林達春

（廣東省佛山市順德區(qū)杏壇梁銶琚初級中學，廣東佛山 528325）

一、引言

在信息飛速傳播和發(fā)展的今天，“人工智能+”逐步取代“互聯(lián)網(wǎng)+”滲透到社會的各行各業(yè)，計算思維被視為21世紀兒童的一項關鍵技能。近年來，世界各國相繼將“計算思維”(Computational Thinking，簡稱CT)培養(yǎng)納入到信息技術及其它課程教學框架[1]?！坝嬎闼季S”作為信息技術學科四大核心素養(yǎng)之一,教育工作者更加重視它所激發(fā)與促進的創(chuàng)造力、合作精神與問題解決能力?？ǚ柕热耍↘afai et al.，2014）呼吁教學重點轉向計算參與（Computational Participation），強調需要引導學生開發(fā)有用的應用程序、構建良好的社區(qū)，關注學生喜歡的重用（Remix）行為，以及各類實體化（Tangibles）的電子制品[2]。編程無疑是培養(yǎng)學生的問題解決能力、發(fā)展思維能力有力的切入點。為此，本文探索了創(chuàng)新編程思維的培養(yǎng)模式和實踐，來提升學生的思維能力，培養(yǎng)學生的計算思維。

二、創(chuàng)新編程思維的培養(yǎng)模式

2019年3月，教育部新印發(fā)的《2019年教育信息化和網(wǎng)絡安全工作要點》中指出，計劃對2萬名義務教育階段學生進行信息素養(yǎng)評測，推動在中小學階段設置人工智能(AI)相關課程[3]，逐步推廣編程教育。這個工作要點把編程教育上升到國家政策層面，這也從側面反映出，編程教育將是未來教育的一個重要發(fā)展方向。

編程教育已在全球人才戰(zhàn)略上占領一席之地[4]，國家也如此重視編程教育，但仍然有很多家長認為編程就是坐在計算機前敲打代碼，孩子很有可能將來不是從事編程或者與編程相關的工作，學習編程的用處不大。這其實是對編程的誤解，編程教育核心不是傳授技能，而是培養(yǎng)思維方式[5]。編程并不僅僅教授孩子計算機語言，而是通過賦予孩子在動手設計代碼的過程中掌握數(shù)字時代里解決問題和創(chuàng)新的能力[6]。如果把編程說成是一種工具，那中小學編程就是培養(yǎng)學生創(chuàng)造性思維的工具，因為編程的學習內容幾乎涵蓋所有的教育目標，例如：邏輯思維能力、抽象思維能力、專注力、記憶力、問題解決能力、創(chuàng)造力等?，F(xiàn)在中小學編程的學習方式很多，都注重如何培養(yǎng)學生編程思維，并且隨著圖形化編程的引入，學生學習編程的成本大幅下降，編程學習也一改以往枯燥呆板的印象，學習方式趨于趣味化。

編程思維不僅僅包含解決問題的技能，更包含了一種想象的方法，從具象到抽象。對于新接觸編程的孩子來說，起初總要先經歷一段從無到有的過程，而編程教育獨特性在于其如同動手搭積木一般的創(chuàng)造性過程，需要對藍圖、流程的概念化理解，考驗學生將大程序分解成中小模塊的能力，以此從小培養(yǎng)孩子的邏輯和設計思維[7]。開展編程教育，呈現(xiàn)編程學習方式的多樣性和趣味性，解決學習和生活遇到的問題的實例，就是同時擁有幫助孩子深度學習其他學科和解決問題的能力，用創(chuàng)造程序的邏輯方式解決實際問題，持續(xù)學習新的技術、語言和其他科學學科[8]。由此，筆者采用科學研究的基本邏輯模式“分析問題——提出問題——解決問題——持續(xù)改進”，來培養(yǎng)孩子的創(chuàng)新編程思維能力（如下圖）。

