机器人教育培养小学生计算思维的可行性分析

方案及方法，培养学生的问题意识和设计思想，发展学生的创造力，形成科学态度，促进学生实践能力和社会责任感的提高[6]。机器人与人类日常生活日渐交融的背景下，科技教育的普及显得尤为重要，新兴技术的学习也不再停留在小范围里，编程、人工智能等科学技术不再是只能在高等学府或课外班才能接触到的事物，普通的中小课堂也应该让学生进行学习和体验。

2 机器人教育对学习者的影响

目前，课外科技小组、选修课、综合实践活动课、信息技术课等是我国中小学开展机器人教学活动的主要形式，让学生“做中学”，在做的过程中快乐地了解、掌握机器人知识。机器人课程涉及多学科知识的融合，意在培养学生的动手实践能力和团结协作能力，更深层次的目标是让学生逐步形成较完善的逻辑思维和问题解决意识，培养参与者对科技的兴趣，真正认识到智能机器人对社会进步与经济发展的作用，积极参加与当今科技发展紧密相关领域的各种课外活动。研究者开始关注机器人教育对于计算思维[7]（曹恒来）、科学素养[8]（王益）、工程意识及思维[9]（王荣良）、创新能力[10]（裘国永）等的培养，但研究或从宏观层面指出培养这些能力和素养的必要性，或从微观层面给出在竞赛或教学过程中的培养策略，并未进行实际的教学设计和实施，缺乏实践支持，让一线教师难以借鉴和实施。

机器人课程  机器人课程涉及多学科知识的融合，意在培养学生的动手实践能力和团结协作能力，更深层次的目标是培养学生的创新思维能力[11]。机器人教育综合了多学科的理论知识，是一个包容性强、可塑性强的学习内容，对计算思维概念的系统搭建和软硬件操作的实践能力都有一定要求。

计算思维能力  计算思维逐渐从计算机学科中分离出来，成为一种解决问题的通用范式，这一通用范式可在各学科应用，产生微观层面的具体实践应用要素[12]。计算思维能力的一种体现就是问题解决能力。张屹等[13]发现电脑游戏对于问题解决能力的提高有着积极作用。

信息化教育环境对培养学习者相关能力具有促进作用  郭守超等[14]通过在信息技术课堂上使用App Inventor工具解决实际问题的教学研究，发现学习者的计算思维能力得到有效培养。邓文博等[15]在高中阶段采用APP Inventor进行程序设计教学，并从作品新颖性、功能实用性、逻辑严密性、任务多样性的维度进行评价，发现学习者的创造性思维得到显著促进。

3 小学阶段机器人教育的教学实践

机器人作为教学内容进入中小学，通常是学校选择适用于参加各种机器人竞赛的器材，从厂商购入机器人套件，交由信息技术教师操作熟练并针对学习者进行教学设计，再引导学生逐步开展组装或编程的实践活动，然后通过选拔，带队参加机器人竞赛。在开阔小学生眼界的同时，激发学习兴趣，培养科学素养。

小学阶段机器人教育框架

1）教学目标。

①知识：了解和掌握以智能机器人为载体的通用技术与信息技术的基本知识和技能，了解技术的发展及其应用对人类生活和科学的深刻影响。

②能力：能进行机器人程序设计与编写，能拼装多种具有实用功能的机器人，能进行机器人及智能家电的使用维护，能自主开发软件机器人。

③情感：培养对人工智能技术的兴趣，真正认识到智能机器人对社会进步与经济发展的作用，在机器人相关竞赛等各种课外活动中有获得感。

2）教学内容。

模块一：机器人概况，树立促进计算思维发展的教学理念。

模块二：机器人编程，确立利于计算思维形成的学习目标。

模块三：机器人硬件，设计与实际问题相结合的学习任务。

模块四：机器人应用，实施可培养计算思维的多元化评价。

Labplus软件简介  Labplus的操作界面由四个模块组成：其一是顶部的控制栏，在项目实施具体的操作前完成项目的新建或导入，并选择外接设备的类型;其二是作为效果预览的舞台，展示角色的运动和动作;其三是角色管理与创建舞台背景的模块，便于创建和选中目标角色;其四是可视化编程模块，包括脚本、造型、声音相关的具体控制内容。舞台上角色的运动不需要连接外部的交互式机器人，而脚本中的部分指令与外部设备传来的数据紧密相关，具体内容将结合案例的呈现，首先对可视化编程模块包含的功能做简要介绍，如表1所示。在使用该程序时，可以根据教学目标灵活安排课堂流程，多维度地锻炼学习者的计算思维能力。

