倪正輝

（江蘇省啟東實(shí)驗(yàn)小學(xué)，江蘇 啟東226200）

機(jī)器人教學(xué)中創(chuàng)客教育與計(jì)算思維的融合探索*

倪正輝

（江蘇省啟東實(shí)驗(yàn)小學(xué)，江蘇 啟東226200）

基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)過(guò)程中融合計(jì)算思維，吻合創(chuàng)客教育的全人發(fā)展理念；計(jì)算思維教育是創(chuàng)客教育的一種載體，計(jì)算思維訓(xùn)練是創(chuàng)客教育的途徑之一，計(jì)算思維方法是創(chuàng)客教育的具體實(shí)踐策略，擁有計(jì)算思維是創(chuàng)客的一種存在境界；文章例談了創(chuàng)客教育與計(jì)算思維融合的實(shí)踐案例。

創(chuàng)客教育；計(jì)算思維；融合；機(jī)器人教學(xué)

創(chuàng)客教育以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和解決問(wèn)題的能力為核心，強(qiáng)調(diào)STEAM多學(xué)科的融合，創(chuàng)新精神具有通過(guò)實(shí)踐去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并努力探尋解決方案的含義，體現(xiàn)出積極向上的生活態(tài)度?！爸挥邢氩坏?，沒(méi)有創(chuàng)客做不到”，實(shí)質(zhì)是對(duì)“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題”兩方面的辯證反映。那如何既要想得到又要快速做得了呢？融合計(jì)算思維教育是個(gè)不錯(cuò)的選擇。

計(jì)算思維[1]，“作為一個(gè)學(xué)術(shù)詞匯出現(xiàn)得較晚，但其作為人類思維方式的組成成分很早就存在，而且隨著計(jì)算工具、計(jì)算方法和人類整體思維能力的不斷進(jìn)步而改變”[2]，經(jīng)過(guò)多年萌發(fā)，現(xiàn)猶如海嘯般正在教育界激蕩和蔓延，許多地區(qū)把計(jì)算思維作為技術(shù)課程的基礎(chǔ)理論和內(nèi)在核心價(jià)值加以引入，期望實(shí)現(xiàn)技術(shù)學(xué)科的穩(wěn)定性和核心性，并因此而展開了實(shí)踐探索。

一、創(chuàng)客教育與計(jì)算思維

1.計(jì)算思維教育是創(chuàng)客教育的一種載體

計(jì)算思維教育是一種“普適教育”。“教育的本質(zhì)是人自身的發(fā)展”[3]，而人的發(fā)展需要高品質(zhì)的思維，作為“涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)”[4]的計(jì)算思維以發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題為立足點(diǎn)，如同所有人都具備“讀、寫、算”能力一樣，成為適合每個(gè)人的一類普適技能，其“思維教學(xué)的核心理念是培養(yǎng)聰明的學(xué)習(xí)者，教師不僅要教會(huì)學(xué)生如何解決問(wèn)題，也要教會(huì)他們發(fā)現(xiàn)值得解決的問(wèn)題”[5]，通過(guò)計(jì)算思維教育讓學(xué)生品味計(jì)算思維、提高計(jì)算思維、享用計(jì)算思維，讓“計(jì)算思維成為每一個(gè)人的技能組合成分，而不僅僅限于科學(xué)家”[6]。

創(chuàng)客教育是一種“基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)”[7]的全人發(fā)展教育。計(jì)算機(jī)科學(xué)家、圖靈獎(jiǎng)得主艾茲格·迪杰斯特拉曾說(shuō)過(guò)：“我們所使用的工具影響著我們的思維方式和思維習(xí)慣，從而也將深刻地影響著我們的思維能力”，創(chuàng)客教育是信息技術(shù)常態(tài)化有效應(yīng)用的一種階段外顯形態(tài)，旨在“借助技術(shù)工具與資源讓學(xué)生能夠?qū)W(xué)習(xí)過(guò)程融于創(chuàng)造過(guò)程，實(shí)現(xiàn)基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)；能夠在創(chuàng)造過(guò)程中提升學(xué)科學(xué)習(xí)質(zhì)量，尤其是提升科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)、藝術(shù)等學(xué)科學(xué)習(xí)中的自信、創(chuàng)造力與興趣；能夠全身心投入到基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)過(guò)程中，培養(yǎng)自己的批判性思維、創(chuàng)新思維與問(wèn)題解決能力，實(shí)現(xiàn)全人發(fā)展”[8]。

