計算思維視角下的線上編程教學應用探究

金亞明

一、研究背景

2006年計算機科學家周以真首次提出“計算思維”這一概念：“通過運用計算機科學的基本概念求解問題、設計系統(tǒng)和理解人類行為的方式，涵蓋了計算機科學領域廣度的一系列思維工具”。這一概念提出后，眾多國家及地區(qū)開始關注學生計算思維的發(fā)展。

計算思維的定義，可以從廣義與狹義兩個角度進行理解。從廣義上講，計算思維是分析和解決各種問題的基礎。從狹義上講，計算思維是計算機編程的相關概念，是開始編程前的思考過程，是將編程解決方案的思路轉(zhuǎn)換成計算機能夠操作執(zhí)行的計算機語言的過程。從2014年浙江開始實行7選3考試，正式把技術列入到高考學科。自此程序設計課程的學習不再局限于拓展性的課程中，而正式登上了高考大舞臺。各校對該學科的重視程度一年高于一年，結(jié)合很多大學中人工智能等相關專業(yè)的開設，程序設計課程明顯比重劇增，不管是VB語言還是C語言，亦或圖形化編程，對學生學習、思維能力提升都有諸多益處。在信息技術學科教學中，教師可以將考試的VB語言和蘿卜圈虛擬編程的圖形化操作，將計算思維融入其中，借助可視化編程工具，鍛煉了學生的程序的邏輯思維能力，合作溝通能力，從而達到提升計算思維的能力和信息素養(yǎng)的綜合發(fā)展。

二、操作與實施

2.1學校多樣化課程的支撐

2.1.1多樣化課程中程序設計類課程教學大受歡迎

多樣化課程中程序設計課的開展有更多優(yōu)勢，學生對課程是自發(fā)的喜愛而選擇。學生通過有趣的任務獲得知識。他們對各種仿真項目進行研究、設計、調(diào)試。以組為單位展開討論，設計機器人，編寫程序，完成指定的任務。從游戲得使用者變成了開發(fā)者，充分享受成功帶來得喜悅。在這些活動中，學生培養(yǎng)了合作的能力，通過設計項目提升了計算思維能力。教學過程寓教于樂，對于學生來說既學習了知識，又鍛煉了自己的思維能力。而且模塊化的編程教學適合各個年齡段學生學習，在當前“雙減”的大環(huán)境下，編程課程的社團活動，不光拓展了學生的學習空間，滿足學生不同的學習需求，可以為課后服務增強吸引力。而高中階段，在繁忙的高中學習中，類似這種以培養(yǎng)學生興趣能力為主的多樣化課程受到了學生的歡迎。

2.1.2蘿卜圈軟件場景逼真，隨時隨處可以開展

蘿卜圈軟件界面設計很容易抓住學生的興趣，它的場景界面不僅豐富、逼真，同時內(nèi)部還提供了各式各樣的機器人組件。更克服了實物機器人價格昂貴，普通人玩不起的弊端。在蘿卜圈虛擬軟件中，學生有豐富的選擇體驗：自主選擇組件，搭建合適的機器人，同時，教師也可以自己制作個性化場景，靈活地讓學生完成自行設定的任務體驗。這樣，學生就有了更大創(chuàng)造的空間。當然，還有很方便的一點，就是課程還可以延伸到校外課外，只要借助學校局域網(wǎng)或蘿卜圈的外網(wǎng)服務器，只要能上網(wǎng)，學生無論在哪個地方，他都可以登錄服務器參與到學習中來。

2.2實踐研究——以蘿卜圈完成“流水線分揀”任務為例

“我已經(jīng)迷上了線上編程這一門學科。在與老師和同學共同學習的時間里，我了解了傳感器、驅(qū)動電路工作原理，對重力、摩擦力等物理知識有了更深刻的領會，掌握了模塊化的程序設計理念，原先上課過程中感覺高大上的vb算法變的簡單容易，在這之前，我都不知道學習能帶給我這么大的自信，我的另外學科成績也在迅速提升。”這是通過課程學習，獲得了省、市多項比賽的同學跟我說的話。由此可見，學生學習程序設計的熱情毋庸置疑，同時課程對于學生能力的提升也是顯而易見的。同時也為學生計算思維的進一步發(fā)展創(chuàng)造了條件。

