楊雨

摘 要：計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的理念分析問(wèn)題、設(shè)計(jì)方案的思維活動(dòng)。隨著信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，計(jì)算思維在學(xué)習(xí)、工作和生活中也越來(lái)越重要。就選擇“虛擬機(jī)器人”開(kāi)展STEAM項(xiàng)目教育來(lái)闡述如何培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維;虛擬機(jī)器人;STEAM

5G通信技術(shù)的成熟和應(yīng)用帶來(lái)的是高網(wǎng)速、低延時(shí)和萬(wàn)物互聯(lián)的信息時(shí)代，信息量、信息傳播和處理的速度以及應(yīng)用信息的程度都以幾何級(jí)數(shù)的方式增長(zhǎng)。5G時(shí)代對(duì)信息技術(shù)教師發(fā)起了挑戰(zhàn)：培養(yǎng)具備一定計(jì)算思維，運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的思維分析問(wèn)題、設(shè)計(jì)方案解決問(wèn)題的綜合素質(zhì)人才。

一、選擇虛擬機(jī)器人開(kāi)展STEAM教育

STEAM是一種注重探究真實(shí)情境下的問(wèn)題的項(xiàng)目教學(xué)技術(shù)，在培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維上具有明顯優(yōu)勢(shì)。而機(jī)器人教育可以全方位培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，提升學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，但是由于資金、場(chǎng)地等因素的限制，在高中開(kāi)展實(shí)體機(jī)器人教育無(wú)法普及也不現(xiàn)實(shí)。3D虛擬機(jī)器人則不受此限制，更多的學(xué)生有了接觸機(jī)器人的機(jī)會(huì)。

選擇蘿卜圈3D機(jī)器人在線(xiàn)仿真平臺(tái)開(kāi)展機(jī)器人教育有兩個(gè)原因：第一，蘿卜圈平臺(tái)提供了很多富有挑戰(zhàn)性的綜合任務(wù)，如汽車(chē)總動(dòng)員、野外生存、漫游金字塔、無(wú)人駕駛等。學(xué)生可以在虛擬平臺(tái)中搭建機(jī)器人，設(shè)計(jì)并編寫(xiě)程序來(lái)完成任務(wù)，在完成任務(wù)的過(guò)程中培養(yǎng)計(jì)算思維;第二，蘿卜圈平臺(tái)可以容納多人同時(shí)登錄，設(shè)置了積分排行榜，每完成一個(gè)任務(wù)，根據(jù)機(jī)器人完成動(dòng)作的時(shí)間、完成程度和整體用時(shí)獲得不同的積分，讓學(xué)生之間有更多競(jìng)爭(zhēng)和交流。綜上所述，蘿卜圈3D機(jī)器人在線(xiàn)仿真平臺(tái)能為開(kāi)展“虛擬機(jī)器人”STEAM項(xiàng)目教育提供強(qiáng)大的技術(shù)支持和堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。

二、STEAM項(xiàng)目教學(xué)的開(kāi)展

筆者選擇了“無(wú)人駕駛”開(kāi)展STEAM項(xiàng)目教育，該項(xiàng)目具備極高的現(xiàn)實(shí)意義且綜合性極強(qiáng)，學(xué)生能夠充分沉浸在問(wèn)題的情景中，全面考慮實(shí)現(xiàn)“無(wú)人駕駛”需要解決的問(wèn)題，調(diào)動(dòng)多學(xué)科知識(shí)設(shè)計(jì)方案、解決問(wèn)題。

“無(wú)人駕駛”項(xiàng)目要求學(xué)生設(shè)計(jì)的機(jī)器人能模擬無(wú)人駕駛交通行為：機(jī)器人從起點(diǎn)出發(fā)，全程自主運(yùn)行完成安全行車(chē)和技能挑戰(zhàn)動(dòng)作，并在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)抵達(dá)終點(diǎn)。學(xué)生在設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)需考慮虛擬環(huán)境道路上車(chē)輛的位置和行車(chē)速度、行人位置、窄路曲行路段、路障和交叉路口和隔離欄桿等。緊密聯(lián)系生活的項(xiàng)目能引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)思維分析問(wèn)題、設(shè)計(jì)方案并解決問(wèn)題，學(xué)習(xí)知識(shí)與實(shí)踐活動(dòng)相互交融，培養(yǎng)計(jì)算思維。學(xué)生在完成項(xiàng)目的過(guò)程中主動(dòng)提出問(wèn)題：怎樣到達(dá)終點(diǎn)？如何實(shí)現(xiàn)“避讓行人”“轉(zhuǎn)向選擇”等，為了解決這些問(wèn)題又會(huì)主動(dòng)吸取相關(guān)知識(shí)。有了這樣的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力，學(xué)生不但能掌握機(jī)器人的相關(guān)知識(shí)，還能提高綜合運(yùn)用各學(xué)科知識(shí)的能力。

