培養小學生計算思維的機器人編程教學探究

王源　徐棟　李軍

摘 要：計算思維是信息技術學科核心素養的重要組成要素，是智能時代智慧型人才的必備素質。在機器人編程教學中，學生可以通過程序驅動，實時操作機器人進行工作，實現了人與機器人之間的信息傳遞，這是當前小學階段培養學生計算思維的主要途徑。

關鍵詞：小學信息技術；計算思維；機器人編程；教學策略

中圖分類號：G427? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2097-1737（2023）34-0005-03

機器人編程課程是教師設計教學模型、開展教學活動，以實現教學目標的教學載體。信息科技教師需要轉變以傳統理論輸出為主的教學方式，充分利用區域內機器人教學環境與資源，注重采用啟發式、參與式等具有創造性以及由興趣主導的教學方式，推動小學生計算思維能力的整體提升[1]。

一、計算思維和機器人編程概念解析

（一）計算思維

計算思維就是按照一定的邏輯順序有計劃、有目的地解決問題的思維方式以及在這個問題解決過程中所體現出的能力。將計算思維帶到計算學科這個框架內，就是通過算法將數據分析、數據模型、數據呈現等泛化抽象的問題進行具象化展現的思維能力。這種思維方式和解決問題的能力不僅是計算機從業者所必備的，也是每個人理解智能化社會運行的邏輯前提。

（二）機器人編程

相比圖形化編程的普遍適用性，機器人編程更像是為使機器人完成某種任務而設置的動作順序描述。它能十分簡潔地描述工作環境和機器人的動作，把復雜的操作任務通過盡可能簡單的程序來完成。機器人編程語言也和一般的程序語言一樣，應具有結構簡明、概念統一、容易擴展等特點。

二、開展培養小學生計算思維的機器人編程教學的必要性分析

（一）滿足新時代的育人需求

在機器人編程教學中培養小學生計算思維符合國家教育政策的指引方向。在機器人編程教學過程中，培養學生計算思維能幫助學生使用計算思維解決生活中遇到的各種問題，增強學生的數據處理能力、決策能力、團隊合作能力等，最終培養出能夠適應社會高速發展并具有創新精神與開拓意識的智慧型人才。

（二）增強信息技術教學的實踐性

在當前小學信息技術課程中，很多教師將教學重點放在理論知識的講解和操作技能的培養上，機器人編程教學中也多以示范性操作教學為主，忽略了教學實踐的重要性，減少了對學生計算思維和創造性能力的培養，長此以往會限制學生想象力的發揮。而機器人編程教學將數學和物理等有利于培養學生計算思維和計算能力的學科知識融入其中，再結合對機器人實踐操作的任務驅動要求，為學生創造了培養計算思維和動手實踐能力的操作環境，讓學生在不知不覺中提升自己的計算思維能力。

三、開展培養小學生計算思維的機器人編程教學的策略

（一）分解編程任務，引導計算思維

分解任務的方式可以讓問題結構和關鍵點更加清晰，從而降低整體難度。在機器人程序開發中，除了要注重代碼書寫的正確性，還需要設計最有效的解決方案。這就要求學生具備創造性思維能力，能夠在不同情境下將問題轉換為適合機器人控制的指令序列。但是復雜的設計會讓學生感到無從下手，所以教師可以引導他們將一個復雜的任務分解為多個小的子任務，逐步解決每個子任務，最終達到解決整個問題的目標[2]。在分解過程中，教師應引導學生設計方案，規劃路徑，計算時間，做出決策，促進學生計算思維能力的提升。

例如，在圖1的機器人巡線控制任務中，設定目標為讓機器人從起點到達E點，中間四個節點各停留1秒。

學生可以將編程任務按照流程和順序進行分解，因為機器人一次只能做一件事，不可能直行的同時左轉，所以為了完成路線，機器人的動作一定有先后順序。任務分解為：前進、停留1秒、左轉、前進、停留1秒、右轉、前進、停留1秒、右轉、前進、停留1秒、掉頭、前進、右轉、前進。