創(chuàng)新編程思維培養(yǎng)模式

三、創(chuàng)新編程思維培養(yǎng)的實踐活動

筆者以指導學生參加超級軌跡賽為例，闡明如何采用創(chuàng)新編程思維培養(yǎng)模式來培養(yǎng)學生的編程思維。

在第二十屆全國中小學電腦制作活動中，超級軌跡賽是集競速和做任務于一體的機器人比賽項目，在隨機場地上擺放著若干任務，機器人必須按照場地的線路，順序完成在場地上的任務。機器人巡線過程和完成任務的過程都必須有選手根據(jù)現(xiàn)場情況完成自主編程，并且要保證成功率，還要保證速度足夠快，所以比賽要求選手具備超強編程能力和現(xiàn)場應變能力。超級軌跡賽正好契合了國家推廣編程教育的大方向。

（一）化整為零，再化零為整，培養(yǎng)問題解決思維

在央館發(fā)布比賽規(guī)則后，筆者及時跟學生一起研究，把超級軌跡賽的規(guī)則劃分為若干個小任務，并歸類。依據(jù)2018年的比賽規(guī)則，任務根據(jù)難易程度來劃分，分為低難度、中難度和高難度。其中“國家交流”“海洋探測”和“驛站”，這類任務僅需要播放國家名字、在屏幕顯示相應顏色和更換裝備即可，屬于難度較低的任務。對于“走出國門”“開辟道路”“修建鐵路”“互惠互利”，這些任務都需要機器人做一些較為精細的動作，但不需要輔助結構即可完成，可歸類為中難度任務。而“貨品交易”這類任務，則需要機器人攜帶貨品從起始位置出發(fā)，順利將貨品放到易貨區(qū)的天平上，并使天平往貨品一端傾斜（以秤托的高度判定向哪一方傾斜）。任務過程中道具被破壞或者被撞倒，任務將判定失敗。完成此任務的關鍵在于設計拼裝出一個輔助機械結構，用于把“貨品”穩(wěn)妥的放進天平托盤里，為高難度任務。這樣歸類后任務就明朗了：低難度任務直接用控制器完成任務，中難度任務在車頭安裝一條橫桿，增大推動的接觸范圍，高難度任務需要搭建輔助結構。在不考慮高難度任務的情況下，通過化整為零，分析各個任務，然后再通盤考慮，化零為整，設計出一個小車搭建的整體方案

（二）一題多解，尋求最優(yōu)方案，培養(yǎng)最優(yōu)化思維

超級軌跡競賽規(guī)則發(fā)布后，通常廠家會接著發(fā)布參考方案，參考方案中完成高難度任務“貨品交易”是使用類似拋石機一樣的結構，但筆者發(fā)現(xiàn)這種結構并不穩(wěn)定，砝碼容易在拋過天平的時候掉下來，因而需要對參考方案進行修改，甚至要重新設計結構。在方案改善過程中，教師和學生一起研究，模擬手動放砝碼進天平，發(fā)現(xiàn)只有垂直放砝碼是最穩(wěn)定的。因此必須要設計能夠垂直放砝碼的機械結構，但由于車身限定了出發(fā)時的寬度，出發(fā)后可以自由伸展。競賽團隊想到了設計一個能夠伸展的機械結構，把砝碼穩(wěn)妥放到天平托盤上，從而擺脫被廠家“拋石機”思路牽絆的困境。這種方案在當年是最先進的方案之一。

通過一個任務，嘗試多種解決方法并不斷改善，最終獲得最優(yōu)的解決方法的過程非常難得。在日常編程中，這種最優(yōu)化的思維對于孩子用于機器人項目問題解決上更加可貴。所以筆者時常鼓勵學生跳出局限，多渠道多角度去尋求問題解決的方法，逐漸培養(yǎng)孩子的最優(yōu)化編程思維。

（三）探索容錯機制，培養(yǎng)容錯思維

按照預設的方案，學生是可以完成編程的，但學生未必能發(fā)揮如意；比賽中的失誤也可能導致任務失敗。那怎么才能避免意外情況發(fā)生呢？筆者認為需要設計容錯機制，因而平時學生在學習機器人的時候必須要有個容錯的理念。例如在“海洋探測”任務中，檢測完海洋資源顏色后機器人需要重新回到線上，繼續(xù)后續(xù)任務。學生經過多次訓練，發(fā)現(xiàn)方案不穩(wěn)定，在機器人走過海洋后，有時在線的左側，有時在線的右側，有時僅僅偏離一點點，有時偏離得比較多，這種不確定性極大打擊了學生的自信。針對這種情況，容錯機制可以依據(jù)如下的思路：不管機器人偏哪邊和偏多少，都在回線前先往左轉一定的角度，這個角度足以保證機器人每次都是在線左邊，這樣可以避免出現(xiàn)變量，然后再用轉彎，讓機器人返回到線上。這個思維就是容錯思維，把機器人出現(xiàn)不確定的變量，變成一個確定的定量，只需要考慮這個定量如何處理即可。

