在中学机器人科技活动中提升中学生计算思维能力的探究

摘 要：本文阐述了中学生计算思维能力的教育价值和现状，通过中学机器人科技活动Botball—“机器人探矿者”项目活动案例提升学生计算思维能力的实践过程探究，提出了在中学机器人科技活动中提升学生计算思维能力的策略：（1）全方位出发，多种途径提升;（2）鼓励学生尝试，打破传统思维方式，提升计算思维;（3）注重研究过程文档化，提炼计算思维;（4）提升知识迁移能力，注重提升创造力。

关键词：中学机器人科技活动;中学生计算思维能力

一、中学生计算思维能力

计算思维是一种运用计算机科学基本概念求解问题、设计系统和理解人类行为的活动的思维模式。2011年国际教育技术协会（ISTE）和计算机科学教师协会给出的计算思维的操作性定义：计算思维是一个问题解决的过程，该过程包括：制定问题并能够利用计算机和其他工具来帮助解决该问题;逻辑化的组织和分析数据;通过抽象（例如模型、仿真等）再现数据;通过算法思想来支持自动化解决方案;识别、分析、实施可能的解决方案同时结合上述步骤和资源，找到最有效的解决方案;将该问题的解决过程推广并迁移到更广泛的问题中[1]。

近年来，国家对中小学机器人教育越来重视。根据国务院发布的《新一代人工智能发展规划》，规划中明确提出在中小学阶段开设机器人相关课程[2-4]，以及教育部发布的《普通高中课程方案和语文等学科课程标准（2017年版）》，新版《义务教育小学科学课程标准》增加了技术和电子工程学，这些都可能意味着对于机器人技术的研究和学习会在中小学的校内外教学中全面展开，这些都直接促进了机器人教育在中小学的应用和发展。我国的中小学机器人教育在教育部和科协等部门组织的各类机器人竞赛活动的推动下得到了突飞猛进的发展。

二、在中学机器人科技活动中提升学生计算思维能力的实践探究

计算思维在2017年已经被高中信息技术课程标准纳入高中信息技术学科核心素养体系。新课标明确了计算思维素养教育的重要性和内涵，我们在日常应用中主要为：应用计算机学科的方法将问题抽象化，归纳出问题特征，建立问题模型;分析和整合各类信息资源，找到解决问题的各个约束条件，形成合理的算法，确定解决问题的方案;利用计算机工具测试问题解决效果，同时把计算机解决问题的方法和经验迁移到类似的问题解决中。

在机器人的活动中，主要是通过分析场地和硬件条件，分解任务，抽象方案，编写程序等计算方法来解决问题。学生可以用图形化编程的方法将问题解决过程可视化描述，将算法流程化，从而方便任务解决的效率。最后通过机器人行为测试问题解决效果，很好地形成了一个闭环反馈控制体系，这些都可以用计算机的符号化语言展现出来。学生在整个机器人项目学习中将计算思维能力内化为隐性知识，在后续的学习生活中能很好地用来解决实际问题。

我校自2003年开始机器人活动，到现在已经快20年，我们尝试了多种方式开展学生机器人活动，从最初的几人小组活动和机器人竞赛到后来的100多人的机器人选修课，机器人创新实践活动，我们一直在探索最好的机器人教育活动开展方式。随着学校科技活动开展日益丰富，学生的知识面和活动范围越来越广，我们究竟该怎样开展活动才能更好地培养学生的计算思维，是我们研究最重要的一个切入点。

下面我们用Botball——“机器人探矿者”项目活动案例来看我们如何利用学校良好的软硬件资源，开展了机器人探矿者研究，通过项目组队、材料准备、方案确定、方案设计、项目研发、调试等整个项目完成过程，分析项目完成的每个环节如何提升队员的计算思维能力，探究机器人教育活动提升学生计算思维能力。