在規劃路線的過程中，學生的計算思維能力得到鍛煉。由于該任務的實踐性較強，學生腦海中形成了深刻印象，幫助學生實現知識內化。再次遇到同類的問題時，學生大腦就會做出對應反應，達到觸類旁通、舉一反三的授課效果。

（二）融合圖形化編程教學，培養計算思維

將圖形化編程教學和機器人編程教學相結合，使機器人的工作過程和運行原理以圖形化編程的方式進行直觀演示，更能方便學生理解編程知識，思考運行原理，及時發現錯誤環節，迅速修改，及時調試。學生應在完成機器人編程任務的過程中，不斷調整程序和線路，實現計算思維能力的提升。

例如，“機器人機械手”一課中，教師的教學重點是讓學生掌握機器人機械手程序的搭建和機器人拓展模塊的組合方式。經過第一課時的教學，學生已經明白了機械手的概念以及活動原理、伺服電機和紅外傳感器的工作原理，也已經掌握了設置伺服電機的方式，接下來就需要利用編寫程序對機器人機械手程序進行實驗。學生通過編寫機器人流程圖，將機器人機械手運動的基本過程進行具象化展示，了解了機械手由兩個伺服電機、四個兩節模塊、兩個伺服電機鏈接、兩個彎曲九孔以及固定伺服電機的銅片、螺絲組成。

學生在編寫機械手程序時，如果按照教材中利用專門的軟件進行編程，一般分為這幾個步驟：機器人停止、機械手抓取物體、推動前進、機械手放下物體、機器人后退停止。在這個過程中，學生可通過對算法的學習促使自身計算思維能力的提升。但是在實際教學中，教師會發現學生脫離教師難以完成。此時學生就可以借助在五年級已經掌握的圖形化編程語言，以圖形化編程的形式將機械手的程序簡單化。

一方面可拆卸的積木式機器人方便學生在實驗過程中糾正錯誤，另一方面，以模塊化的指令代替陌生的代碼指令，能夠更好地激發學生的學習興趣，增強學生學習信心。而學生在拆卸過程中尋找能讓機械手運作的指令，在反復實踐中將腦海中內容具象化，用舊知識解決新問題，更好地發展了計算思維能力。

（三）開展項目式學習，拓展計算思維

在項目化學習中，學生會聯系到數學、科學以及工程等多學科知識，真正實現多元智能發展。與此同時，在集思廣益的團隊合作中，學生可以互相交流分享，實現思維碰撞。在反復調試和算法預演中，學生的計算思維能力能夠得到有效提升。

例如，在“機器人汽車倒車雷達”的項目式學習中，教師將教學目標設定為通過學習理解雙分支選擇結構，掌握選擇結構算法，利用倒車雷達程序去感知選擇結構算法的作用，最終提升計算思維能力。所以，

教師可如此開展教學。第一，利用實物創設問題情境，

引導學生展開探究。教師帶領學生觀察真實的倒車雷達顯示屏和提示音的變化，進而引出問題：雷達是怎樣測量車和障礙物之間的距離的，以及雷達提示音會隨著距離數值的變動發生何種變化。為了讓學生更了解控制器和超聲波傳感器，教師借助機器人搭建測距裝置，讓學生熟悉對應的計算模式。第二，通過對模擬相似環境的智能小車的學習，讓學生將問題進行抽象處理，即總結歸納出汽車倒車雷達的結構模式，明確智能小車的算法，并在教師提出的“如果—那么—否則”的雙分支程序描述模式的幫助下，實現仿真模

擬。第三，嘗試畫出流程圖并得出算法，模擬汽車超聲波傳感器獲取汽車與障礙物的距離值，并將其傳送給控制器的過程。模擬的過程就是驗證算法的過程。

梳理這個項目式學習過程，我們可以發現計算思維的拓展貫穿始終。首先，拓展分層處理思維。教師在利用“眼見為實”的方式讓學生觀察后，將復雜的問題進行分解，將超聲波傳感器和控制器的探究問題通過兩個問題來呈現：超聲波傳感器如何測距和汽車控制器如何發送指令?；睘楹?，更加清晰。其次，拓展模式識別或算法識別思維，即利用機器人智能小車進行仿真模擬，進一步抽象算法。再次，拓展流程建設的思維，從仿真模擬到流程圖最終得到算法，層層遞進，解決問題，獲得學習自信心。最后，利用編程軟件進行算法驗證，真正實現問題的抽象化處理。這樣的教學起到了潤物無聲的效果，學生利用計算思維解決問題的同時，也獲得全面發展。在之后的學習中，