從上述意義上說(shuō)，計(jì)算思維教育是創(chuàng)客教育的一種載體，“人類最基本學(xué)習(xí)方式的基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)”，與計(jì)算機(jī)技術(shù)（信息技術(shù)）支持下的“適合每個(gè)人的普適技能”的融合，是創(chuàng)新人的學(xué)習(xí)工作生活方式等行為方式的一種形態(tài)，創(chuàng)客教育與計(jì)算思維教育的融合，昭示著學(xué)生已從創(chuàng)新出發(fā)，而不是開始走向創(chuàng)新。

2.計(jì)算思維訓(xùn)練是創(chuàng)客教育的途徑之一

郭喜鳳教授等認(rèn)為：計(jì)算思維源于并服務(wù)于由理論、技術(shù)、工程、工具、服務(wù)和應(yīng)用構(gòu)成的計(jì)算鏈，這一計(jì)算鏈以計(jì)算理論為始點(diǎn)，以計(jì)算應(yīng)用為終點(diǎn)，每一結(jié)點(diǎn)都將產(chǎn)生計(jì)算思維，從始點(diǎn)到終點(diǎn)的轉(zhuǎn)化構(gòu)成計(jì)算思維的工程化，從終點(diǎn)到始點(diǎn)的轉(zhuǎn)化構(gòu)成計(jì)算思維的抽象、升華和理論化[9]。 現(xiàn)階段“創(chuàng)客教育是在創(chuàng)客空間（環(huán)境）中開展的培養(yǎng)青少年創(chuàng)客（目的）的一種教育類型，是以造物（手段）的形式培養(yǎng)學(xué)生綜合實(shí)踐能力（目標(biāo)）的一種工程教育（本質(zhì)）”[10]。

創(chuàng)客教育的實(shí)踐是從始點(diǎn)到終點(diǎn)的轉(zhuǎn)化，是計(jì)算思維工程化的體現(xiàn)；創(chuàng)客教育的課程是從終點(diǎn)到始點(diǎn)的轉(zhuǎn)化，雖然現(xiàn)實(shí)層面上的課程體系尚未形成，但是完善的課程體系不是簡(jiǎn)單的產(chǎn)品操作說(shuō)明書，而是始于應(yīng)用終于理論的套件系列，創(chuàng)客教育課程是計(jì)算思維理論化的體系形式之一。

可見，計(jì)算思維工程化是創(chuàng)客教育的一種實(shí)踐形態(tài)，工程化過(guò)程中的計(jì)算思維訓(xùn)練是創(chuàng)客教育的途徑之一，它既讓創(chuàng)客教育的實(shí)踐具有了可操作性，又讓創(chuàng)客教育的教程得以條理化，計(jì)算思維教育既可助力創(chuàng)客教育課程的體系形成，又可促進(jìn)創(chuàng)客教育理論的深入研究。

3.計(jì)算思維方法是創(chuàng)客教育的具體策略

一個(gè)創(chuàng)客項(xiàng)目一般都含有內(nèi)涵復(fù)雜、相互關(guān)聯(lián)的若干個(gè)任務(wù)，雖然有可能包含一些良構(gòu)問(wèn)題，按程序性思維就能解決，但更多的是場(chǎng)景不明、影響因素模糊且解決問(wèn)題的線索不易找到的劣構(gòu)問(wèn)題，也許還包括一些帶有個(gè)性立場(chǎng)和感情色彩的爭(zhēng)點(diǎn)問(wèn)題。

用計(jì)算思維去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題應(yīng)是每個(gè)人的基本技能，“計(jì)算思維應(yīng)把基礎(chǔ)和核心建立在經(jīng)驗(yàn)、實(shí)證和教育之上，應(yīng)關(guān)注方法、實(shí)踐和實(shí)效”[11]，學(xué)生在分析問(wèn)題任務(wù)、設(shè)計(jì)解決方案、實(shí)施項(xiàng)目任務(wù)的過(guò)程中，對(duì)“約簡(jiǎn)、分離、轉(zhuǎn)化、仿真和應(yīng)用等”計(jì)算思維方法的大量組合應(yīng)用，實(shí)質(zhì)就是創(chuàng)客教育中的一個(gè)個(gè)具體實(shí)踐策略。

