基于機器人編程教學的小學生計算思維培養(yǎng)策略研究

【摘要】依托機器人編程教學引領(lǐng)，細化小學生計算思維的培養(yǎng)，是促進學生信息技術(shù)學科核心素養(yǎng)發(fā)展的基本著力點。計算思維是智能時代下創(chuàng)新人才必備的基本素養(yǎng)。在小學信息科技課程教學中，教師一方面應深度研讀新課標，掌握信息化素養(yǎng)的內(nèi)涵，并結(jié)合機器人編程課程教學實踐，助力學生計算思維的有序發(fā)展；另一方面還需抓實小學生計算思維的概念界定，分析其在學生全面發(fā)展中的積極意義，探索其實施的基本策略，促進小學生信息化素養(yǎng)發(fā)展，為其終身學習奠定良好基礎(chǔ)?！娟P(guān)鍵詞】機器人編程教學；小學生；信息科技課程；計算思維；培養(yǎng)策略在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，計算思維已是一項不可或缺的能力。在小學生的認知發(fā)育過程中，編程教學可以通過可視化的操作與交互的形式，有效地調(diào)動他們的學習積極性和創(chuàng)造性。機器人編程是一種將計算機軟硬件結(jié)合起來的教育方式，它既可以提高學生的邏輯推理、問題解決能力，又可以培養(yǎng)他們的團隊精神、項目管理能力等。在我國，關(guān)于培養(yǎng)小學生計算思維能力的研究與實踐較少，怎樣才能更好地指導學生進行編程仍然是個難題。在這一背景下，教師需要深入探索基于機器人編程的計算思維培養(yǎng)策略，以促進學生的全面發(fā)展。一、概念界定（一）計算思維計算思維就是利用計算機科學中的一些基礎(chǔ)概念去解決問題、設(shè)計系統(tǒng)、理解行為。這樣的思維模式并不局限于編程與計算機科學，它也被運用到各個學科與日常生活中。在小學信息科技課程教學中，如何培養(yǎng)學生的計算思維，成為當前教育改革的一個重要課題。計算思維由分解問題、模式識別、抽象、算法設(shè)計等構(gòu)成。所謂的“分解問題”，就是把一個比較大的、難以解決的問題分成幾個小的、更容易解決的問題；“模式識別”是指通過對問題之間的相似性進行辨識，從而使求解過程簡單化；“抽象”是把無關(guān)的具體內(nèi)容忽略，將注意力放在問題的核心；而“算法設(shè)計”就是要為求解問題設(shè)定清晰的過程與規(guī)律。在小學信息科技教學中，通過編寫簡單的程序與求解實際問題，學生能夠逐漸獲得基本的計算思維能力。計算思維既可以提高學生的邏輯思維和解題的能力，又可以讓他們在遇到一些比較復雜的問題時，用有條理的方式去進行思考［1］。這樣的思維對于學生將來的發(fā)展是非常重要的。（二）機器人編程教學在小學信息科技課程中，機器人編程是一個非常關(guān)鍵的教學內(nèi)容。在小學階段，通過學習機器人編程課程，學生既能了解最新科技DxG/fmtGkuDU/UINUjDT/Q==的發(fā)展方向，又能得到實際操作與探究的機會。在機器人編程課程中，教師要求學生使用Scratch、Blockly等編程程序，并對其進行操作。比如，學生可以編程，讓機器人沿著預先設(shè)定的路徑前進，躲避障礙，或完成某些運動。通過實際操作，學生對編程中的序列執(zhí)行、條件判斷、循環(huán)及變數(shù)等基本觀念有了更深層次的了解。此外，該課程注重小組協(xié)作與項目管理。學生通常需要組成一個團隊，一起設(shè)計、編寫、調(diào)試程序，這樣既可以鍛煉學生的協(xié)作意識，又可以提高他們交流與表達的能力。教師通過將抽象的編程概念與實際的操作有機地融合在一起，讓學生體會到編程的快樂與成功，進而培養(yǎng)其對信息科技的濃厚興趣。這樣既提高了學生的編程技能水平，又培養(yǎng)了他們的計算思維，促進整體素質(zhì)的發(fā)展。二、機器人編程教學對培養(yǎng)小學生計算思維的意義（一）提升邏輯思維和問題解決能力在小學階段的信息科技課程中，機器人編程教學的重要性是顯而易見的。