劉朋飛 袁久婕 張婤

摘? ?要：目前，國(guó)內(nèi)STEAM教育理念越來(lái)越受到人們的關(guān)注，計(jì)算思維培養(yǎng)也日趨低齡化。文章結(jié)合小學(xué)生認(rèn)知規(guī)律、學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)需求，與團(tuán)隊(duì)成員從頂層設(shè)計(jì)出發(fā)，開(kāi)展面向小學(xué)生計(jì)算思維的機(jī)器人項(xiàng)目式學(xué)習(xí)實(shí)踐研究，依托多學(xué)科知識(shí)，發(fā)展小學(xué)生計(jì)算思維。研究采用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)方式開(kāi)展教學(xué)，以“精準(zhǔn)防御抗擊病毒”競(jìng)賽項(xiàng)目為例，從“進(jìn)入情景、分析問(wèn)題”“找出規(guī)律、抽象特征”“建立模型、設(shè)計(jì)算法”“運(yùn)行程序、改進(jìn)優(yōu)化”“總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、遷移應(yīng)用”等環(huán)節(jié)闡述了其在研究中的具體實(shí)施情況，旨在培養(yǎng)小學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維界定分析問(wèn)題、抽象建立問(wèn)題模型、設(shè)計(jì)系統(tǒng)解決方案的能力，為發(fā)展小學(xué)生的計(jì)算思維提供了借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：STEAM;計(jì)算思維;項(xiàng)目式學(xué)習(xí);機(jī)器人

中圖分類(lèi)號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1673-8454（2021）14-0026-04

基于STEAM理念，發(fā)展小學(xué)生計(jì)算思維的機(jī)器人項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，是以發(fā)展學(xué)生綜合素養(yǎng)和創(chuàng)新能力為宗旨的實(shí)踐研究。該研究面向小學(xué)中高段學(xué)生，打破年齡限制，根據(jù)學(xué)生能力水平編制初、中、高三個(gè)層級(jí)的學(xué)習(xí)內(nèi)容，將多學(xué)科內(nèi)容進(jìn)行融合，這種融合并不是單純地將學(xué)科知識(shí)轉(zhuǎn)移到機(jī)器人課上，而是以機(jī)器人為載體，融合多學(xué)科知識(shí)建構(gòu)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)內(nèi)容。通過(guò)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)使學(xué)生主動(dòng)探究、領(lǐng)悟應(yīng)用這些學(xué)科知識(shí)，從而提高學(xué)生靈活運(yùn)用各學(xué)科知識(shí)綜合解決問(wèn)題的能力，最終達(dá)到發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維的目的。

一、研究問(wèn)題的提出

1.基于學(xué)生計(jì)算思維素養(yǎng)發(fā)展的思考

機(jī)器人教育融合了多學(xué)科知識(shí)，具有綜合性、實(shí)踐性和創(chuàng)新性。相關(guān)研究表明，早期機(jī)器人教育對(duì)學(xué)生多元智能的發(fā)展具有至關(guān)重要的影響。計(jì)算思維的培養(yǎng)是指學(xué)生在信息活動(dòng)中，使用計(jì)算機(jī)能處理的方式界定問(wèn)題、抽象特征、建立模型、組織數(shù)據(jù)，通過(guò)判斷分析綜合各種信息，確定合適的算法，形成解決問(wèn)題的方案，總結(jié)計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的過(guò)程與方法，遷移應(yīng)用到其他問(wèn)題情境中[1]。因此基于STEAM理念，以機(jī)器人教育為載體，能進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)知識(shí)解決問(wèn)題，有利于幫助學(xué)生發(fā)展綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)解決問(wèn)題的能力，從而促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展。

2.基于現(xiàn)行教材機(jī)器人教學(xué)編排的思考

2020學(xué)年，浙江省在小學(xué)信息技術(shù)教材中增加了人工智能教學(xué)內(nèi)容，機(jī)器人是人工智能知識(shí)的重要組成部分，推進(jìn)人工智能教學(xué)離不開(kāi)機(jī)器人知識(shí)的學(xué)習(xí)，所以開(kāi)展機(jī)器人教學(xué)十分必要。而從內(nèi)容整體編排來(lái)看，機(jī)器人教學(xué)內(nèi)容編排靠后，這對(duì)于對(duì)機(jī)器人充滿(mǎn)濃厚興趣的其他年級(jí)學(xué)生來(lái)說(shuō)，存在一定的影響。除此之外，教材內(nèi)容多以任務(wù)驅(qū)動(dòng)框架編寫(xiě)，使教師在機(jī)器人教學(xué)中更多關(guān)注程序的編寫(xiě)調(diào)試以及最終任務(wù)的完成情況，忽略了學(xué)生在機(jī)器人設(shè)計(jì)、搭建、調(diào)試過(guò)程中綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)解決問(wèn)題的綜合素養(yǎng)與能力培養(yǎng)。因此，以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)為活動(dòng)形式，打破年級(jí)限制，基于項(xiàng)目任務(wù)，系統(tǒng)構(gòu)建初級(jí)、中級(jí)和高級(jí)學(xué)習(xí)內(nèi)容是發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維的有效途徑。

