基于機(jī)器人教學(xué)的創(chuàng)新編程思維培養(yǎng)模式與實(shí)踐研究*

林達(dá)春

（廣東省佛山市順德區(qū)杏壇梁銶琚初級(jí)中學(xué)，廣東佛山 528325）

一、引言

在信息飛速傳播和發(fā)展的今天，“人工智能+”逐步取代“互聯(lián)網(wǎng)+”滲透到社會(huì)的各行各業(yè)，計(jì)算思維被視為21世紀(jì)兒童的一項(xiàng)關(guān)鍵技能。近年來(lái)，世界各國(guó)相繼將“計(jì)算思維”(Computational Thinking，簡(jiǎn)稱CT)培養(yǎng)納入到信息技術(shù)及其它課程教學(xué)框架[1]?！坝?jì)算思維”作為信息技術(shù)學(xué)科四大核心素養(yǎng)之一,教育工作者更加重視它所激發(fā)與促進(jìn)的創(chuàng)造力、合作精神與問(wèn)題解決能力。卡法爾等人（Kafai et al.，2014）呼吁教學(xué)重點(diǎn)轉(zhuǎn)向計(jì)算參與（Computational Participation），強(qiáng)調(diào)需要引導(dǎo)學(xué)生開發(fā)有用的應(yīng)用程序、構(gòu)建良好的社區(qū)，關(guān)注學(xué)生喜歡的重用（Remix）行為，以及各類實(shí)體化（Tangibles）的電子制品[2]。編程無(wú)疑是培養(yǎng)學(xué)生的問(wèn)題解決能力、發(fā)展思維能力有力的切入點(diǎn)。為此，本文探索了創(chuàng)新編程思維的培養(yǎng)模式和實(shí)踐，來(lái)提升學(xué)生的思維能力，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。

二、創(chuàng)新編程思維的培養(yǎng)模式

2019年3月，教育部新印發(fā)的《2019年教育信息化和網(wǎng)絡(luò)安全工作要點(diǎn)》中指出，計(jì)劃對(duì)2萬(wàn)名義務(wù)教育階段學(xué)生進(jìn)行信息素養(yǎng)評(píng)測(cè)，推動(dòng)在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能(AI)相關(guān)課程[3]，逐步推廣編程教育。這個(gè)工作要點(diǎn)把編程教育上升到國(guó)家政策層面，這也從側(cè)面反映出，編程教育將是未來(lái)教育的一個(gè)重要發(fā)展方向。

編程教育已在全球人才戰(zhàn)略上占領(lǐng)一席之地[4]，國(guó)家也如此重視編程教育，但仍然有很多家長(zhǎng)認(rèn)為編程就是坐在計(jì)算機(jī)前敲打代碼，孩子很有可能將來(lái)不是從事編程或者與編程相關(guān)的工作，學(xué)習(xí)編程的用處不大。這其實(shí)是對(duì)編程的誤解，編程教育核心不是傳授技能，而是培養(yǎng)思維方式[5]。編程并不僅僅教授孩子計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，而是通過(guò)賦予孩子在動(dòng)手設(shè)計(jì)代碼的過(guò)程中掌握數(shù)字時(shí)代里解決問(wèn)題和創(chuàng)新的能力[6]。如果把編程說(shuō)成是一種工具，那中小學(xué)編程就是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維的工具，因?yàn)榫幊痰膶W(xué)習(xí)內(nèi)容幾乎涵蓋所有的教育目標(biāo)，例如：邏輯思維能力、抽象思維能力、專注力、記憶力、問(wèn)題解決能力、創(chuàng)造力等。現(xiàn)在中小學(xué)編程的學(xué)習(xí)方式很多，都注重如何培養(yǎng)學(xué)生編程思維，并且隨著圖形化編程的引入，學(xué)生學(xué)習(xí)編程的成本大幅下降，編程學(xué)習(xí)也一改以往枯燥呆板的印象，學(xué)習(xí)方式趨于趣味化。