2.2.1“流水線分揀”任務描述

蘿卜圈項目能完成很多任務，以機器人完成產(chǎn)品流水線作業(yè)為例。這里有一個“蘿卜圈3D仿真機器人”自帶的“流水線分揀”任務場景，如圖1所示，左邊是紅筐，右邊是藍筐，流水線分揀要求設計一個機器人將流水線傳送帶上的產(chǎn)品零件按照顏色分揀到對應的紅、藍筐里。

假定紅、藍產(chǎn)品零件各5個（即總數(shù)為10個）從傳送帶上以固定的時間間隔順次傳遞過來，傳遞出來的零件顏色是隨機的。要求：1.每個筐子各放對3個零件，就完成基本任務。2.在最后一個零件放到流水線上30秒后，代表任務結(jié)束，系統(tǒng)會彈出分數(shù)作為成績。3.有以下任一情況時表示任務失?。杭t筐里放藍色零件，藍筐里放紅色零件;每個筐子里的零件數(shù)量少于3個。4.得分計算：得分由放對零件的數(shù)量決定。各放對3個得60分，放對10個得100分。

由于學習對象高中學生，他們對程序的概念清楚，當接觸到這個看起來更像電腦游戲的軟件時，他們表現(xiàn)出了濃厚的興趣，在學習中，老師對學生加以引導，學生學習速度很快，設計理念是將項目進行任務分解，分解成若干小任務，通過個人努力和團隊協(xié)作來解決問題，讓學生成為學習的主角，真正體現(xiàn)“在玩中學”，從而體會到學習的快樂。

2.2.2機器人的搭建和設計

學生根據(jù)任務，分析該搭一個怎樣的機器人，需要哪些模塊，用哪個完成顏色分揀，用哪個完成瓶子的推動。學生探討后用伺服電機和灰度傳感器搭出了如下的機器人。搭建的難度在于“由灰度的檢測值指引伺服電機的動作”的理解（圖2）。

學生在合作探討完成機器人的搭建過程中，對蘿卜圈軟件中的諸多端口和模塊進行了挑選，從一開始茫然地不清楚如何分揀，用兩個爪形模塊來制作手臂裝置，到后面發(fā)現(xiàn)有更簡單的做法直接用安裝柱做手臂。由于沒有學過伺服電機，不知道用轉(zhuǎn)動哪個模塊來完成。在挑選模塊時候走了不少彎路，最后在老師的提示下了解伺服電機的存在。蘿卜圈軟件中不束縛學生思想，學生可以充分發(fā)揮想象，天馬行空，分揀項目只是其中一個小項目。在另外任務完成過程中，學生更是積極開動腦經(jīng)，積極探索合理方案，提升了計算思維能力和學生的綜合素養(yǎng)。

2.2.3伺服電機的功能和編寫程序

由于在該任務中伺服電機是一個全新的模塊，教師做了簡單的介紹。一個學生對伺服電機的用法提出了他個人的建議。學生說，這個伺服電機配上安裝柱像極了圓規(guī)。用圓規(guī)比擬伺服電機的功能就是能驅(qū)動安裝塊左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)一些角度。讓其他同學一下子熟悉了這個新學的模塊。

通過對任務的分解，理解一般情況下程序是按照順序來執(zhí)行命令語句的。圖3中的程序是最終由學生設計的伺服電機的圖形化編程部分。 學生在信息技術課上學習過VB。結(jié)構(gòu)化模塊（函數(shù)）對學生來說一點都不陌生。使用循環(huán)模塊完成重復任務。

