倪正輝

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

關(guān)鍵詞：創(chuàng)客教育；計算思維；融合；機器人教學(xué)

中圖分類號：G434 文獻標志碼：B 文章編號：1673-8454（2017）02-0006-03

創(chuàng)客教育以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和解決問題的能力為核心，強調(diào)STEAM多學(xué)科的融合，創(chuàng)新精神具有通過實踐去發(fā)現(xiàn)問題，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?！爸挥邢氩坏剑瑳]有創(chuàng)客做不到”，實質(zhì)是對“發(fā)現(xiàn)問題和解決問題”兩方面的辯證反映。那如何既要想得到又要快速做得了呢？融合計算思維教育是個不錯的選擇。

計算思維[1]，“作為一個學(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，而且隨著計算工具、計算方法和人類整體思維能力的不斷進步而改變”[2]，經(jīng)過多年萌發(fā)，現(xiàn)猶如海嘯般正在教育界激蕩和蔓延，許多地區(qū)把計算思維作為技術(shù)課程的基礎(chǔ)理論和內(nèi)在核心價值加以引入，期望實現(xiàn)技術(shù)學(xué)科的穩(wěn)定性和核心性，并因此而展開了實踐探索。

一、 創(chuàng)客教育與計算思維

1. 計算思維教育是創(chuàng)客教育的一種載體

計算思維教育是一種“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“涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動”[4]的計算思維以發(fā)現(xiàn)問題和解決問題為立足點，如同所有人都具備“讀、寫、算”能力一樣，成為適合每個人的一類普適技能，其“思維教學(xué)的核心理念是培養(yǎng)聰明的學(xué)習(xí)者，教師不僅要教會學(xué)生如何解決問題，也要教會他們發(fā)現(xiàn)值得解決的問題”[5]，通過計算思維教育讓學(xué)生品味計算思維、提高計算思維、享用計算思維，讓“計算思維成為每一個人的技能組合成分，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。計算機科學(xué)家、圖靈獎得主艾茲格·迪杰斯特拉曾說過：“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)過程融于創(chuàng)造過程，實現(xiàn)基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)；能夠在創(chuàng)造過程中提升學(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)過程中，培養(yǎng)自己的批判性思維、創(chuàng)新思維與問題解決能力，實現(xiàn)全人發(fā)展”[8]。

從上述意義上說，計算思維教育是創(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)”，與計算機技術(shù)（信息技術(shù)）支持下的“適合每個人的普適技能”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.計算思維訓(xùn)練是創(chuàng)客教育的途徑之一

郭喜鳳教授等認為：計算思維源于并服務(wù)于由理論、技術(shù)、工程、工具、服務(wù)和應(yīng)用構(gòu)成的計算鏈，這一計算鏈以計算理論為始點，以計算應(yīng)用為終點，每一結(jié)點都將產(chǎn)生計算思維，從始點到終點的轉(zhuǎn)化構(gòu)成計算思維的工程化，從終點到始點的轉(zhuǎn)化構(gòu)成計算思維的抽象、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)生綜合實踐能力（目標）的一種工程教育（本質(zhì)）”[10]。

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

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

3.計算思維方法是創(chuàng)客教育的具體策略

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

用計算思維去發(fā)現(xiàn)問題和解決問題應(yīng)是每個人的基本技能，“計算思維應(yīng)把基礎(chǔ)和核心建立在經(jīng)驗、實證和教育之上，應(yīng)關(guān)注方法、實踐和實效”[11]，學(xué)生在分析問題任務(wù)、設(shè)計解決方案、實施項目任務(wù)的過程中，對“約簡、分離、轉(zhuǎn)化、仿真和應(yīng)用等”計算思維方法的大量組合應(yīng)用，實質(zhì)就是創(chuàng)客教育中的一個個具體實踐策略。

可見，計算思維方法是創(chuàng)客教育中實踐策略的具體化，是創(chuàng)客實踐策略的基礎(chǔ)，學(xué)生正是在這類劣構(gòu)問題場景下開始了基于創(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)客教育與計算思維教育的融合標志。

二、創(chuàng)客教育與計算思維教育的融合案例

課堂是創(chuàng)客教育與計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《機器人行走》一課的教學(xué)，例談計算思維與創(chuàng)客教育的融合應(yīng)用。

