面向计算思维培养的小学机器人教学研究

田辉 朱春莺

【摘 要】本文聚焦小学机器人课堂，重点关注如何在课堂上渗透计算思维。本文采用文献分析法提出适用于小学阶段培养的计算思维概念及要素界定;运用扎根理论的方法分析小学机器人课堂教学案例，得出培養学生计算思维的教学策略。在此基础上，对在小学机器人课堂上培养学生计算思维，提出了“提问引导”“换位思考”等具体教学方法的建议。

【关键词】计算思维;机器人教学;教学策略

【中图分类号】G434  【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2021）011-059-05

计算思维的概念与维度

周以真教授提出：计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动[1]。李国杰院士指出：计算思维是运用计算机科学的概念原理的问题求解过程，它选择适合的方式陈述问题，对问题的相关方面建模，并采用最有效的方法求解问题[2]。李廉提出，计算思维是人类科学思维中，以抽象化和自动化，或者说以形式化、程序化和机械化为特征的思维形式[3]。Google在《面向教育者的计算思维课程》（Computational Thinking for Educators）中提出：计算思维是一个有着诸多特点和要求的问题解决过程，它的基本要素包括分解、模式识别、抽象、算法开发。2017年12月，教育部印发的《普通高中信息技术课程标准》将计算思维概念界定为：计算思维是指个体运用计算机科学领域的思想方法，在形成问题解决方案的过程中产生的一系列思维活动[4]。

国内外学界对计算思维概念的界定虽然视角不同，但大多认同计算思维是用计算机科学的方法进行问题解决过程中产生的思维活动。除了“问题解决”以外，其他出现的词句按频率高低依次为抽象、算法、建模、问题界定、分解、解题方案、迁移等。

参考学术界对计算思维概念的界定，结合小学生认知发展规律，本研究认为适用于小学阶段培养的计算思维是指个体界定问题，形成问题解决方案，并以自动求解为目的而借助主要包括计算机在内的工具实施方案，在解决问题的过程中产生的一系列思维活动。它的基本要素包括以下方面。

问题界定：将解决的问题清晰地描述出来。

问题分解：把问题分解成若干更小、更易于理解或解决的部分。

提出方案：提出解决问题的思路、办法。

抽象：抽取、概括出具体事物的共同属性、关系等，舍弃个别的、非本质的部分。

建模：书面描述可以被计算工具执行的问题解决方案，构建解题模型。

算法开发：为解决问题而撰写一系列详细的指令。

测试：在虚拟或真实环境中执行算法，通过实验来研究解题模型。

纠错：修正解题模型、软硬件设置等方面出现的错误，以达到目标结果。

迁移：将学到的内容运用到与之相关的其他问题解决中。

研究方法与过程

本研究运用扎根理论的方法分析案例。扎根理论是源于质性资料分析的理论建构，是一种研究路径，是一个针对现象系统地收集和分析资料，从资料中发现、发展和检验理论的过程。通过将事件与事件、事件与概念、概念与概念之间进行连续比较，对资料进行概念化，以形成类属及其属性。用到的三级编码方法分别是开放编码、轴心编码和选择编码。开放编码，是悬置前设，凭着理论敏感性开放地挑选资料，将资料掰开、检视、比较、概念化、类属化。轴心编码是在开放编码的基础上，形成类属、属性和维度，发展并检验各类属之间的关系。选择编码即在所有类属中选择一个核心类属，其他类属则成为支援类属，然后通过一个整合图式或故事线，将各种理论要素整合起来。

根据计算思维的9个基本要素设置9个分析类目。本研究选择在全国中小学机器人教学展评等活动中获得最高奖项的三个课例作为研究案例。从案例的教学设计和教学视频出发，先把教学视频逐字转化为师生对话、动作描述、场景描述的文字素材。再参照教学设计、专家点评等资料理解这些素材体现的教学活动意图，依计算思维的9个要素把这些素材切片，分到各自对应的类目中做进一步分析。对每个分析类目中的教学片断，用扎根理论的方法进行教学策略提取，提炼出适用于培养计算思维各要素的教学策略。

