引入“机器脑”教学提升学生编程思维能力的研究

谢卿

摘要：通过对高技编程类课程的教学现状分析，作者及其团队充分应用人工智能新技术，引入“机器脑”教学，融入混合式教学理念，采用翻转课堂等教学方法，对软件编程类课程的教学进行改革，适应了学生的学习需求，提升了学生的编程思维能力。

关键词：机器脑；编程思维能力；混合式教学

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）32-0103-03

1 课程背景与教学现状

《程序语言设计》课程是我校计算机软件专业的核心课程，学生学完此课程后应能解释和理解程序逻辑和结构，能够按照设计文档设计编写符合工程规范的程序代码，同时具有良好的语言表达、团队协作和独立学习能力。在美国、英国、日本等国家，机器人编程课程已成为中小学必修课程。时至今日，机器人编程教学逐渐出现在我国。

2 引入机器脑，在动手中培养思维能力

基于情境化任务的机器人编程融合了程序设计的基本逻辑，很大程度上激发了学生的学习积极性。在动手中培养学生是提升学生编程思维能力最有效的手段。

2.1 教学设计理念

2.1.1 把抽象的概念形象化

编程类课程抽象、枯燥，逻辑性、系统性、实践性较强。基于技校学生不善于学习枯燥的理论知识，但喜欢动手这一学情，我校的《程序语言设计》课程提出基于“口袋机器脑”的混合式教学方法。学生课前独立学习相关电子资源，先在机器脑云平台编程。课中带着事先编制好的程序来到课堂，小组合作学习调试机器脑，运用机器脑模拟程序算法的实现，验证成功后再个人独立代码输出。利用这一教学手段，让学生在机器脑编程中体验、思考和内化程序设计的逻辑和结构。

2.1.2 把枯燥的编程趣味化

从图形化编程过渡到具体语言编程，从易到难，帮助学生掌握编程的基本思想和方法，让编程变得生动有趣起来。图形化编程的方式让学生易于上手，编程10分钟就可以让机器脑动起来，这让学生体验到学习的快乐和成就感，进而学生的自我效能感提升，得到良好的学习体验。

2.1.3 混合式学习促进不同层次的学生之间的互动互助

机器脑编程经常要小组讨论，组间合作验证程序，让不同层次的学生有更多机会交流，培养团队协作学习的能力。

2.1.4 机器脑编程结合人工智能的实际应用

通过机器脑，让计算机编程和人工智能有了更好的结合，更强调结合计算思维和工程学来解决实际问题，培养学生的综合职业能力，有效提升学生编程的使命感。学生在编程时会想到今天他们编的程序在机器脑上运行，可能明天他们的程序就会在无人驾驶汽车上运行。例如让学生学习“全覆盖遍历路径算法”，可以结合扫地机器人的案例，让学生理解扫地机器人的工作原理，再利用“全覆盖遍历路径算法”来进行算法设计，课上利用机器脑来模拟程序实现，这样从用途到原理的学习都掌握了，一举多得。

2.2 学习内容

基于学习目标和任务要求，《程序语言设计》课程的学习内容包括：

2.3 学习资源

为了帮助学生达成学习目标，笔者为学生准备了丰富的学习资源，包括中国大学MOOC网上JAVA编程课程。机器脑官网引导学生用机器脑进行编程。学材包括学习任务书，教材，学业评价表，让学生明确任务要求和评价标准。

3 引入机器脑教学，开展行动研究

本试验研究采用两轮行动研究的方法，以筆者任教的两个平行班为研究对象，进行了一个学期的行动研究。参与人员：16移动互联网高1班（试验班，24人）和16移动互联网高2班（平行班，27人），这两个班的学生素质无显著差异，排除了无关干扰因子。试验班引入机器脑学习编程课程，平行班采用传统授课方法学习编程。两个班均采用混合式学习策略，课前教师通过蓝墨云班课平台发放学习资源，并布置学习任务，学生独立学习，教师在线答疑。课中学生以小组合作和个人独立学习相结合的方式展开。在实施行动研究的过程中综合运用访谈、观察、测验等多种方法，结果证明实验班学生在引入机器脑教学后编程的学习兴趣和学习效果显著提升。学生上课时运用机器脑编程的照片如下：

3.1 第一轮行动研究

3.1.1 教学策略选择与分析

时间：2018年4月。

学习内容：使用条件判断语句编程。

教学重点：设计扫地机器人能智能行走，避开障碍物的程序。

教学难点：使用布尔关系语句正确设置判断条件的表达式。

教学方法：头脑风暴法、引导文教学法、可视化法、讲授和讨论。

3.1.2 教学实施

如果有学生感觉任务难以完成时，笔者会再将任务分解成小任务，例如让学生编写机器脑遇到障碍物转弯的例子时，可以先让学生写一段遇到障碍物就立即左转的编程。再提升难度，要求学生让机器脑遇到障碍物时，先判断与左右两边障碍物的距离，再比较两边距离远近进而智能转弯的程序。