交互式可编程初级实验箱简介  交互式可编程初级实验箱对低年级学习者较有吸引力，可以通过简易的交互较好地保证课堂的参与感，学习者在程序设计和机器人实操过程中，集中注意力、理清思路、分析问题、发散思维，以及发展对知识的综合运用能力和对真实生活问题的理解能力，并且在解决问题的过程中不断测试、优化方案的逻辑[16]。本次实践所用盛思创客学习套装，该产品的交互式可编程初级实验箱适用于初级入门学习者，通过USB与电脑相连，可模拟多种场景，配套Labplus软件进行Scratch编程和传感器学习。交互式可编程初级实验箱为一体化结构，集成了多种满足交互的传感器及输出装置，具体内容见表2。

教学实践过程  设计制作智能风扇，实现人体靠近则风扇转动，人走则风扇停止。首先进行设备连接，将交互式可编程初级实验箱连接到笔记本电脑上，打开Labplus软件，完成连接调试;然后设计程序，引导学生解决问题，并完成代码模块的编排;最后调试程序，实验成功后进行课堂回顾。学生对实现一个目标有了较明确的步骤划分，解决问题时知道操作有先有后，因果逻辑逐渐明朗。

4 结语

智慧教室环境下学习者的学习方式更加多样化，在该环境下的教学不仅能提供知识和感官刺激，而且能为学习者提供更多交流互动、思维训练、应用与迁移的机会[17]。在中小学生进行高阶机器人控制实操之前，完成初级的交互式操作和编程思维训练是非常必要的，通过这种方式可以主动引导练习来提高调试程序的效率，并在进一步的深入学习中尽可能地降低错误程序对实物机器人的损害，循序渐进，实现机器人教育资源的效益最大化。通过简单的程序操作和物理电路连接，培养学生的计算思维能力，挖掘学生潜能，促进学生全面发展。

参考文献

[1]张国民，张剑平.课程视角下的机器人竞赛辅导研究[J].中国电化教育，2008（11）：92-94.

[2]王改霞，朴姬顺.国内机器人教育研究发展综述[J].中国教育信息化：基础教育，2012（6）：14-17.

[3]水下机器人世界杯：我校力捧“大力神”[DB/OL].http：//gongxue.cn/news/2018/201808/news_193003.html.

[4]刘战合，田秋丽，王晓璐，等.复杂专业背景下无人机系统课程精细化教学探索[J].教育教学论坛，2018（4）：226-227.

[5]郭沅东.关于人工智能的哲学思考[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2017.

[6]中小学机器人课程指导纲要（征求意见稿）[DB/OL].http：///content/11/0410/20/1658863_108674104.shtml.

[7]曹恒来，陈宏斌，钮洪斌，等.基于计算思维的小学程序設计教学研究与实践[J].中小学信息技术教育，2016（12）：39-42.

[8]王益.STS教育视野下的机器人教育问题研究[D].浙江：浙江师范大学，2007.

[9]王荣良.机器人教育对学生工程意识培养的意义与作用[J].新课程研究：基础教育，2009（1）：99-100.

[10]裘国永，李玉红.中学VEX机器人教育的PBL教学模式探索及影响分析[J].现代中小学教育，2017，33（7）：70-75.

[11]彭绍东.论机器人教育（下）[J].电化教育研究，2002（7）：16-19.

[12]Sanford J F， Naidu J T. Computational thinking concepts for grade school[J].Contemporary Issues in Education Research，2016，9（1）：23-31.

[13]张屹，董学敏，陈蓓蕾，等.智慧教室环境下的APT教学对小学生问题提出与问题解决能力的培养研究[J].中国电化教育，2018（4）：57-65.

[14]郭守超，周睿，邓常梅，等.基于App Inventor和计算思维的信息技术课堂教学研究[J].中国电化教育，2014（3）：91-96.

[15]邓文博，张文兰.基于APP Inventor培养中学生创造性思维的设计研究[J].电化教育研究，2015（8）：95-99.

[16]王小威.促进创造力发展的青少年机器人教育研究[D].武汉：华中师范大学，2011.

[17]周平红，张屹，杨乔柔，等.智慧教室中小学生协同知识建构课堂话语分析：以小学科学课程为例[J].电化教育研究，2018，39（1）：20-28.

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