运用扎根理论对每个类目教学片断集的分析过程中，先逐句分析师生对话、动作描述、场景描述中体现的内容，提炼生成概念，完成开放编码。再对这些概念进行汇总、分类，形成类属。通过分析概念之间的关系，抽象出各类属之间的关系，并用思维导图表征这种关系，形成类属、概念关系图表，完成轴心编码。最后结合对教学实施过程的理解，归纳出一条整合各类属的故事线（即教学策略），完成选择编码。

类目分析实例

下面以“提出解题方案”类目为例，阐述对类目内教学片断集的研究过程。

1.教学片断分析

“提出解题方案”类目下共有7个教学片段，下面以其一为例阐述对教学片断的分析过程。

（1）开放编码（受篇幅所限，仅展示部分）

（教学实录）师：下面布置小组讨论题。如果请你们组来设计一个机器人，让它能够识别从左向右挥手的动作。那么，你们会选用哪种传感器？需要几个？为什么？两分钟讨论时间，现在开始。

（开放编码）布置内含部分问题的小组讨论题，提出指向部分问题的、层层递进的问题。

（教学实录）学生小组讨论。

（开放编码）学生进行组内讨论，并梳理解题思路。

（教学实录）师：有结果了吗？哪个组想先来分享一下？

（开放编码）组织组间交流讨论。

……

该教学片断在开放编码过程中出现了“组织组间交流讨论”“提出层层递进的问题”等11个概念。

（2）备忘录

教师先将体感灯功能中的一部分作为小组讨论题，分成三个层层递进的小问题布置给学生，用问题引导学生展开讨论。然后组织多个小组分享讨论结果，并通过提问引导学生逐步完善解题思路。

（3）轴心编码（初步）

结合备忘录中对该片段教学过程的理解，初步考虑将开放编码中出现的概念纳入3个类属，具体如下（受篇幅所限，仅展示部分）。

（类属）小组交流讨论。

（概念）布置内含部分问题的小组讨论题、组织组间交流讨论……

（类属）课堂提问。

（概念）提出指向部分问题的问题、提出层层递进的问题……

（类属）梳理思路。

（概念）学生表述解题思路、评价学生解题思路……

（4）教学片段类属关系图表

结合备忘录中对该片段教学过程的理解，梳理各类属之间的关系如图1所示。

2.类目分析

（1）轴心编码

用上述方法对该类目下7个教学片段进行开放编码，提炼出的概念都可以纳入并逐渐丰富这4个类属：课堂提问、梳理思路、小组交流讨论、算法流程图（“算法流程图”类属由该类目其它教学片段中提取）。通过对这些概念汇总、分类归纳，得出它们的上位概念和对应类属（如表1所示，受篇幅所限，仅展示部分），完成类目分析轴心编码。

（2）类目类属关系图表

将归纳出的概念结合该类目下7个教学片段，得出该类目的概念类属关系如图2所示。

（3）選择编码

在这张图表的基础上，结合该类目下7个教学片段备忘录中的描述，归纳出教学案例里培养学生计算思维中“提出解题方案”要素时采用“提问引导、交流讨论、流程图工具辅助”的教学策略，具体如下：提出环环相扣的、指向解题要点的问题;组织小组内和组间交流讨论，提出、梳理、完善解题思路;借助流程图工具梳理、表述解题思路。

将上述对“提出解题方案”类目的分析方法应用于其他8个类目的分析过程，归纳出教学案例里培养学生“问题界定”“分解”等另外8个计算思维要素的教学策略。

基于扎根理论的小学计算思维教学策略

通过对以上三个优秀案例进行分析，本研究提出适用于培养小学生计算思维各要素的如下教学策略。

1.问题界定

采用创设情境、提问引导、交流讨论、实验测试等教学方式。创设问题情境，展示内含问题的素材，让学生在接触素材的过程中感知问题。通过提问、组织交流讨论、实验测试等方式，引导学生明确并表述问题。