3.基于國(guó)外機(jī)器人教育教學(xué)現(xiàn)狀的思考

許多國(guó)家均比較重視機(jī)器人與學(xué)科整合的教育。在美國(guó)基礎(chǔ)教育中，教師通過(guò)機(jī)器人課程、主題夏令營(yíng)、機(jī)器人輔助工具來(lái)開(kāi)展教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新能力。在日本的中小學(xué)教學(xué)大綱中，明確納入機(jī)器人教育相關(guān)課程，利用機(jī)器人技術(shù)優(yōu)化教學(xué)，關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)、科學(xué)和工程技術(shù)等知識(shí)。在英國(guó)，機(jī)器人課程早已走進(jìn)中小學(xué)課堂，比較注重通過(guò)機(jī)器人技術(shù)引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和了解身邊的數(shù)學(xué)應(yīng)用知識(shí)。由此可見(jiàn)，多學(xué)科與機(jī)器人教育整合形式的教育教學(xué)價(jià)值比較突出。[2][3]

基于以上分析，筆者認(rèn)為在STEAM理念下，開(kāi)展機(jī)器人項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是發(fā)展小學(xué)生計(jì)算思維的有效策略和途徑，下一步將從研究整體思路與框架架構(gòu)的角度出發(fā)闡釋研究所思，并結(jié)合機(jī)器人“精準(zhǔn)防御抗擊病毒”案例，具體介紹團(tuán)隊(duì)的研究收獲。

二、研究思路與架構(gòu)

1.基于STEAM理念，發(fā)展小學(xué)生計(jì)算思維的機(jī)器人項(xiàng)目式學(xué)習(xí)實(shí)踐研究的定位、理念和研究目標(biāo)

（1）定位

以培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維解決問(wèn)題——如何高效使用機(jī)器人精準(zhǔn)防御抗擊病毒為切入口，鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)，開(kāi)展實(shí)踐研究，綜合解決問(wèn)題。

（2）理念

以學(xué)生為中心，通過(guò)項(xiàng)目式教學(xué)進(jìn)行實(shí)踐研究，在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生以問(wèn)題為基礎(chǔ)，通過(guò)小組研討的形式，圍繞問(wèn)題收集信息、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題。

（3）目標(biāo)

通過(guò)解決特定問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，體驗(yàn)探究、分析、建模、優(yōu)化、改善策略的研究過(guò)程，提高學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新意識(shí)，從而發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維。

2.基于STEAM理念，發(fā)展小學(xué)生計(jì)算思維的機(jī)器人項(xiàng)目式學(xué)習(xí)實(shí)踐研究的外延和內(nèi)涵

本研究的外延是基于STEAM理念指向各學(xué)科的相關(guān)知識(shí)，其關(guān)系梳理如圖1所示。

本研究的內(nèi)涵是基于小學(xué)生特征、學(xué)習(xí)支撐條件、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的方法、計(jì)算思維發(fā)展路徑等因素構(gòu)建的具體研究?jī)?nèi)容，包括：①分析學(xué)生學(xué)習(xí)特征，確定適合不同層次學(xué)生進(jìn)行機(jī)器人探究的學(xué)習(xí)主題和框架;②分析不同學(xué)習(xí)主題下的學(xué)生興趣點(diǎn)和學(xué)習(xí)起點(diǎn);③搜集和設(shè)計(jì)不同主題下的機(jī)器人探究活動(dòng)內(nèi)容和活動(dòng)方式;④形成初、中、高三個(gè)不同層次的機(jī)器人項(xiàng)目式活動(dòng)實(shí)施方案;⑤實(shí)施、修改和完善基于STEAM理念發(fā)展小學(xué)生計(jì)算思維的機(jī)器人項(xiàng)目式學(xué)習(xí)具體內(nèi)容;⑥總結(jié)提煉發(fā)展小學(xué)生計(jì)算思維的有效途徑與方法策略。