學(xué)生完成“無(wú)人駕駛”項(xiàng)目共分三步：第一步，全面考慮“無(wú)人駕駛”項(xiàng)目中需要解決的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一個(gè)初步的解決方案，包括機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)和程序邏輯設(shè)計(jì);第二步，根據(jù)設(shè)計(jì)搭建機(jī)器，編寫(xiě)代碼，控制機(jī)器人在不同情境下的行為模式，讓機(jī)器人能夠根據(jù)道路變化完成不同的得分動(dòng)作;第三步，在虛擬賽道上仿真測(cè)試，根據(jù)測(cè)試反饋的問(wèn)題不斷重復(fù)修改機(jī)器人和代碼，直到完成挑戰(zhàn)。

筆者將2到3個(gè)學(xué)生分為一組，組內(nèi)成員通過(guò)頭腦風(fēng)暴共同完成前期的方案設(shè)計(jì)，每組選擇的硬件和設(shè)計(jì)的行為邏輯都有所不同。完成第一步之后，每一組都向其他同學(xué)分享自己的解決方案、分享的過(guò)程又是一場(chǎng)思維的碰撞。學(xué)生在互相學(xué)習(xí)中優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，尋找最佳的解決方案，知識(shí)水平得以飛快提高，不斷拓展自己思維的廣度和深度。單純靠教師講課不可能培養(yǎng)具備綜合素質(zhì)的人才。每一位同學(xué)在設(shè)計(jì)方案時(shí)都能應(yīng)用自己所學(xué)的知識(shí)，充分思考并將思考的結(jié)果“變現(xiàn)”，這樣的學(xué)習(xí)過(guò)程才能真正培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。第二步，組內(nèi)成員分工合作，根據(jù)個(gè)人優(yōu)勢(shì)選擇不同的分工，在最后階段將每個(gè)人的成果進(jìn)行組合。分工合作可以提高學(xué)生的溝通能力，合作能力和團(tuán)隊(duì)精神，培養(yǎng)具備綜合素質(zhì)的人才。第三步則需要學(xué)生具備發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題的能力。學(xué)生將機(jī)器人放入仿真虛擬環(huán)境中測(cè)試，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人實(shí)際運(yùn)行時(shí)會(huì)在各種各樣的任務(wù)環(huán)節(jié)中出現(xiàn)故障，需要根據(jù)實(shí)際暴露的問(wèn)題分析造成故障的原因，不斷修正自己的設(shè)計(jì)。在反復(fù)實(shí)踐中，學(xué)生能夠快速提升應(yīng)用所學(xué)知識(shí)的能力，有效培養(yǎng)計(jì)算思維。因此在開(kāi)展“虛擬機(jī)器人”STEAM項(xiàng)目教學(xué)任務(wù)時(shí)，教師必須緊緊圍繞實(shí)踐性這個(gè)特點(diǎn)，讓學(xué)生在解決問(wèn)題中提高計(jì)算思維能力。

三、課程實(shí)施的注意事項(xiàng)

“無(wú)人駕駛”項(xiàng)目涉及知識(shí)點(diǎn)廣，難度高，需要時(shí)間多。如果教師在一開(kāi)始直接把整個(gè)綜合性任務(wù)拋給學(xué)生，一方面學(xué)生很難理解和消化，容易挫傷學(xué)生的積極性;另一方面，大部分學(xué)生是初次接觸虛擬機(jī)器人，馬上提出綜合性任務(wù)不利于教學(xué)的開(kāi)展。因此筆者認(rèn)為應(yīng)該在精心分析教學(xué)目標(biāo)和“無(wú)人駕駛”涉及的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)后進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃，截取綜合項(xiàng)目里重要的知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)成小型任務(wù)鏈。例如：（1）禮讓行人：當(dāng)路口出現(xiàn)模擬人（發(fā)射可被檢測(cè)的紅外光）時(shí)，機(jī)器人等待模擬人優(yōu)先通過(guò);（2）安全會(huì)車(chē)：道路上出現(xiàn)正在行駛或臨時(shí)?？康能?chē)輛時(shí)，機(jī)器人通過(guò)不能接觸到車(chē)輛。在學(xué)生完成小型任務(wù)鏈后再拋出“無(wú)人駕駛”綜合項(xiàng)目。

開(kāi)展“虛擬機(jī)器人”STEAM項(xiàng)目教學(xué)，在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題的過(guò)程中學(xué)生的計(jì)算思維和創(chuàng)新思維得到提升和發(fā)展，良好的計(jì)算思維更讓人終身受益。

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編輯 馮志強(qiáng)