編程思維不僅僅包含解決問(wèn)題的技能，更包含了一種想象的方法，從具象到抽象。對(duì)于新接觸編程的孩子來(lái)說(shuō)，起初總要先經(jīng)歷一段從無(wú)到有的過(guò)程，而編程教育獨(dú)特性在于其如同動(dòng)手搭積木一般的創(chuàng)造性過(guò)程，需要對(duì)藍(lán)圖、流程的概念化理解，考驗(yàn)學(xué)生將大程序分解成中小模塊的能力，以此從小培養(yǎng)孩子的邏輯和設(shè)計(jì)思維[7]。開展編程教育，呈現(xiàn)編程學(xué)習(xí)方式的多樣性和趣味性，解決學(xué)習(xí)和生活遇到的問(wèn)題的實(shí)例，就是同時(shí)擁有幫助孩子深度學(xué)習(xí)其他學(xué)科和解決問(wèn)題的能力，用創(chuàng)造程序的邏輯方式解決實(shí)際問(wèn)題，持續(xù)學(xué)習(xí)新的技術(shù)、語(yǔ)言和其他科學(xué)學(xué)科[8]。由此，筆者采用科學(xué)研究的基本邏輯模式“分析問(wèn)題——提出問(wèn)題——解決問(wèn)題——持續(xù)改進(jìn)”，來(lái)培養(yǎng)孩子的創(chuàng)新編程思維能力（如下圖）。

創(chuàng)新編程思維培養(yǎng)模式

三、創(chuàng)新編程思維培養(yǎng)的實(shí)踐活動(dòng)

筆者以指導(dǎo)學(xué)生參加超級(jí)軌跡賽為例，闡明如何采用創(chuàng)新編程思維培養(yǎng)模式來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的編程思維。

在第二十屆全國(guó)中小學(xué)電腦制作活動(dòng)中，超級(jí)軌跡賽是集競(jìng)速和做任務(wù)于一體的機(jī)器人比賽項(xiàng)目，在隨機(jī)場(chǎng)地上擺放著若干任務(wù)，機(jī)器人必須按照?qǐng)龅氐木€路，順序完成在場(chǎng)地上的任務(wù)。機(jī)器人巡線過(guò)程和完成任務(wù)的過(guò)程都必須有選手根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況完成自主編程，并且要保證成功率，還要保證速度足夠快，所以比賽要求選手具備超強(qiáng)編程能力和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)變能力。超級(jí)軌跡賽正好契合了國(guó)家推廣編程教育的大方向。

（一）化整為零，再化零為整，培養(yǎng)問(wèn)題解決思維

在央館發(fā)布比賽規(guī)則后，筆者及時(shí)跟學(xué)生一起研究，把超級(jí)軌跡賽的規(guī)則劃分為若干個(gè)小任務(wù)，并歸類。依據(jù)2018年的比賽規(guī)則，任務(wù)根據(jù)難易程度來(lái)劃分，分為低難度、中難度和高難度。其中“國(guó)家交流”“海洋探測(cè)”和“驛站”，這類任務(wù)僅需要播放國(guó)家名字、在屏幕顯示相應(yīng)顏色和更換裝備即可，屬于難度較低的任務(wù)。對(duì)于“走出國(guó)門”“開辟道路”“修建鐵路”“互惠互利”，這些任務(wù)都需要機(jī)器人做一些較為精細(xì)的動(dòng)作，但不需要輔助結(jié)構(gòu)即可完成，可歸類為中難度任務(wù)。而“貨品交易”這類任務(wù)，則需要機(jī)器人攜帶貨品從起始位置出發(fā)，順利將貨品放到易貨區(qū)的天平上，并使天平往貨品一端傾斜（以秤托的高度判定向哪一方傾斜）。任務(wù)過(guò)程中道具被破壞或者被撞倒，任務(wù)將判定失敗。完成此任務(wù)的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)拼裝出一個(gè)輔助機(jī)械結(jié)構(gòu)，用于把“貨品”穩(wěn)妥的放進(jìn)天平托盤里，為高難度任務(wù)。這樣歸類后任務(wù)就明朗了：低難度任務(wù)直接用控制器完成任務(wù)，中難度任務(wù)在車頭安裝一條橫桿，增大推動(dòng)的接觸范圍，高難度任務(wù)需要搭建輔助結(jié)構(gòu)。在不考慮高難度任務(wù)的情況下，通過(guò)化整為零，分析各個(gè)任務(wù)，然后再通盤考慮，化零為整，設(shè)計(jì)出一個(gè)小車搭建的整體方案