3.基于STEAM理念，發(fā)展小學(xué)生計(jì)算思維的機(jī)器人項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的實(shí)施與評(píng)價(jià)

從項(xiàng)目任務(wù)及計(jì)算思維培養(yǎng)路徑出發(fā)，分解任務(wù)，建立子任務(wù)評(píng)價(jià)內(nèi)容，形成評(píng)價(jià)體系，及時(shí)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目實(shí)施情況[4]，具體如圖2所示。

三、機(jī)器人項(xiàng)目式學(xué)習(xí)實(shí)踐研究——以“精準(zhǔn)防御抗擊病毒”競(jìng)賽項(xiàng)目為例

基于STEAM理念，將多學(xué)科知識(shí)與機(jī)器人教育整合，以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的方式開(kāi)展研究，筆者將項(xiàng)目學(xué)習(xí)內(nèi)容分為三個(gè)等級(jí)：初級(jí)內(nèi)容以機(jī)器人簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)拼搭和初級(jí)圖形化編程為主;中級(jí)內(nèi)容以較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和程序設(shè)計(jì)為主;高級(jí)內(nèi)容則以歷年各級(jí)各類(lèi)競(jìng)賽任務(wù)為主。高級(jí)內(nèi)容以解決真實(shí)問(wèn)題為背景，綜合性和挑戰(zhàn)性極強(qiáng)，在這種情況下，學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)開(kāi)展研究學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)和訓(xùn)練的過(guò)程中，利用多學(xué)科知識(shí)改造機(jī)器人結(jié)構(gòu)、優(yōu)化程序來(lái)解決問(wèn)題，符合STEAM理念下的多學(xué)科融合與計(jì)算思維發(fā)展的要求。

1.任務(wù)概述

下面，筆者將以2020年杭州市青少年機(jī)器人競(jìng)賽——“精準(zhǔn)防御抗擊病毒”競(jìng)賽項(xiàng)目為例，進(jìn)行詳細(xì)闡述。[5]

（1）場(chǎng)地說(shuō)明

場(chǎng)地墊長(zhǎng)寬1355mm×1140mm，其中4×4網(wǎng)格，單格尺寸240mm×240mm，5個(gè)隔離區(qū)圓直徑為160mm，病毒模型32mm×32mm×30mm，積木塊有16個(gè)凸點(diǎn)。

（2）機(jī)器人說(shuō)明

機(jī)器人尺寸長(zhǎng)寬高不超過(guò)256mm，控制器1個(gè)，電機(jī)不超過(guò)4個(gè)，不采用集成循跡卡，電池電壓不超過(guò)9V，其它傳感器不限。

（3）計(jì)分規(guī)則

網(wǎng)格上的病毒模型（最多布置19個(gè)），被送到任一隔離區(qū)（5個(gè)圓），第一層必須完全進(jìn)入，方可得分。第一層得20分，第二層得30分，第三層得40分，每多加一層遞增10分。

（4）運(yùn)行規(guī)則

機(jī)器人完全在出發(fā)區(qū)，啟動(dòng)后自主運(yùn)行，2分鐘后離開(kāi)隔離區(qū)，停止運(yùn)行。機(jī)器人啟動(dòng)后，參賽選手不得觸碰機(jī)器人，一旦觸碰即任務(wù)結(jié)束，機(jī)器人離開(kāi)隔離區(qū)方可計(jì)分。

（5）參賽作品

提交 3 個(gè)展示視頻，包括作者自我介紹、所參加項(xiàng)目及機(jī)器人簡(jiǎn)介、項(xiàng)目編程思路、完成任務(wù)策略的具體介紹以及機(jī)器人搭建調(diào)試過(guò)程;對(duì)完成任務(wù)過(guò)程拍攝的視頻不得剪輯，更不得將多次任務(wù)通過(guò)剪輯合并;指導(dǎo)教師與選手計(jì)分及完成任務(wù)情況的點(diǎn)評(píng)等。

2.項(xiàng)目分析及任務(wù)分解

本次競(jìng)賽項(xiàng)目可以拆分成兩個(gè)子任務(wù)：收集病毒和隔離病毒。要解決這個(gè)綜合任務(wù)，學(xué)生需要基于STEAM理念，融合各學(xué)科知識(shí)和技能思考以下內(nèi)容：①完成各子任務(wù)的策略;②每種策略?xún)?yōu)缺點(diǎn)分析;③機(jī)器人具體搭建機(jī)械機(jī)構(gòu);④編程思路;⑤方法、策略、優(yōu)化、方法穩(wěn)定性評(píng)估;⑥介紹項(xiàng)目完成過(guò)程、視頻錄制技巧。在競(jìng)賽任務(wù)中體現(xiàn)的STEAM綜合維度如表1所示。