可見，計(jì)算思維方法是創(chuàng)客教育中實(shí)踐策略的具體化，是創(chuàng)客實(shí)踐策略的基礎(chǔ)，學(xué)生正是在這類劣構(gòu)問(wèn)題場(chǎng)景下開始了基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)，形成的創(chuàng)造性作品是創(chuàng)客存在境界的一種外顯，儼然就是創(chuàng)客教育與計(jì)算思維教育的融合標(biāo)志。

二、創(chuàng)客教育與計(jì)算思維教育的融合案例

課堂是創(chuàng)客教育與計(jì)算思維教育融合的常見陣地，以下結(jié)合蘇科版小學(xué)信息技術(shù)教材中 《機(jī)器人行走》一課的教學(xué)，例談?dòng)?jì)算思維與創(chuàng)客教育的融合應(yīng)用。

1.問(wèn)題的約簡(jiǎn)

激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造興趣，讓學(xué)生有信心參與創(chuàng)造過(guò)程是創(chuàng)客教育的標(biāo)配。教材配套了“后兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)”的三角形智能機(jī)器人，它貌似普通的玩具小車，學(xué)生初見時(shí)有點(diǎn)不屑一顧，而當(dāng)要求通過(guò)編程來(lái)指揮機(jī)器人行走時(shí)，馬上滿臉充滿興奮，苦于沒(méi)有頭緒，不知如何來(lái)“玩”。

“把一個(gè)看來(lái)困難的問(wèn)題重新闡釋成一個(gè)我們知道怎樣解決的問(wèn)題”[12]，這是計(jì)算思維的基本構(gòu)件，培養(yǎng)學(xué)生逐步養(yǎng)成這一思維習(xí)慣此時(shí)正是時(shí)候。行走問(wèn)題實(shí)際上就是個(gè)典型的可計(jì)算問(wèn)題，可先讓學(xué)生觀看月球車落月后行走的一段視頻，然后問(wèn)：“月球車行走了多少距離？”，通過(guò)整合數(shù)學(xué)知識(shí)，學(xué)生極易明白“速度與時(shí)間”是獲取月球車行走距離的兩大核心要素，于是機(jī)器人行走問(wèn)題，學(xué)生也就很自然地簡(jiǎn)約成計(jì)算機(jī)技術(shù)了：編程指揮機(jī)器人行走，只需設(shè)置行走的速度和時(shí)間。

通過(guò)對(duì)龐雜或復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)約化，降低問(wèn)題難度，便于分析和解決問(wèn)題，這就是計(jì)算思維的約簡(jiǎn)。

2.關(guān)注點(diǎn)分離

能讓機(jī)器人按預(yù)設(shè)順序行走，體現(xiàn)機(jī)器人的 “智能”，這是本課的一個(gè)具體化創(chuàng)客項(xiàng)目。維持創(chuàng)造動(dòng)機(jī)是創(chuàng)客教育的標(biāo)準(zhǔn)件，為此我們借助場(chǎng)景，融合應(yīng)用了關(guān)注點(diǎn)分離方法。

關(guān)注點(diǎn)分離就是將復(fù)雜系統(tǒng)，用合適方法分解成多個(gè)模塊（階段），然后再逐一針對(duì)各模塊特征，找出各自解決方法，最終解決整個(gè)系統(tǒng)問(wèn)題；如庖丁解牛般在關(guān)節(jié)點(diǎn)分割，其應(yīng)用模式一般分3步：①問(wèn)題分離策略，②各模塊分別求解，③合成各模塊的解。

如圖1場(chǎng)景：“機(jī)器人位于中間的礦石加工區(qū)E區(qū)域，A、B、C、D四種礦石分布在四周區(qū)域，如果機(jī)器人要采集其中一種礦石用于加工，請(qǐng)以加工區(qū)為始點(diǎn)和終點(diǎn)，設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器人行走方案”。這類場(chǎng)景學(xué)生極易上手，會(huì)有多種分離策略，如采集B礦石用“前進(jìn)、后退和停止”分解策略，采集C礦石用“右轉(zhuǎn)彎、前進(jìn)、后退和停止”分解策略等；各模塊的解，通過(guò)嘗試操作較易獲得，各模塊解的合成也無(wú)難度，即“機(jī)器人采礦行走方案實(shí)質(zhì)就是機(jī)器人前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎和停止這四種基本形態(tài)及其組合方式”。