（二）一題多解，尋求最優(yōu)方案，培養(yǎng)最優(yōu)化思維

超級(jí)軌跡競(jìng)賽規(guī)則發(fā)布后，通常廠家會(huì)接著發(fā)布參考方案，參考方案中完成高難度任務(wù)“貨品交易”是使用類似拋石機(jī)一樣的結(jié)構(gòu)，但筆者發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定，砝碼容易在拋過(guò)天平的時(shí)候掉下來(lái)，因而需要對(duì)參考方案進(jìn)行修改，甚至要重新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。在方案改善過(guò)程中，教師和學(xué)生一起研究，模擬手動(dòng)放砝碼進(jìn)天平，發(fā)現(xiàn)只有垂直放砝碼是最穩(wěn)定的。因此必須要設(shè)計(jì)能夠垂直放砝碼的機(jī)械結(jié)構(gòu)，但由于車身限定了出發(fā)時(shí)的寬度，出發(fā)后可以自由伸展。競(jìng)賽團(tuán)隊(duì)想到了設(shè)計(jì)一個(gè)能夠伸展的機(jī)械結(jié)構(gòu)，把砝碼穩(wěn)妥放到天平托盤上，從而擺脫被廠家“拋石機(jī)”思路牽絆的困境。這種方案在當(dāng)年是最先進(jìn)的方案之一。

通過(guò)一個(gè)任務(wù)，嘗試多種解決方法并不斷改善，最終獲得最優(yōu)的解決方法的過(guò)程非常難得。在日常編程中，這種最優(yōu)化的思維對(duì)于孩子用于機(jī)器人項(xiàng)目問(wèn)題解決上更加可貴。所以筆者時(shí)常鼓勵(lì)學(xué)生跳出局限，多渠道多角度去尋求問(wèn)題解決的方法，逐漸培養(yǎng)孩子的最優(yōu)化編程思維。

（三）探索容錯(cuò)機(jī)制，培養(yǎng)容錯(cuò)思維

按照預(yù)設(shè)的方案，學(xué)生是可以完成編程的，但學(xué)生未必能發(fā)揮如意；比賽中的失誤也可能導(dǎo)致任務(wù)失敗。那怎么才能避免意外情況發(fā)生呢？筆者認(rèn)為需要設(shè)計(jì)容錯(cuò)機(jī)制，因而平時(shí)學(xué)生在學(xué)習(xí)機(jī)器人的時(shí)候必須要有個(gè)容錯(cuò)的理念。例如在“海洋探測(cè)”任務(wù)中，檢測(cè)完海洋資源顏色后機(jī)器人需要重新回到線上，繼續(xù)后續(xù)任務(wù)。學(xué)生經(jīng)過(guò)多次訓(xùn)練，發(fā)現(xiàn)方案不穩(wěn)定，在機(jī)器人走過(guò)海洋后，有時(shí)在線的左側(cè)，有時(shí)在線的右側(cè)，有時(shí)僅僅偏離一點(diǎn)點(diǎn)，有時(shí)偏離得比較多，這種不確定性極大打擊了學(xué)生的自信。針對(duì)這種情況，容錯(cuò)機(jī)制可以依據(jù)如下的思路：不管機(jī)器人偏哪邊和偏多少，都在回線前先往左轉(zhuǎn)一定的角度，這個(gè)角度足以保證機(jī)器人每次都是在線左邊，這樣可以避免出現(xiàn)變量，然后再用轉(zhuǎn)彎，讓機(jī)器人返回到線上。這個(gè)思維就是容錯(cuò)思維，把機(jī)器人出現(xiàn)不確定的變量，變成一個(gè)確定的定量，只需要考慮這個(gè)定量如何處理即可。

（四）細(xì)心觀察，發(fā)現(xiàn)漏洞，提升思維的嚴(yán)謹(jǐn)度

沒有完美的程序，也沒有完美的方案，所以在訓(xùn)練中，必須教會(huì)學(xué)生要學(xué)會(huì)細(xì)心觀察，發(fā)現(xiàn)漏洞，及時(shí)補(bǔ)漏洞，這也是編程思維中的重要思維之一。