3.項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)的實(shí)施

（1）進(jìn)入情景、分析問(wèn)題

比賽項(xiàng)目公布后，在教師的帶領(lǐng)下，學(xué)生以小組為單位圍繞競(jìng)賽項(xiàng)目進(jìn)行主題式討論，重點(diǎn)分析競(jìng)賽規(guī)則，從而找到疑惑的問(wèn)題，進(jìn)而尋求解決方案。在這一過(guò)程中，教師以一連串帶有啟發(fā)性的問(wèn)題進(jìn)行導(dǎo)學(xué)，幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和提出問(wèn)題。比如：機(jī)器人需要幾個(gè)電機(jī)、需要哪些傳感器？是從哪里出發(fā)，終點(diǎn)又在哪里？完成這個(gè)任務(wù)難點(diǎn)在哪里……這些問(wèn)題的提出，有助于學(xué)生建構(gòu)問(wèn)題解決序列，有助于發(fā)散性思維的培養(yǎng)以及幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，而發(fā)現(xiàn)問(wèn)題是解決問(wèn)題的第一步。

（2）找出規(guī)律、抽象特征

在精細(xì)解讀比賽規(guī)則的前提下，對(duì)幾個(gè)疑惑問(wèn)題進(jìn)行梳理分析，找到解決問(wèn)題的規(guī)律，抽象總結(jié)解決問(wèn)題的思路和策略。教師鼓勵(lì)學(xué)生大膽猜測(cè)，比如機(jī)器人能不能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)一次性把所有積木塊收集起來(lái)？能不能全部堆疊在一起？假設(shè)這些猜想行得通，那么收集策略是什么、堆疊策略又是什么，這些能夠進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生尋找用機(jī)器人解決問(wèn)題的策略，在反復(fù)猜想和真實(shí)任務(wù)的驅(qū)動(dòng)下，學(xué)生嘗試借助機(jī)器人和編程方法，借助多學(xué)科知識(shí)和技能解決這些綜合問(wèn)題。

（3）建立模型、設(shè)計(jì)算法

用可視化的流程圖梳理解決問(wèn)題的思路和策略，列出任務(wù)清單，把任務(wù)進(jìn)一步分解成若干個(gè)子任務(wù)，每個(gè)子任務(wù)再細(xì)化，明確需要完成哪些任務(wù)，完成這些任務(wù)需要解決的難點(diǎn)以及如何突破這些難點(diǎn)。這個(gè)過(guò)程中有可能會(huì)自我否定掉一些方案，從而在反復(fù)思考否定下形成最優(yōu)方案，對(duì)應(yīng)形成相應(yīng)算法，然后通過(guò)實(shí)踐進(jìn)行檢驗(yàn)。機(jī)器人課操作性和實(shí)踐性很強(qiáng)，方案形成后需要?jiǎng)邮植僮鳌Ｏ仁谴罱C(jī)器人，機(jī)器人結(jié)構(gòu)是基礎(chǔ)，對(duì)于后續(xù)任務(wù)的完成至關(guān)重要，而合理、完善的結(jié)構(gòu)會(huì)起到事半功倍的效果。比如，這次比賽中的收集積木塊任務(wù)，要想收集并堆疊起來(lái)，使用機(jī)械抓手就是一種辦法，所以需要搭建一個(gè)機(jī)械抓手。其次是程序編寫(xiě)，機(jī)器人的程序是關(guān)鍵，通過(guò)程序命令才能指揮機(jī)器人，才能完成相應(yīng)的任務(wù)。值得一提的是，即使經(jīng)過(guò)前期比較縝密的思考形成優(yōu)化后的方案，也可能在實(shí)踐檢驗(yàn)中宣告失敗。