（一）准备工作

Botball是一个国际机器人比赛项目，每年都会有一个主题，融合了妙趣横生的故事、高难度的任务和各种丰富的硬件种类。参加该项目组的成员都是根据队员各自特点，选择了部分上届学生和该课题成员，以及机器人社团自己报名的本屆学生共同组队，课题组根据任务角色不同，分为组长、淘汰组编程、淘汰组搭建、种子赛编程、种子赛搭建、材料管理等10名选手组成，并且有些队员身兼数职。项目队员掌握了机器人C语言在线编程、基本的机械搭建和电子、单片机基础知识，并且在Botball项目中掌握了基本的走线、抓举等基本任务实现方法。

（二）项目实施

1.分析、抽象、细化问题

机器人教育活动中每个项目每年都会有一个主题和一系列的任务，该案例中学生分析了Botball国际机器人大赛的规则，搭建好场地，研究了各个任务的难点和得分点，在30多个任务中舍弃了花费时间多而得分少的任务;学习、研究了比赛所使用的硬件的特点和工作原理，研究各项任务的完成策略，细化了任务，找出程序完成任务的关键点。

这个阶段项目组的同学需要研究规则，根据已掌握的机器人搭建和编程知识，分析任务，细化任务，将实际任务抽象为可以通过程序控制解决的任务，这个过程培养学生的“问题分解”能力，学生利用计算概念和方法解决现实问题的能力。

2.确定方案和制订计划

全组成员讲解各自解决方案，讨论各种解决方案的优缺点，权衡各种解决方案的利弊，最后整合形成完成的初期解决方案，然后制订一份详细计划，并确定执行解决方案的步骤。这个阶段，研究方案的确定中，提升学生的“概括”能力、沟通能力，能否将具体的解决方案抽象到通过计算机算法解决办法，学生能想出任务完成的基本流程。学生能否确定要使用的编程方法，想到之前所用的类似方法完成任务程序，学生能否重新使用部分程序。

3.尝试实施方案

整个方案分成了四块，抓取颜色方块、放置颜色方块、抓取Botgal、清理台地。第一次细化的任务流程图见图1。

这个阶段学生需要把具体的任务用流程图来描述，整个任务完成过程在大脑里是一段段程序结构模型。这个阶段里，需要将程序代码输入机器人控制器中，通过运行程序，学生的解决问题的想法得到了验证，他们的“算法思维”将得到提升。也就是学生用程序设计语言描述了自己解决问题策略，将之前学过的顺序、循环、条件语句等程序结构用于完成一个个任务的程序中。

4.测试和优化方案

在测试过程中，探矿机器人的动作与预想的差距较大，遇到了后退找黑线会有未成功识别黑线的情况;机器人重心不稳，容易倒，于是有抓空的现象等诸多问题。测试的过程实际在验证我们的编程是否合理，是否满足我们的实际需求，每次的测试中学生需要观察出现的各种问题，从中找到最关键点，以及程序中解决方案，在修改程序时是否完成了最关键点。

上面案例中学生们经过思考，抽取关键点，列出相应算法、编程解决了各个问题，对应的改进方案见图2流程图中红色标注的部分。

该过程中学生用设定好的机器人机械结构根据任务完成的成功率来评估解决方案，并利用自己的评估技能，利用前期机器人学习和活动中掌握的知识和经验，根据机器人动作确定程序是否需要修改、修改的地方，这里主要看队员是否使程序实现了迭代;项目队员能否根据机器人动作问题抽象分析出程序中问题并及时修改以及根据之前的经验找到问题的知识迁移能力。

5.项目记录、总结、整理研究报告

活动研究过程队员会记录下来包括每周的阶段小结，整体项目结束后撰写研究报告和总结，因为整个项目都是多人共同完成的，你的总结可以是其他队员下一步工作开展提供很好的思路，搭建人员对设备的小小改进，也许可以大大简化编程人员的编程工作。这既是对过去一个阶段工作的回顾与总结，也是提升认识与能力的过程。

学生日常活动记录、总结、研究报告除了记录日常活动内容，还将日常操作中得到的经验逐渐抽象为知识，也就是对没法在书本中获取的，多次实践中得来的经验进行重新整理、抽象分析，对比、反思自己的實际操作，结合自己在课堂中已经掌握的基础知识，逐步形成科学知识的自我建构，并最终形成自己的知识体系。