學生可以主動嘗試從多角度解決問題。

（四）開發編程校本課程，提升計算思維能力

校本課程是相對國家課程和地方課程來說的，是對現行普遍適用課程的補充。開發機器人編程校本課程能夠激發學生的編程學習興趣，為學生提供更多機器人編程的實踐機會，最終形成“智能人才”的有效培養模式，全面提升本校學生的計算思維能力[3]。機器人編程教育校本課程開發，可以從以下兩個方面入手：

1.快樂編程：以生為本，興趣引導

在關于編程的校本課程開發中，學校要更加注重“以生為本”的教育理念，將學生興趣導向放在首要位置，真正做到快樂編程，在不斷探索的過程中提升計算思維能力。

例如，學?？梢詫⒂螒蚪虒W和機器人編程結合起來進行“趣味編程”的校本課程開發。學?？梢詤⒖棘F在市場上的一些編程游戲，如《代碼對抗賽：機器人編程大戰》。這是一款編程模擬類策略游戲，玩家可以在編程系統中輸入指令，直接運行到機器人身上。這個游戲其實并沒有專注于特定的編程語言，而是使用了一種直觀的可視化編程語言，讓玩家將思考的注意力轉移到對循環、函數和變量處理的問題上來，在緊張的氛圍中激發學生的學習潛力，真正做到寓教于樂。

編程校本課程也可以簡化成容易實現的簡易編程游戲。例如，教師可以結合圖形化編程工具以及信息技術學科教學內容，聯系條件判斷、循環、變量、鏈表、函數等編程知識和技巧，引導學生制作游戲程序，讓學生的計算思維能力在實踐中不斷提升[4]。

2.智慧編程：由簡入難，層層遞進

在產生開展機器人編程校本課程的想法后，筆者了解了幾所已經在小學階段開展編程教育校本課程的學校，發現編程校本課程開展狀況良好的學校具備兩個共性：第一，選擇以難度更小的圖形化編程工具作為課程載體，降低難度，讓絕大部分的小學生能夠實現編程入門；第二，堅持STEAM的教育理念，實現編程和其他學科的聯動，突破學科界限[5]。因此，在開展機器人編程校本課程時，學校應注意從簡單的機器人編程項目入手，將不同的學科涵蓋其中，形成學科聯動效應，綜合提升學生的計算思維能力。

例如，學校在學生編程學習的起步階段，可以開發基礎學科聯動的“嵌入式校本課程”，將簡單的機器人編程指令訓練作為主要教學內容。在學生能夠得心應手地使用編程指令時，學?？梢赃M一步開發“項目型校本課程”，將設計思維培養和操作步驟作為主要教學內容，同時提高教師參與度，創設競賽活動，促使學生的計算思維得到逐步拓展。

四、結束語

總之，教師要注意把握機器人編程和計算思維的核心要義，在教學中既可以從分解編程任務、融合圖形化編程教學方面降低教學難度，又可以通過開發機器人編程的項目式學習和編程校本課程來提升學生的計算思維能力，幫助學生將計算思維運用于解決生活及學習中遇到的問題，進而成長為更適合智能時代的新型人才。

參考文獻

朱贇.機器人編程項目式學習成效的研究[J].上海教育，2021（21）：82-83.

代光光.小學教育中機器人編程的計算思維探究[J].科幻畫報，2021（5）：87-88.

劉飛初.面向創造性思維培養的小學編程校本課程的開發與實踐研究[D].曲阜：曲阜師范大學，2020.

張婷.小學生機器人教學中計算思維培養的實踐研究[D].成都：四川師范大學，2019.

周明.基于計算思維培養的中小學編程教育校本課程開發與實踐[J].中小學信息技術教育，2017（3）：61-65.