（4）運(yùn)行程序、改進(jìn)優(yōu)化

機(jī)器人在運(yùn)行和調(diào)試過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題，比如機(jī)械抓手抓不住積木塊、機(jī)器人直行運(yùn)行下會(huì)出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)、積木塊堆疊不成功等等。出現(xiàn)這些問(wèn)題和狀況是很正常的，教師要引導(dǎo)學(xué)生從問(wèn)題出發(fā)，尋找方案和策略的優(yōu)化，在不斷試錯(cuò)中成長(zhǎng)，在不斷改進(jìn)中進(jìn)步。分析問(wèn)題時(shí)重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成分析歸納的好習(xí)慣，通過(guò)歸納發(fā)現(xiàn)問(wèn)題主要有三種：第一種是機(jī)械故障，比如零件松動(dòng)拼接不牢固，這樣可能導(dǎo)致重心不穩(wěn)直行偏轉(zhuǎn);第二種是結(jié)構(gòu)問(wèn)題，比如這個(gè)比賽任務(wù)，學(xué)生想盡可能多地堆疊積木塊，但是由于機(jī)械手設(shè)計(jì)的問(wèn)題并不能堆疊更多的積木塊;第三種是程序問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題是非常常見(jiàn)的，需要反復(fù)編譯調(diào)試。比如馬達(dá)、傳感器、控制器等任一模塊的參數(shù)變化，都會(huì)影響到整體運(yùn)行的實(shí)際效果。通過(guò)運(yùn)行、調(diào)試、優(yōu)化等過(guò)程，讓機(jī)械結(jié)構(gòu)和程序達(dá)到最優(yōu)化狀態(tài)。

（5）總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、遷移應(yīng)用

經(jīng)過(guò)反復(fù)運(yùn)行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)把19個(gè)積木塊一次性地收集并堆疊起來(lái)有困難，結(jié)構(gòu)搭建起來(lái)也比較復(fù)雜，在賽前短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)是不切實(shí)際的，所以退而求其次，采用側(cè)邊擺放的位置，以收集3條線的11個(gè)積木為標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)上采用車(chē)型結(jié)構(gòu)的小車(chē)來(lái)完成任務(wù)。在積木塊的收集上，采用夾子夾取積木塊的方式來(lái)進(jìn)行收集，因?yàn)槭嵌询B方式，所以需要控制夾子的抬升，于是采用了一個(gè)大型電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)，再加上兩個(gè)顏色傳感器來(lái)進(jìn)行精確定位。編程主要采用的是樂(lè)高編程軟件，小車(chē)的前進(jìn)后退左右轉(zhuǎn)動(dòng)，都是使用移動(dòng)槽模塊來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)?？刂谱ナ值膹堥_(kāi)和閉合是通過(guò)中型電機(jī)模塊來(lái)控制，抓手的上下抬升動(dòng)作是通過(guò)大型電機(jī)模塊來(lái)控制。學(xué)生在經(jīng)歷完整的項(xiàng)目任務(wù)后，體會(huì)了用計(jì)算機(jī)和機(jī)器人解決多學(xué)科任務(wù)的過(guò)程，在后期錄制比賽視頻時(shí)，將自己的切身體會(huì)清晰表達(dá)，是一個(gè)自我評(píng)價(jià)及反思的學(xué)習(xí)過(guò)程，在面對(duì)其他問(wèn)題時(shí)，也能將此類(lèi)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行遷移應(yīng)用。

四、結(jié)束語(yǔ)

在STEAM理念的引領(lǐng)下，發(fā)展小學(xué)生計(jì)算思維的機(jī)器人項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的實(shí)踐研究，重視學(xué)科整合的基本要求，充分體現(xiàn)了信息技術(shù)課堂打破時(shí)間空間限制的理念，讓技術(shù)學(xué)習(xí)與技術(shù)應(yīng)用互動(dòng)互聯(lián)，迎合了教材主題化、彈性化的設(shè)計(jì)理念。它是學(xué)校拓展性課程建設(shè)的具體落實(shí)與實(shí)施，也是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的有效路徑之一，同時(shí)，也為其他學(xué)科乃至其他學(xué)校特色拓展性課程的設(shè)計(jì)與實(shí)施提供了理論和實(shí)踐方面的借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2017.

[2]馮希冉.世界機(jī)器人奧林匹克競(jìng)賽對(duì)參賽學(xué)生影響的調(diào)查研究[D].上海：上海師范大學(xué)，2019.

[3]孫媛媛.中小學(xué)機(jī)器人課程的研究與開(kāi)發(fā)[D].北京：首都師范大學(xué)，2006.

[4]郁曉華，肖敏，王美玲，等.基于可視化編程的計(jì)算思維培養(yǎng)模式研究——兼論信息技術(shù)課堂中計(jì)算思維的培養(yǎng)[J].遠(yuǎn)程教育雜志，2017（6）：12-20.

[5]2020年杭州青少年科技活動(dòng)入口[EB/OL]. https：//kjj.qsng.cn/zxtz/2049249.jhtml.

（編輯：李曉萍）