圖1 礦區(qū)場(chǎng)景圖

通過(guò)關(guān)注點(diǎn)分離，學(xué)生把任務(wù)場(chǎng)景演變成機(jī)器人的四種行走形態(tài)，從而順利橋接到已有的計(jì)算機(jī)設(shè)置技術(shù)，最終完成設(shè)計(jì)方案。

3.巧妙的轉(zhuǎn)化

把復(fù)雜問(wèn)題轉(zhuǎn)化為能夠用計(jì)算機(jī)解決的形式，謂之轉(zhuǎn)化。這是創(chuàng)客教育中十分常用的一個(gè)計(jì)算思維方法。本課對(duì)轉(zhuǎn)彎內(nèi)容的處理就運(yùn)用了轉(zhuǎn)化法。根據(jù)機(jī)器人兩輪驅(qū)動(dòng)組合形態(tài)，即“左右同進(jìn)、左右同退、左停右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)右停、左進(jìn)右退、左退右進(jìn)”共六種，分別設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的六組轉(zhuǎn)彎策略，再用“機(jī)器人行走模擬演示工具”在計(jì)算機(jī)上實(shí)驗(yàn)這六組策略，從而把實(shí)操場(chǎng)地上不易留存的轉(zhuǎn)彎軌跡，在屏幕上繪制成對(duì)應(yīng)的軌跡形態(tài)，進(jìn)而歸類轉(zhuǎn)化成直觀形象圖，可視性強(qiáng)。（見圖2）

圖2 轉(zhuǎn)彎軌跡圖

借助計(jì)算機(jī)工具有效顯示了機(jī)器人轉(zhuǎn)彎軌跡，使得動(dòng)態(tài)事物靜態(tài)化，順應(yīng)了小學(xué)生形象思維為主，初步的邏輯思維為輔的思維特點(diǎn)，把抽象的邏輯思維轉(zhuǎn)化為直觀的形象思維，省時(shí)省力有實(shí)效。

4.驗(yàn)證式仿真

一個(gè)創(chuàng)客項(xiàng)目，除計(jì)算工程中的“實(shí)現(xiàn)方法”外，還有“系統(tǒng)分析、方案設(shè)計(jì)”等其他配套環(huán)節(jié)，實(shí)施“機(jī)器人按人的要求行走”，至少應(yīng)當(dāng)包括“系統(tǒng)分析”中的行走路徑規(guī)劃、“方案設(shè)計(jì)”中的程序編程策略和“實(shí)現(xiàn)方法”中的算法優(yōu)化等內(nèi)容。為此增補(bǔ)了項(xiàng)目場(chǎng)景：如果機(jī)器人要采集到全部四種礦石才能進(jìn)行加工，那這個(gè)行走方案該如何設(shè)計(jì)呢？

創(chuàng)客教育與計(jì)算思維融合的特征之一，就是“能夠發(fā)現(xiàn)、提出可用計(jì)算機(jī)解決的問(wèn)題，能夠自主分析問(wèn)題，并能探索解決問(wèn)題的途徑和方法”。本例中，先設(shè)計(jì)機(jī)器人行走路徑策略，后討論程序編程策略，如前進(jìn)距離、轉(zhuǎn)彎大小等，再通過(guò)思辨和仿真演練，進(jìn)行算法優(yōu)化，如優(yōu)化為順時(shí)針轉(zhuǎn)個(gè)大彎 （轉(zhuǎn)一大圈分別經(jīng)過(guò)C、D、A、B區(qū)域）后停下等。

充分利用計(jì)算機(jī)模擬演示工具來(lái)仿真驗(yàn)證策略方案，讓學(xué)生既享受結(jié)果，也享受過(guò)程，不減少探究體驗(yàn)但能縮短探究過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了過(guò)程與結(jié)果的動(dòng)態(tài)平衡。在模擬仿真環(huán)境下，因沒(méi)有了機(jī)械傳動(dòng)、摩擦力等因素的影響，所以，工程化方案主體的支撐性和穩(wěn)健性更易得到驗(yàn)證，同時(shí)干擾少了，學(xué)生也就更易專注于需求分析、策劃設(shè)計(jì)和算法優(yōu)化了。

5.實(shí)體化應(yīng)用

課至此時(shí)，整體上是在思辨及模擬操作，可謂“紙上談兵”，但實(shí)體項(xiàng)目中因受電力強(qiáng)弱、地面平整度等因素影響，行走策略的實(shí)現(xiàn)未必理想。讓學(xué)生身臨其境地參與求解過(guò)程，學(xué)以致用，避免只會(huì)解答理想模型而不能求解現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，這是教學(xué)使然，因此，教學(xué)的應(yīng)然是讓學(xué)生在具體創(chuàng)客項(xiàng)目中（實(shí)體場(chǎng)地紙上）調(diào)試操作機(jī)器人，實(shí)證策略方案。

