浅谈如何在机器人教学中提高学生编程思维能力

王春胜

（大连经济技术开发区金源小学，辽宁 大连 116600）

当前，编程教学在小学信息技术教学中所占的分量已经越来越大了，在机器人教学、创客教学、人工智能教学这些信息技术教学活动中，都离不开编程技术的支持，编程技术能力的核心就是编程思维能力。学生的编程思维能力的高低是信息技术学科中对学生信息素养培养的一个重要指标。当前，由于教育机器人产业的兴起，在中小学信息技术学科中开展机器人教学已经是非常普遍了，机器人的学习需要运用多种学科的知识，综合运用，其中编程在机器人教学中是核心内容，本文探讨的就是在如何在机器人教学中提高学生的编程思维能力。

思维是人类探索与发现事物的内部本质联系和规律性，是认识过程的高级阶段。编程思维则是对思维过程进行条理性的梳理、概括和表达，让思维过程更加精准化、逻辑化、抽象化。

众所周知，小学生的形象思维能力是他们认识事物的主要思维方式，教师在机器人教学中必须依据儿童的思维特点，以形象思维的操作为基础，进行实验观察操作，逐渐向逻辑思维过渡，逐步提高学生编程思维能力。

一、充分利用图形化编程软件的特点，利用闯关游戏功能，激发学生编程的兴趣，让编程思维形象化

图形化编程软件，直观、形象、生动。容易被小学生接受，同时有些图形化编程软件还带有仿真功能，这就为编程教学增加了无穷的趣味性。以萝卜圈虚拟编程软件为例，先让学生在仿真虚拟环境中利用一辆形态各异的机器人小车，进行“大发现寻找消失的轮子”的闯关游戏，学生在游戏仿真过程之中会发现，因为机器人的轮子残缺不全，会导致机器人原地旋转或者摔得七零八落，就会先把机器人的轮子安装好，然后通过编程控制电机转速与方向，让机器人前进，虽然是简单的直行顺序程序，但是当机器人到达终点的时候，听到场地的欢呼声，学生获得了成功的喜悦，学生经过这样游戏编程的过程，编程思维通过程序表现出来，自然而然就喜欢上了编程学习，同时理解了机器人速度与方向的编程控制方法。利用软件中自带的闯关功能，让学生进行编程实践，在他们一次次完成任务的时候，增加他们编程的兴趣，培养了学生编程思维能力[1]。

二、实验探究控制器的工作方式和工作原理，逐步提高编程思维能力

机器人编程过程之中，经常会使用输入输出的命令，而输入输出，又分为数字输入输出和模拟输入输出，以ArduinoUNO控制板为例，为了理解14个数字口输入输出和六个模拟输出口的用途，教师指导学生利用实验的方法来学习和理解端口的用途。实际教学中，教师以编程控制一个LED发光小灯为最小系统，和学生一起探究控制板各个端口的用途，为思维能力打下基础。教师和学生先一起了解发光二极管的用途，通过把发光二极管的长脚和短脚分别插在控制板的5伏和GND的端口，此时小灯点亮，交换插针的位置，此时小灯不亮。通过实验了解到小灯长脚为正极，短脚为负极。接下来把小灯长脚插在13号端口，把短脚插在GND端口，通过编程利用输入输出命令控制13号端口的电平为高电平，使小灯点亮，13号端口为低电平时小灯熄灭。学生就很容易理解到控制板上14个数字端口的功能特点了，了解了基本原理之后，学生的编程就会有的放矢，思维能力就会提高。

三、实验探究传感器工作原理，丰富形象思维宽度，更进一步提高学生的编程思维能力

传感器一般可以分为数字传感器和模拟传感器，不理解传感器的工作原理就无法提高学生编程思维能力。数字传感器的工作状态基本上可以用1或0表示，例如探究触碰传感器的工作状态，把触碰传感器的数字号引脚插在控制板的7号数字端口上，再把传感器vcc和gnd分别插在控制板5V和gnd端口，完成电路搭建。此时通过编程，使用串口换行打印7号端口数据命令，完成程序编写。学生在串口监测中查看数据，按下和松开触碰按钮，可以直观地看到按下时数串口显示数字为1，松开时，串口显示数字为零。通过此种方法，学生通过动手实验，学生就掌握了人体红外感应传感器、倾角传感器、按键传感器等数字传感器的工作原理，在今后的编程中，能够自如地控制根据这些传感器的状态，对机器人执行相应的动作。学生在探究学习过程中不但锻炼了动手操作能力，同时学生思考学习能力和编程思维能力也得到了连续的训练。

模拟传感器的数值可以用0至1024表示。教师指导学生仍然用实验法进行测试和探究，以红外测距传感器为例，把数字端口插在A0口上，Vcc和gnd端口分别插在控制板的5V和gnd端口，这样完成电路搭建。此时通过编程使用串口换行打印模拟端口A0的数值，学生仍然可以在串口监视器之中，看到红外测距传感器，在距离障碍物比较近时显示的数值很大，离障碍物很远时，数字很小。红外测距传感器的数值变化范围在0到1024之间，通过此实验操作，学生模拟传感器的用法，学生的编程思维能力再次得到了提高训练。

综上，在机器人教学中，对机器人硬件的核心器材进行原理理解，丰富和积累学生的具象思维，让学生的思维在比较分类中、分析综合中，进行抽象和概括，编程思维得到了锻炼。实践证明，这样的学习方法对学生编程思维能力的训练有极大的作用。反之，学生编程思维能力的提高，离不开实践探索，随着实践探索的逐步深入，学生的编程思维能力也会随之提高，学生的解决问题与创新能力也会逐步提高，这对培养学生信息技术核心素养中的计算思维目标就水到渠成地实现了。