2.问题分解

采用提问引导、交流讨论等教学策略。先通过提问、组织交流讨论等方式引导学生发现、描述部分问题，再引导学生用结构化的语言描述整体问题，梳理解题思路。先解决问题中困难的、涉及新内容的部分，再解决整体问题。

3.提出解题思路

采用提问引导、交流讨论、流程图工具辅助等教学策略。首先提出环环相扣的、指向解题要点的问题;然后组织小组内和组间交流讨论，提出、梳理、完善解题思路;最后借助流程图工具梳理、表征解题思路。

4.抽象

采用提问引导、交流讨论、实验测试等教学策略。让学生采集素材并基于素材对问题的本质做出猜想。通过做实验验证猜想、提问、交流讨论等方式，引导学生逐渐发现问题的本质、关系等。

5.建模

采用提问引导、流程图工具辅助等教学策略。用流程图工具表征解题思路，形成算法流程图雏形。通过提问引导等方式梳理关键步骤，完善算法流程图。

6.算法开发

采用自主学习、个别辅导、流程图工具辅助等教学策略。通过演示讲解、提供自学材料、个别辅导等方式教授新知识。呈现算法流程图，让学生参照算法流程图编写程序。

7.测试

采用实验测试、个别辅导等教学策略。让学生先在虚拟环境中完成仿真测试，再做实物测试，并在此过程中进行个别辅导。

8.纠错

采用交流讨论、提问引导、换位思考、个别辅导等教学策略。组织交流讨论，通过提问引导、对比分析成功案例与失败案例、让学生与机器人换位思考等方式，引导学生找到故障原因，提出修改方案。组织学生组内互助修改程序，教师个别辅导。

9.迁移

采用先行组织者、交流讨论等教学策略。带学生复习已知内容、预习新内容。组织组内、组间交流，讨论所学内容在现实生活中的应用和对未来应用的设想。迁移包括课前和课后，既把之前学习的内容迁移到本课学习中，也把本课学习的内容进行迁移扩展。

对机器人课堂教学的建议

通过对三个教学案例的分析研究，结合具体教学实践，本研究对小学智能机器人课的教学工作有如下反思。

1.通过提问、讨论充分调动思维活动

在教学设计中融入多种计算思维要素。在教学过程中，多采用“通过提问引导学生思考”“组织组内、组间交流讨论”等教学策略，充分调动学生的思维活动。

2.引导学生与机器人换位思考

在遇到难解的问题时，可采用“换位思考”的教学策略，引导学生站在机器人的角度，思考自己若遇到同样的问题会怎样解决。让学生自省在问题解决过程中自身智能活动的流程，分析自己感知到了什么（输入）、做决策的内在信息加工过程是怎样的（信息加工）、做出了什么行动（输出）。再把这一过程按机器人的运行规则转化成一系列对应操作，让机器人模拟执行人类的解题方案解决问题。

3.形象化展示抽象内容

在梳理解题思路、表征算法等较为抽象的教学环节，多使用流程图工具做形象化展示。在问题界定、抽象、测试机器人等与问题关键属性、状态相关的教学环节，通过做实验生成形象的结果，让学生通过实验结果发现、分析、解释问题。

参考文献

Wing J M. Computational thinking[J]. Communications fo the ACM， 2006， （3）：33-35.

人民网. 李国杰：计算思维不仅仅属于计算机科学家[EB/OL]. http：//scitech.people.com.cn/GB/9745727. html，2016-6-16.

李廉. 计算思维——概念与挑战[J]. 中国大学教学，2012（1）： 7-12.

中华人民共和国教育部.普通高中信息技术课程标准[EB/OL]. http：//www.moe.edu.cn/srcsite/A26/s8001/201801/t20180115_324647. html，2018-1.