在設(shè)計(jì)巡線小車結(jié)構(gòu)時(shí)，考慮到小車前面的滾輪如果使用萬(wàn)向輪，轉(zhuǎn)彎很難控制，容易轉(zhuǎn)得太快，一下飛出線外，學(xué)生經(jīng)過(guò)對(duì)比后，覺得使用平面滾輪效果更佳。訓(xùn)練的前期，使用平面滾輪巡線沒發(fā)現(xiàn)有任何問(wèn)題，偶然一次訓(xùn)練，小車轉(zhuǎn)彎時(shí)被一個(gè)凸起的泥沙卡住，導(dǎo)致平面輪設(shè)計(jì)的小車無(wú)法轉(zhuǎn)過(guò)去。經(jīng)過(guò)分析，由于結(jié)構(gòu)的漏洞，使用平面輪當(dāng)萬(wàn)向輪確實(shí)有可能出現(xiàn)這種情況，雖然幾率很小，但不能忽視這個(gè)影響，那怎么辦？由于已經(jīng)接近區(qū)賽的情況下，并不合適大改外部結(jié)構(gòu)，同時(shí)把平面滾輪換成萬(wàn)向輪也難以克服轉(zhuǎn)彎脫線的困難。既然此時(shí)硬件不適宜大改，只能從程序入手。考慮到孩子已經(jīng)熟悉了原來(lái)的程序，程序也不能大改，經(jīng)過(guò)不斷嘗試，筆者最終找到一個(gè)較好的解決方法：在原來(lái)轉(zhuǎn)彎的程序加入一個(gè)變量，機(jī)器人轉(zhuǎn)彎的過(guò)程中，隨著時(shí)間的推移，變量會(huì)被累加到轉(zhuǎn)彎的速度里面。當(dāng)機(jī)器人轉(zhuǎn)彎被卡住的時(shí)候，機(jī)器人就會(huì)越轉(zhuǎn)越快，從而跨過(guò)卡住的地方，實(shí)現(xiàn)繼續(xù)轉(zhuǎn)彎的動(dòng)作。這就是學(xué)生非常難忘的經(jīng)歷，從一個(gè)幾率很小的事故中找出漏洞，分析原因，并解決問(wèn)題， 培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S。

四、實(shí)踐效果

近幾年，筆者在機(jī)器人編程教育中應(yīng)用創(chuàng)新編程思維培養(yǎng)模式，不斷優(yōu)化，培養(yǎng)人才方面獲得了一定的成績(jī)（如下表），可見遵循這種創(chuàng)新編程思維培養(yǎng)模式，巧妙結(jié)合個(gè)性化教與學(xué)方式，制定切實(shí)可行的教學(xué)方案，是有成效的。學(xué)生在這個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中逐漸形成了整體框架分析思維，提升了問(wèn)題解決能力，培養(yǎng)了整體規(guī)劃能力。

近幾年輔導(dǎo)學(xué)生機(jī)器人參賽成績(jī)

這種模式在大班編程普及教學(xué)實(shí)踐中同樣得到良好的效果。學(xué)生通過(guò)編程的學(xué)習(xí)，信息技術(shù)素養(yǎng)和能力得到提升，在分享他人創(chuàng)新思維過(guò)程中學(xué)會(huì)思辨，對(duì)比自己的思路和方法，獲得更多的啟示；在相互評(píng)價(jià)的過(guò)程中深度思考，提升了自己的溝通能力，獲得自信心。與以往傳統(tǒng)的方式對(duì)比，創(chuàng)新思維培養(yǎng)模式下更能激發(fā)學(xué)生的動(dòng)手操作欲望，期末考核也總體比傳統(tǒng)方式考核形式更加多樣化和個(gè)性化，學(xué)生的想法更多，驚喜更多。尤其是參與了機(jī)器人訓(xùn)練和比賽的孩子，在學(xué)習(xí)方法上趨向多樣化，思維更靈活，甚至在數(shù)理化學(xué)習(xí)上更是進(jìn)步明顯。

五、結(jié)語(yǔ)

基于機(jī)器人項(xiàng)目的問(wèn)題解決的計(jì)算思維培養(yǎng)模式，以問(wèn)題為導(dǎo)向，將計(jì)算思維的核心要素融入到解決問(wèn)題、構(gòu)建應(yīng)用的具體編程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)當(dāng)中。在創(chuàng)設(shè)應(yīng)用的過(guò)程中，學(xué)生之間相互協(xié)作、交流，改變了以往計(jì)算思維教育中片面地強(qiáng)調(diào)編程或算法學(xué)習(xí)的狀況。

所以編程并不是讓學(xué)生成為程序員，而是讓學(xué)生學(xué)會(huì)編程思維，來(lái)面對(duì)復(fù)雜的問(wèn)題，能夠分解成一個(gè)個(gè)小問(wèn)題，再找到問(wèn)題的關(guān)鍵和問(wèn)題之間存在的關(guān)聯(lián)，從而想辦法將問(wèn)題逐一解決，這就是編程教給學(xué)生最重要的能力。所以，作為指導(dǎo)教師，筆者認(rèn)為編程教育的本質(zhì)不在于讓學(xué)生學(xué)到的編程知識(shí)有多少，而是學(xué)習(xí)編程的邏輯思維，在比賽之外，更能用這種思維解決已知甚至未知的問(wèn)題。