3.1.3 学业评价

第一轮行动研究采用过程性评价，利用蓝墨云班课平台进行过程性评价。云班课平台可以由教师课前设置好学习活动及相应的评价标准，在学习活动结束后立即由师生在线评分，快速直观反映学生的学习情况。

3.1.4 存在问题

学生不明确程序的流程和关键语句，机器脑的参数设置不正确等问题。学生有克服上述困难的意愿，希望增加机器脑编程实践的时间。

3.2 第二轮行动研究

在第二轮行动研究试验中，主要针对第一轮行动研究存在的问题，采取改进策略，继续开展教学试验。

3.2.1 教学策略选择与分析

时间：2018年5月。

学习内容：循环结构与分支结构的嵌套。

教学重点：使用循环结构与分支结构的嵌套达到碰碰车的游戏要求。

教学难点：（1）正确设置循环条件中的布尔关系；（2）正确设置布尔值。

教学方法：引导文教学法、可视化法、扩展小组法、讲授和讨论。

3.2.2 教学实施

为了在第一轮行动研究的基础上提高教学目标的达成度，笔者针对问题改进了教学流程和策略：

（1）引导学生自学“口袋机器脑”官网上的案例，熟悉机器脑的运动指令，控制流，布尔关系和布尔值的设置等。

（2）在原有教学流程的基础上增加绘制算法流程图的步骤，让学生先画出流程图，再根据流程图输出代码，理清编程的思路。

（3）鼓励学生自主探究生活中实际问题的算法设计，然后用机器脑模拟算法实现。例如无人驾驶汽车、电子导盲犬。

3.2.3 学业评价

第二轮行动研究采用过程性评价，采用雷达图的方式对各个小组进行综合职业能力评价，雷达图有六个指标，每个指标对应一个职业能力维度的评价。具体评价指标与雷达图的指标对应关系如下：（1）由小组长对本小组成员的课前作业完成情况评分，取小组成员的平均分作为雷达图的K1指标。（2）由教师对算法和代码的正确性进行评分，作为雷达图的K2和K3指标。（3）在学习成果展示的环节，学生分组上台展示学习成果，由顺时针方向的隔壁小组对该小组评分，结果作为雷达图的K4指标。（4）由小组长对该小组的学习态度、沟通能力、协作能力等进行评分，作为雷达图的K5指标。（5）由企业程序员对代码进行评分，作为雷达图的K6指标。如图5所示。

3.3教学评价

3.3.1 评价方式

第一轮行动研究采用云班课在线评价学生的学习情况，快速有效，而且能“以学定教”，为第二轮行动研究做准备；第二轮行动研究采用过程性评价，边学边评。每个学习活动结束后都进行对应的评价，得出的结果填入雷达图中的对应维度。

3.3.2 评价要素

雷达图的每一个维度的评价都对应一张细目评价表，评价要素与学习目标相呼应，对各个学习目标进行评价，结果直观反映学生多维度的综合职业能力的情况。

3.3.3 评价结果

从评价结果来看，实验班的整体学习目标达成度高，仅有1名学生，未能编制出规范、运行结果正确的代码。

4 引入“机器脑”教学提升学生编程思维能力应用效果分析

以“做”促“思”是引入机器脑教学的探究本质。教育家蒙特俊利也曾说过：我听过了，我就忘了；我看见了我就记住了；我做过了，我就理解了。由此可见“做”在学生編程学习中的地位。在教学过程中教师要鼓励学生动手动脑。学业评价不仅关注学习结果，也关注学生的学习过程，多维度地评价学生的综合职业能力。

4.1 学生成绩的分析

排除学习内容、时间、授课老师等无关因素的影响，对比平行班和实验班的学业成绩，实验班在两轮行动研究后，学业成绩有了16.7%的进步。实验班编写代码的成绩比普通班分别高出24.1%和26%。

4.2 学生的反馈

本次行动研究后对实验班的24名学生进行问卷调查分析。试卷回收率100%，调查结果如下。“学生对引入机器脑教学是否感兴趣？”分析效果如图6。

通过分析得知，96%的学生对引入“机器脑”教学感兴趣。

5 结语

笔者通过两轮行动研究，在高技学生的编程类课程中引入“机器脑”教学，融入混合式教学理念，采用翻转课堂等教学方法，从教学设计理念、学习内容、学习资源、教学实施、教学评价等方面进行教学实施，说明引入“机器脑”教学可以提升学生的编程思维能力。

参考文献：

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[2] 韩锡斌，王玉萍，张铁道，等.远程混合与在线学习驱动下的大学教育变革——国际在线教育研究报告《迎接数字大学》深度解读[J].现代远程教育研究，2015（5）：3-11.

[3] 马振峰.高职教育的信息化教学设计模式探究[J].中国教育信息化，2015（16）：53-55.

[4] 顾长明.做思共生科学教学的理想课态[J].教学仪器与实验，2015（4）：11-14.

【通联编辑：唐一东】