原型制作（實(shí)體化應(yīng)用），從思維過(guò)程化的角度看，計(jì)算思維源存在于一個(gè)“以計(jì)算理論為始點(diǎn)，以計(jì)算應(yīng)用為終點(diǎn)”的計(jì)算思維生存周期中，從創(chuàng)客教育角度看，創(chuàng)造是一個(gè)需要全身心投入的復(fù)雜過(guò)程，本環(huán)節(jié)不但是學(xué)生領(lǐng)悟這一道理的極佳時(shí)機(jī)，而且也是創(chuàng)客教育中不可或缺的一個(gè)組成部分。

學(xué)生在探尋實(shí)體項(xiàng)目的解法中常會(huì)頻發(fā)狀況，實(shí)施情況可能并不理想，這很正常，但我們關(guān)注的重點(diǎn)應(yīng)是學(xué)生“計(jì)算思維應(yīng)用”與“創(chuàng)造的學(xué)習(xí)”之間的融合狀況，前者需要關(guān)注學(xué)生能否將事物模型逐步轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)所能理解的符號(hào)模型，能否把現(xiàn)實(shí)事物轉(zhuǎn)化到信息世界，再把信息世界描述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到機(jī)器人世界等，后者需要關(guān)注學(xué)生思考探索問(wèn)題的過(guò)程，關(guān)注學(xué)生和機(jī)器人協(xié)同解決問(wèn)題的過(guò)程，關(guān)注學(xué)生對(duì)機(jī)器人執(zhí)行程序后反饋結(jié)果的處理方法等，兩者融合層面上，要讓學(xué)生領(lǐng)悟人和計(jì)算機(jī)之間的辯證關(guān)系，明白人之思維越深入模型構(gòu)建越合理，則具體方案可行性越強(qiáng)，而計(jì)算機(jī)智能化程度越高，則人需關(guān)注之因素會(huì)減少，在問(wèn)題求解過(guò)程中人與計(jì)算機(jī)是有不同分工的。

三、結(jié)束語(yǔ)

基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)過(guò)程中融合計(jì)算思維，吻合創(chuàng)客教育的全人發(fā)展理念；計(jì)算思維教育能夠培養(yǎng)學(xué)生像計(jì)算機(jī)科學(xué)家那樣，用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題；創(chuàng)客教育和計(jì)算思維教育的融合是可行和有效的；把計(jì)算思維培養(yǎng)成每位學(xué)生的基本技能，不可能一蹴而就，而應(yīng)當(dāng)貫穿于整個(gè)教學(xué)體系之中。

[1][4][6][12]周以真.計(jì)算思維[J].中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)通訊,2007,3(11):83-85.

[2]張東生,季超.從形象思維到計(jì)算思維[J].計(jì)算機(jī)教育,2012,(19):6-11.

[3]張?jiān)妬?論教育發(fā)展從以物為中心到以人為中心的轉(zhuǎn)換[J].教育評(píng)論,2001,(2):4-7.

[5]斯滕伯格.思維教學(xué)——培養(yǎng)聰明的學(xué)習(xí)者[M].北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社.2001.

[7][8]鄭燕林,李盧一.技術(shù)支持的基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)——美國(guó)中小學(xué)創(chuàng)客教育的內(nèi)涵、特征與實(shí)施路徑[J].開放教育研究,2014,(6):42-49.

[9]郭喜鳳,孫兆豪,趙喜清.論計(jì)算思維工程化的層次結(jié)構(gòu)[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2009,(4):64-67.

[10]鐘柏昌.談創(chuàng)客教育的背景、本質(zhì)、形式與支持系統(tǒng)[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2016,(6):13-19.

[11]王飛躍.從計(jì)算思維到計(jì)算文化[J].中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)通訊,2007,3(11):78-82.

（編輯：郭桂真）

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1673-8454（2017）02-0006-03

*本文系江蘇省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2015年度普教重點(diǎn)自籌課題“江蘇農(nóng)村學(xué)校常態(tài)化有效應(yīng)用信息技術(shù)的實(shí)踐研究”的案例成果之一，課題編號(hào)：B-b/2015/02/202。