在這個過程中，學生可以通過反復驗證對問題解決的策略不斷優(yōu)化。比方說學生在調(diào)試的過程中，伺服電機一開始的默認值比較低，分揀的速度就會比較慢，為了讓分揀的最快，一開始給伺服電機轉(zhuǎn)到90度的時間調(diào)到很快，結(jié)果卻導致分揀的物品直接飛出框。學生經(jīng)過自主學習，探究，理解更深刻，通過不停的調(diào)試和優(yōu)化，最終得到最合適的方案，在這個學習過程中，培養(yǎng)了學生探究科學奧秘的興趣，激發(fā)學生的好奇心和求知欲，初步養(yǎng)成從事科技探究活動的正確態(tài)度;讓學生學會選擇，學會合作，學會探究，學會創(chuàng)新，培養(yǎng)學生探索質(zhì)疑、解決問題的能力，搜集、處理信息的能力，動手操作、主動實踐的能力。利用自己所學過各項知識，靈活地運用到機器人的實驗和制作活動中，有效地提升了學生的計算思維能力。

三、成效與思考

從信息技術學科的學習內(nèi)容來看，教師要放手讓學生多思考、多練習，鼓勵學生通過自主探究獲取知識，每一次任務完成與優(yōu)化都是對學生計算思維能力的鍛煉。

3.1創(chuàng)新能力和自主探究能力得到提升

與傳統(tǒng)教學環(huán)境不一樣，在線編程的學習只要有網(wǎng)絡和電腦就可以隨時隨地展開。同時教學開展中充分尊重學生的主體地位，強調(diào)自主式和開放式，盡量讓學生天馬行空發(fā)揮創(chuàng)造力。它既調(diào)動了學生學習的積極性，同時也讓學生創(chuàng)新能力與自主探究能力得到提升。

3.2轉(zhuǎn)變學習態(tài)度，各方面獲得進步

課堂實踐后，成員在參加省市區(qū)比賽中獲得了很多的榮譽，同時我們的社團也獲得了區(qū)級優(yōu)秀科技社團榮譽。除了在科技比賽中獲得豐收外，筆者觀察了學生學習的狀態(tài)，成果無疑是讓人欣喜和吃驚的。學生不僅課堂學習注意力變得專注，同伴間的互助學習也做的很好。特別是在信息技術學科的學習中，每個學生都表現(xiàn)出了對程序設計學習濃厚的興趣，技術學科的學習成績也提升的飛快，更有學生在高校三維一體考試中表現(xiàn)優(yōu)異，被高校錄取，乃至在大學中計算機獲得免修資格。

3.3“沉迷”任務，缺乏對程序優(yōu)化的思考

在取得成績的同時，也要看到存在的問題。蘿卜圈線上編程的學習，我們主張給學生更多的空間，但是，放手并不等同于放羊，我們鼓勵學生自己去成為課堂的主角，但是往往也有看到個別同學沉迷于任務本身和相互間闖關的比賽，一味地只拼速度，而缺乏對程序如何更優(yōu)化（程序思維）的思考，致使程度設計知識烙印不夠深刻，設計出來的部分程序穩(wěn)定性不夠。這就需要老師在適當時候介入，在課堂中恰當運用程序應用，充分發(fā)揮學習主動性，讓深度學習真正在玩中發(fā)生，讓學生的計算思維得到更進一步的提升。

三、結(jié)束語

蘿卜圈虛擬機器人的線上編程教學，為學生提供了一個自主、協(xié)作與創(chuàng)新的平臺。線上編程并非想讓學生個個都成為編程高手。在學習編程過程中，能夠體會那些程序設計思維的精妙之處，能夠以有趣的任務來提升學生解決具體問題的能力。讓學生通過感興趣的學習輕松掌握了知識，切身體會到了編程的樂趣。在經(jīng)歷提出問題、分析問題和解決問題的過程中，完成自己的作品。教師通過教學引導，充分發(fā)展學生的計算思維能力，提升學生的綜合素養(yǎng)，培養(yǎng)新時代需要的人才。

參? 考? 文? 獻

[1]安曉瑞.以培養(yǎng)計算思維為核心的計算機應用軟件類課程教學改革探索[J].西北成人教育學院學報，2019（02）：61-65.

[2]韓榮勝劉秀芝.虛擬機器人的校本課程開發(fā)[J].中國教育信息化，2012（14）：28-29.

[3]陳曉健.計算思維的培養(yǎng)中學生應用軟件教學的新選擇[J].信息技術與信息化，2018（04）：131-133.