1.問題的約簡

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

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

通過對龐雜或復(fù)雜問題簡約化，降低問題難度，便于分析和解決問題，這就是計算思維的約簡。

2.關(guān)注點分離

能讓機器人按預(yù)設(shè)順序行走，體現(xiàn)機器人的“智能”，這是本課的一個具體化創(chuàng)客項目。維持創(chuàng)造動機是創(chuàng)客教育的標準件，為此我們借助場景，融合應(yīng)用了關(guān)注點分離方法。

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

如圖1場景：“機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，如果機器人要采集其中一種礦石用于加工，請以加工區(qū)為始點和終點，設(shè)計一個機器人行走方案”。這類場景學(xué)生極易上手，會有多種分離策略，如采集B礦石用“前進、后退和停止”分解策略，采集C礦石用“右轉(zhuǎn)彎、前進、后退和停止”分解策略等；各模塊的解，通過嘗試操作較易獲得，各模塊解的合成也無難度，即“機器人采礦行走方案實質(zhì)就是機器人前進、后退、轉(zhuǎn)彎和停止這四種基本形態(tài)及其組合方式”。

通過關(guān)注點分離，學(xué)生把任務(wù)場景演變成機器人的四種行走形態(tài)，從而順利橋接到已有的計算機設(shè)置技術(shù)，最終完成設(shè)計方案。

3.巧妙的轉(zhuǎn)化

把復(fù)雜問題轉(zhuǎn)化為能夠用計算機解決的形式，謂之轉(zhuǎn)化。這是創(chuàng)客教育中十分常用的一個計算思維方法。本課對轉(zhuǎn)彎內(nèi)容的處理就運用了轉(zhuǎn)化法。根據(jù)機器人兩輪驅(qū)動組合形態(tài)，即“左右同進、左右同退、左停右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)右停、左進右退、左退右進”共六種，分別設(shè)計對應(yīng)的六組轉(zhuǎn)彎策略，再用“機器人行走模擬演示工具”在計算機上實驗這六組策略，從而把實操場地上不易留存的轉(zhuǎn)彎軌跡，在屏幕上繪制成對應(yīng)的軌跡形態(tài)，進而歸類轉(zhuǎn)化成直觀形象圖，可視性強。（見圖2）

借助計算機工具有效顯示了機器人轉(zhuǎn)彎軌跡，使得動態(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，把抽象的邏輯思維轉(zhuǎn)化為直觀的形象思維，省時省力有實效。

4.驗證式仿真

一個創(chuàng)客項目，除計算工程中的“實現(xiàn)方法”外，還有“系統(tǒng)分析、方案設(shè)計”等其他配套環(huán)節(jié)，實施“機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”中的程序編程策略和“實現(xiàn)方法”中的算法優(yōu)化等內(nèi)容。為此增補了項目場景：如果機器人要采集到全部四種礦石才能進行加工，那這個行走方案該如何設(shè)計呢？

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

充分利用計算機模擬演示工具來仿真驗證策略方案，讓學(xué)生既享受結(jié)果，也享受過程，不減少探究體驗但能縮短探究過程，實現(xiàn)了過程與結(jié)果的動態(tài)平衡。在模擬仿真環(huán)境下，因沒有了機械傳動、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)健性更易得到驗證，同時干擾少了，學(xué)生也就更易專注于需求分析、策劃設(shè)計和算法優(yōu)化了。

5.實體化應(yīng)用

課至此時，整體上是在思辨及模擬操作，可謂“紙上談兵”，但實體項目中因受電力強弱、地面平整度等因素影響，行走策略的實現(xiàn)未必理想。讓學(xué)生身臨其境地參與求解過程，學(xué)以致用，避免只會解答理想模型而不能求解現(xiàn)實問題，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)客項目中（實體場地紙上）調(diào)試操作機器人，實證策略方案。

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

學(xué)生在探尋實體項目的解法中常會頻發(fā)狀況，實施情況可能并不理想，這很正常，但我們關(guān)注的重點應(yīng)是學(xué)生“計算思維應(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)化為計算機所能理解的符號模型，能否把現(xiàn)實事物轉(zhuǎn)化到信息世界，再把信息世界描述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到機器人世界等，后者需要關(guān)注學(xué)生思考探索問題的過程，關(guān)注學(xué)生和機器人協(xié)同解決問題的過程，關(guān)注學(xué)生對機器人執(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)悟人和計算機之間的辯證關(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，而計算機智能化程度越高，則人需關(guān)注之因素會減少，在問題求解過程中人與計算機是有不同分工的。

三、 結(jié)束語

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

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（編輯：郭桂真）