

基于递归思维的设计中，“用红外传感器控制机器人运动”的过程可通过分解问题的形式推进，将大问题化整为零，分步突破。

教师提供四条具体的问题推进路线，学生根据以上思路，分步骤完成相应的小任务，最终实现活动目的。

问题1：解析环境的类型：○无光、○有弱光、○有强光

问题2：传感器检测分类：○停止运动 ○后退运动 ○前进运动

问题3：程序解码的方式：○模块参数设置 ○源代码修改 ○依据环境重新定义

问题4：平台与机器的连接：○直连式 ○编译式 ○二次编码式

综合问题：用红外传感器控制机器人的多种运动形式

教学评析：以上案例包括三次递归过程，包括解决问题的边界条件、递归前进段和递归返回段。当边界条件不满足时，递归前进；当边界条件满足时，递归返回。在此过程中，学生的活动是细化的、泛化的、可掌控的。学生只需遵循相应的学习主线，就可描述出解题过程所需要的多次重复计算，大大地减少了程序的代码量。基于递归思维的机器人模块的设计妙处在于，用有限的语句来定义对象的无限集合。在教学实践中，基于递归思维的教学设计中，学生创作了大量丰富多彩的作品，让该课内容获得了较好的教学效果。

总结与展望

在机器人模块中践行计算思维的设计方法，具有鲜明的学科特征，能够将较为抽象的程序编写过程落实在具象化的活动载体中，并能够为教学过程提供实际的学习支持。在使用计算思维来进行机器人模块的教学设计时，要注意以下问题：

首先，有的放矢。在机器人模块中筛选适宜的内容进行设计。并非所有的教学内容都适宜使用计算思维的方式组织教学。教学內容中含有明显的硬件、软件结合的，符合计算思维的特征，可进行适宜的尝试。某些过于复杂的活动内容，则无法进行过于准确的迭代思维或无法进行完全的计算思维，需要教师进行具体的分析。

其次，有名乃大。注重主题性，围绕确定的项目进行思考。主题的筛选尤为重要，教师要选择符合儿童认知习惯和认知经验的主题进行活动组织，避免过于生僻的主题内容。

最后，有张有弛。教学形式多样，扩展学生的多样性学习空间。在实施过程中，教师要注重获取多维度的教学支持，如课外的资源获取、移动学习空间的利用等，满足学生的求知欲。