学生计算思维能力的培养实践

计算思维作为信息科技课要培养的核心素养之一，是用科学的基本理念对问题进行求解，系统设计以及理解人类行为，是一种解决问题的思考方式，强调通过逻辑推理、分析和抽象思维来处理复杂的情况和数据。计算思维将大的问题分解为更小的部分，设计算法和模型来解决问题。这种以计算机科学为基础的设计方法强调对问题的系统性和结构性思考，能够帮助人们更有效地解决各种问题。

本文以“虚拟机器人”教学为例，深入分析信息科技课程在培养学生逻辑思维、问题解决能力等方面的独特优势，并展示如何通过高效、有价值的教学活动达成教学目标。同时反思信息科技课程实施过程中的问题与挑战，并提出相应的解决策略。

一、虚拟机器人平台和计算思维

虚拟机器人平台提供了一个仿真的环境，让学生在没有实体机器人的情况下进行机器人搭建、编程和测试。通过平台，学生可以学习机器人的基本原理，掌握机器人的控制方法，并在虚拟环境中进行各种实验和探索；通过拖拽3D零件的方式，搭建出各种各样的机器人模型。平台通过组合图形化的程序积木块，降低程序编写难度，让学生掌握基本编程原理后，可以轻松控制机器人在虚拟环境中做出各种动作和完成各项任务。教师在课程的实施过程中，用项目式教学、探究式学习、合作学习等多种教学方法，培养学生的计算思维，具体体现在以下几个方面。

抽象与建模。学生使用平台搭建机器人和编程的过程，需要将现实生活中的问题抽象为计算机可理解的模型。这种抽象和建模的过程，是计算思维的核心之一。

算法设计。程序控制机器人完成任务，学生需要设计合适的算法。算法设计的过程需要学生运用逻辑思维和数学方法，这也是计算思维的重要组成部分。

问题分解。复杂的机器人任务需要被分解为多个子任务。教师以问题解决为导向，引导学生将问题分解为更小的部分，然后逐个解决，让学生可以更好地理解和解决问题。这种“分而治之”的策略是计算思维中常用的方法。

迭代与优化。在机器人编程和调试过程中，学生需要多次修改方可达到最佳的效果。通过反思和优化过程，学生逐渐培养了解决问题的能力，提高了问题解决的效率和准确性。优化思想是计算思维最重要的一环。

综上所述，虚拟机器人平台为培养学生的计算思维提供了有力支持。通过实际操作和体验，学生能够更深刻地认识到计算思维在解决实际问题中的重要性和实用性，进而更好地掌握问题处理和解决的基本方法。

二、课程实施与教学策略

例如，教师以《智能物流》视频为切入点，让学生了解各类智能小车的应用。随后将视频中的机器人巡线技术迁移至虚拟机器人平台中，学生的任务是搭建机器人并编写程序，使机器人能够成功走出迷宫。综合运用课堂讲解、提问、实践操作、小组讨论等多种教学策略提高学生的学习热情，培养学生的计算思维能力。此外，教师可以通过课堂实践的反馈改进教学环节，促进学生高效参与教学活动，达成教学目标。

1.观察与引领，归纳与总结

在教师的引导下，学生明确学习目标，观看视频《智能机器人走迷宫》，围绕该场景建构解决问题的方法：①安装声波传感器，让机器人感知距离；②设计算法；③编写程序，控制机器人根据传感信号调整行进动作。

教师使用教具和板书，再次演示机器人在迷宫中行走的过程。小组讨论后，学生归纳出机器人动作可分解为“前进”“左转90°”“右转90°”三种。接下来，教师要求学生在任务单上绘制算法流程图，设计算法，通过生动的演示过程，引导学生逐步从抽象到具体地认识问题，将现实问题抽象出模型，轻松设计算法。在设计环节中，学生将通过观察机器人的活动过程，分析机器人的动作规律，并以目标为导向的思考方式来解决问题。

2.提问与讨论，交流与思考

高质量的提问既能帮助学生建构知识体系，又能启发学生深度思考，拓展学习的深度和广度。在演示机器人运动过程中，教师可以向学生提问：“机器人为什么知道到了拐弯的时刻呢？机器人怎么找到自己的目的地？小组之间讨论。”针对学生的回答，不论对错，教师都应给予肯定，同时，积极鼓励其他学生补充回答。最后，教师梳理相关知识点，以此结束该环节。

灵活运用各种类型的问题，引导学生主动思考和学习，不仅是有效检测学生学习效果的手段，也是促进学生之间交流的重要途径，是提高教学质量的关键环节。提问可以包括开放性问题和封闭性问题，通过不同的提问技巧，如追问、比较、归纳、引导等，来促进学生思考。在问题回答过程中，教师可以组织学生分组讨论，促进他们拓展思维和交流。对学生的回答进行正向反馈和引导，有助于帮助他们梳理知识，提高思维能力。

3.活动与汇报，反思与优化

在活动中，学生被要求在规定时间内搭建和测试自己的机器人。教师鼓励学生以小组的形式进行讨论和交流，以提高任务完成效率。例如，一些小组发现部分程序代码被重复使用，从而会通过复制粘贴来加快编码速度。因此，教师在表扬学生的同时，还可以向他们介绍新概念“自定义函数”，进一步优化他们的代码。

再如，空调遥控器上有“制冷”和“取暖”两个按钮，当需要调节温度时，只需按下相应按钮，而无需关注空调内部的运作原理。类似地，机器人在走出迷宫的过程中只需要使用“前进”“左转90°”“右转90°”和“感知离墙太近”这四个模块，将它们想象成空调按钮，需要时按下即可。教师接着演示如何以类似“自定义函数”的方式定义和调用这四个模块。学生通过体验自定义函数在程序编写中的优势，激发了求知欲和创作意愿，通过知识迁移，改进程序，以控制机器人在迷宫中“吃星星”。在优化过程中，学生需要进行逻辑推理和思考，找出最优解决方案；需要深入理解算法和数据结构，找出效率更高的实现方式；需要关注代码的细节和执行效率，提高编程质量；需要寻找更好的解决方案，激发创造力和创新意识；需要综合考虑代码性能、可读性、可维护性等方面。这一环节通过设置任务的形式促使学生反思，培养学生的优化意识，激发其学习热情。

三、教学反思

该课程在提升学生信息技术学科核心素养方面表现出显著的成效。该课程摒弃了复杂的语法和昂贵的机器人设备，让学生在3D环境中搭建虚拟机器人，通过编程实现机器人的动作控制，同时利用图形化操作界面进行交互式学习。这种实践性教学模式有助于学生理解抽象概念，培养逻辑思维和创造力，提升计算思维水平。虚拟机器人是使用鼠标拖拽的方式搭建的，虽然解决了人工智能活动课的资金问题，但是非常耗时。未来的课程优化方向包括提高课堂效率、解决课程局限性。在开发新课例时，教师应紧密贴合初中生的信息水平，同时关注新技术和理论的融合，这也是未来需要深入探讨的问题。

（作者单位：江苏省南京市第二十七初级中学）