機器人編程教學要求學生掌握并運用一些基礎(chǔ)的編程概念，如變量、循環(huán)、條件語句等。這些概念不僅對編程有重要意義，而且有助于培養(yǎng)學生嚴密的邏輯推理能力。編程的實質(zhì)就是不斷地發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題。在編程過程中，學生將面臨各種困難，他們需要運用邏輯分析、試驗論證等方法尋找問題的答案。比如，在機器人不能沿著預定路線行進的情況下，學生要對其進行邏輯上的修正，并進行相應的調(diào)整與完善。這個過程既可以訓練學生的邏輯推理能力，又可以培養(yǎng)學生處理復雜問題的耐心與毅力。（二）激發(fā)創(chuàng)造力和創(chuàng)新能力機器人編程教學可以提高學生的創(chuàng)造力與創(chuàng)新能力。在信息科技課程教學中，教師往往采用項目教學法，讓學生依據(jù)個人喜好及想象力，自行完成不同用途的機器人編程。例如，學生可以設(shè)計一種可以自主躲避障礙物的機器人，也可以設(shè)計一種可以與人交互的智能機器人。在機器人編程課程中，學生可以盡情地發(fā)揮自己的創(chuàng)意，把自己的想法變成實在的編程程序。同時，通過小組活動，學生也可以學會在集體活動中發(fā)揮自己的創(chuàng)造力。以創(chuàng)意為導向的教學模式，不僅讓編程教學充滿趣味與挑戰(zhàn)性，還能為學生日后的發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。（三）培養(yǎng)團隊合作和溝通能力機器人編程教學對提高小學生的團隊精神與交流能力也起到積極的作用。機器人編程項目往往要求學生以小組為單位，分工進行合作。在這個學習過程中，學生除了要合作完成任務，還要與他人進行良好的交流。比如，當面對一個比較復雜的機器人項目時，編程師要跟設(shè)計者探討軟件與程序的整合，而測試者則要將程序執(zhí)行過程中出現(xiàn)的問題記錄下來，并提出修正意見。通過這樣的小組活動，學生可以更好地發(fā)揮自己的優(yōu)勢，在交流與探討中提升自己的語言表達與交流能力。教師讓學生親歷機器人編程項目的全過程，可以培養(yǎng)學生的集體觀念及協(xié)作能力，并為其日后融入社會奠定良好的基礎(chǔ)。三、基于機器人編程教學的小學生計算思維培養(yǎng)策略（一）設(shè)計項目，解決問題在現(xiàn)代科學技術(shù)飛速發(fā)展的今天，提高學生的問題解決能力顯得尤其重要。計算思維就是把一個復雜的問題分成更小、更容易處理的模塊，然后用一種合理的、系統(tǒng)的思路去解決。在機器人編程教學中培養(yǎng)學生的計算思維，不僅對學生的學習有很大的幫助，而且對于學生解決現(xiàn)實中的種種困難也是非常有益的［2］。比如，在“即時的交流與分享”這節(jié)課的教學中，教師以“即時通信”為項目課題，引導學生通過編程，讓機器人具備即時通信功能，能夠自動回復信息。首先，教師帶領(lǐng)學生了解即時通信機器人的基本原理與功能，并通過一系列循序漸進的小任務模塊，讓學生逐步地解決原本比較困難的編程問題。例如，學生要想辦法先讓機器人識別出一些關(guān)鍵字詞，然后做出適當?shù)幕卮穑@就包括了模式識別與抽象思維的運用。在此期間，學生必須持續(xù)地進行邏輯推理與檢驗，以求出最佳方案。學生也許會在一些案例中發(fā)現(xiàn)，機器人不能正確地辨認關(guān)鍵字，從而做出錯誤的回答。此時，教師要讓學生自己去剖析根本原因，然后用各種方式來進行修正。課程結(jié)束時，學生展示自己設(shè)計的機器人程序，并與同學交流在編程過程中遇到的問題與解決辦法。教師利用機器人編程項目，讓學生學習編程，培養(yǎng)學生分析與處理問題的能力，對學生今后的學業(yè)、人生發(fā)展起到重要作用。