这是计算思维提升最关键的一个阶段，这个过程提升学生沟通能力、抽象、概括、总结能力，分析问题解决的最优办法，将该问题的解决过程整理记录，从而在未来研究中推广并迁移到更广泛的问题中。

三、在中学机器人科技活动中提升学生计算思维能力的策略

近年来学校通过人工智能、创客教育、STEM教育活动的开展，可以看到中学机器人教育活动中提升中学生计算思维能力的策略有：

（一）全方位出发，多种途径提升

虽然机器人项目开发一定需要计算机软硬件知识的支持，但绝不仅仅是计算机课程提升了学生计算思维，机器人项目研发中，学生需要机械、电子等工程设计思维，同时需要数学、物理等多学科知识知识。中小学技术教育最好能将信息技术、劳动技术、通用技术课课程统一部署，共同提升学生的计算思维。

（二）鼓励学生尝试，打破传统思维方式，提升计算思维

在活动开展中，我们发现机器人社团的老队员在考虑问题的解决方案时，更多的是从算法、从编程角度去思考，可行性强。而新队员会提出许多新颖想法，利用程序或者结构很难实现，这就是计算思维雏形没有形成，这种思维习惯形成需要多次失败和在不断尝试的基础上养成的。活动中要避免老师一直讲，或者立刻否定学生想法，多给学生机会尝试。机器人学科中涉及数学、物理、工程等多种学科，提升学生计算思维能力，需要教师引导学生运用多门专业的学科知识来研究和去解决实际问题，提升创造性思维。

（三）注重研究过程文档化，提炼计算思维

科学的研究记录既是将研究对象所蕴含的大量信息转化为学习者自身知识的有效载体，又是学生实现知识的自我建构，学习科学概念的重要途径。

对探究过程的记录是一个学生从实践到理论的过程，是一个学生提炼自己计算思维的过程，是课题、项目持续跟进直至成功的可靠保障。无论老师和学生都应该对探究过程记录高度重视，积极养成研究记录的规范化、标准化的习惯。

（四）提升知识迁移能力和创造力

中学生在问题解决的过程中，要注重提升解决复杂问题的应变能力，由于机器人传感器和硬件结构的不稳定性，队员在复杂环境下从容应对变化的能力就显得尤为重要。机器人研发中，要善于突破思维定式，要用发散性思维总结、反思、修改现有的知识体系，形成新的知识体系，例如机器人在抓取的时候为了稳定，我们用了循环结构分了10次100毫秒的时间抓取的物品，在针对伺服电机走路的机器人，在抬腿和抬臂时为了稳定就可以用相同的思想和方法解决。从而灵活运用新知识，提高创造性思维水平。

在上述案例中，中学生将现实的任务问题抽象为算法，提取关键点，最终经历测试，优化解决方案，最终完成整个机器人研发，亲历一个项目从开始到结束的完整过程，中学生在用机器人编程解决问题过程中，他们具有的批判性思维能力、自主学习能力、合作学习能力、总结反思能力等计算思维能力均得到了提升。

机器人活动中，我们应该引导中学生用计算机科学的多种方法去处理问题，解决问题，把计算思维提升成每位中学生的基本技能，不可能一蹴而就，而应当贯穿于整个活动中。

参考文献：

[1]王荣良.计算思维的方法观[J].中国信息技术教育，2016（6）：22-26.

[2]郭守超，周睿，邓常梅，等.基于AppInventor和计算思维的信息技术课堂教学研究[J].中国电化教育，2014（3）：91-96.

[3]任友群，隋丰蔚，李锋.数字土著何以可能——也谈计算思维进入中小学信息技术教育的必要性和可能性[J].中国电化教育，2016（1）：2-8.

[4]曹金华.基于高中信息技术核心素养下的计算思维能力的培养策略[J].电脑与信息技术，2018，10（10）：76-78.

作者简介：杨静（1973— ），女，汉族，甘肃靖远县人，硕士，北京市昌平区第二中学，中学高级教师，研究方向：机器人科技教育。