（二）創(chuàng)意實驗，激發(fā)想象機器人編程可以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，在此過程中，學生可以把自己的想法轉(zhuǎn)換成真實的程序和作品，這既可以提升他們的計算思維能力，又可以發(fā)展他們的創(chuàng)新與實踐技能。編程的整個過程就是一個不斷地求解和獲得最優(yōu)解的過程，這就需要學生不斷地嘗試，不斷地調(diào)整，進而完善自己的程序，提高創(chuàng)新思考能力［3］。比如，在“創(chuàng)作數(shù)字作品”這一課中，教師可以指導學生進行一個簡易的機器人動畫程序的設(shè)計與編寫。首先，教師講解數(shù)字作品制作的基礎(chǔ)知識與程序，讓學生理解數(shù)字作品的制作方法。其次，教師結(jié)合實例，說明怎樣利用計算機程序來完成一個機器人動畫的基本動作，比如走路、揮手、跳躍等。再次，教師鼓勵學生大膽實驗，充分利用自己的想象和創(chuàng)意，進行一些獨特的設(shè)計。比如，學生可以設(shè)計能夠變化形狀的機器人，或是能唱又能跳的機器人。最后，教師讓學生演示自己制作的機器人動畫程序，彼此交流設(shè)計心得。這個活動不僅給予了學生展現(xiàn)自己成果的機會，同時也為學生相互交流提供了平臺。在此過程中，學生既能掌握編程相關(guān)的理論知識，又能鍛煉自身的創(chuàng)新能力。（三）分配任務，團隊協(xié)作在小學信息科技課程中，機器人編程能夠培養(yǎng)小學生的團隊合作精神。在編程項目中，學生需要分配任務，展開協(xié)作。這樣既可以鍛煉學生的合作能力，又可以增強學生的集體觀念，培養(yǎng)學生的責任心和領(lǐng)導才能，對于學生今后的發(fā)展十分重要。通過團隊合作，學生能夠認識到自己的優(yōu)點與缺點，在團體中充分地利用自己的長處，并從中吸取經(jīng)驗，使整個隊伍的工作效率與質(zhì)量得到提高［4］。此外，在小組合作中，學生也能加強彼此間的信任，這對他們以后參加學校活動、工作以及社會上的各類團體活動都是很有幫助的。比如，在“在線協(xié)作學習”這一課的教學中，教師可以為學生布置一次小組合作式的機器人編程任務。在課程之初，教師將3～4個學生分為一組，以保證小組成員各有專長，能夠取長補短。接著，教師介紹在線協(xié)作學習工具的用法，例如分享文件、即時消息及項目管理等，并演示利用此工具執(zhí)行作業(yè)及追蹤作業(yè)進度的方式。學生小組對編程、設(shè)計、測試、文檔編寫等方面進行具體的工作安排。課程期間，教師安排在線會議，協(xié)助學生解決遇到的難題，并與學生交流學習進度及體會。這樣，學生不僅可以學到在線協(xié)作學習的相關(guān)知識，還可以體會到真正的團體合作。在項目研究的后期，各小組要匯報自己的研究成果，并交流各自的合作經(jīng)驗。通過交流與合作，學生可以學到各種處理問題的方式與技能，進而培養(yǎng)合作精神。這一活動既能讓學生在實際操作中掌握編程方面的理論，又能增強他們的集體觀念與責任心，為學生今后的學業(yè)與工作奠定良好的基礎(chǔ)。（四）自主學習，增強信心機器人編程可以提高學生的自主學習能力，通過編寫程序，學生能夠獨立地探究、學習，并獲得新的知識與技能。這樣的教學方法可以提高學生的自我約束力，增強學生的自主意識，提高學生的學習信心與自立能力［5］。以“自主可控技術(shù)”這節(jié)課的教學為例。首先，教師講解有關(guān)“自主可控技術(shù)”的理論與運用，使學生能夠?qū)Υ擞幸粋€大致的認識。接著，教師給學生安排一個開放式的編程任務，比如，通過程序編寫讓機器人做一項特殊的工作。該任務要求學生自行查閱有關(guān)文獻，掌握必要的專業(yè)知識，并自行設(shè)計有關(guān)程序。在此期間，學生要自行設(shè)計自己的學習路線，并逐漸地獲得所需的技巧與知識，如編程技巧、邏輯思維、問題解決、工程管理等多種技能。在學生編程過程中，教師除了給予必要的引導與協(xié)助，還應注重培養(yǎng)學生獨立思考、發(fā)現(xiàn)問題的能力。這樣，學生既能體會到自主學習的成就感與快樂，又能在遇到不熟