（四）細心觀察，發(fā)現(xiàn)漏洞，提升思維的嚴謹度

沒有完美的程序，也沒有完美的方案，所以在訓練中，必須教會學生要學會細心觀察，發(fā)現(xiàn)漏洞，及時補漏洞，這也是編程思維中的重要思維之一。

在設計巡線小車結構時，考慮到小車前面的滾輪如果使用萬向輪，轉彎很難控制，容易轉得太快，一下飛出線外，學生經過對比后，覺得使用平面滾輪效果更佳。訓練的前期，使用平面滾輪巡線沒發(fā)現(xiàn)有任何問題，偶然一次訓練，小車轉彎時被一個凸起的泥沙卡住，導致平面輪設計的小車無法轉過去。經過分析，由于結構的漏洞，使用平面輪當萬向輪確實有可能出現(xiàn)這種情況，雖然幾率很小，但不能忽視這個影響，那怎么辦？由于已經接近區(qū)賽的情況下，并不合適大改外部結構，同時把平面滾輪換成萬向輪也難以克服轉彎脫線的困難。既然此時硬件不適宜大改，只能從程序入手?？紤]到孩子已經熟悉了原來的程序，程序也不能大改，經過不斷嘗試，筆者最終找到一個較好的解決方法：在原來轉彎的程序加入一個變量，機器人轉彎的過程中，隨著時間的推移，變量會被累加到轉彎的速度里面。當機器人轉彎被卡住的時候，機器人就會越轉越快，從而跨過卡住的地方，實現(xiàn)繼續(xù)轉彎的動作。這就是學生非常難忘的經歷，從一個幾率很小的事故中找出漏洞，分析原因，并解決問題， 培養(yǎng)了學生嚴謹?shù)乃季S。

四、實踐效果

近幾年，筆者在機器人編程教育中應用創(chuàng)新編程思維培養(yǎng)模式，不斷優(yōu)化，培養(yǎng)人才方面獲得了一定的成績（如下表），可見遵循這種創(chuàng)新編程思維培養(yǎng)模式，巧妙結合個性化教與學方式，制定切實可行的教學方案，是有成效的。學生在這個學習過程中逐漸形成了整體框架分析思維，提升了問題解決能力，培養(yǎng)了整體規(guī)劃能力。

近幾年輔導學生機器人參賽成績

這種模式在大班編程普及教學實踐中同樣得到良好的效果。學生通過編程的學習，信息技術素養(yǎng)和能力得到提升，在分享他人創(chuàng)新思維過程中學會思辨，對比自己的思路和方法，獲得更多的啟示；在相互評價的過程中深度思考，提升了自己的溝通能力，獲得自信心。與以往傳統(tǒng)的方式對比，創(chuàng)新思維培養(yǎng)模式下更能激發(fā)學生的動手操作欲望，期末考核也總體比傳統(tǒng)方式考核形式更加多樣化和個性化，學生的想法更多，驚喜更多。尤其是參與了機器人訓練和比賽的孩子，在學習方法上趨向多樣化，思維更靈活，甚至在數(shù)理化學習上更是進步明顯。

五、結語

基于機器人項目的問題解決的計算思維培養(yǎng)模式，以問題為導向，將計算思維的核心要素融入到解決問題、構建應用的具體編程實踐教學環(huán)節(jié)當中。在創(chuàng)設應用的過程中，學生之間相互協(xié)作、交流，改變了以往計算思維教育中片面地強調編程或算法學習的狀況。

所以編程并不是讓學生成為程序員，而是讓學生學會編程思維，來面對復雜的問題，能夠分解成一個個小問題，再找到問題的關鍵和問題之間存在的關聯(lián)，從而想辦法將問題逐一解決，這就是編程教給學生最重要的能力。所以，作為指導教師，筆者認為編程教育的本質不在于讓學生學到的編程知識有多少，而是學習編程的邏輯思維，在比賽之外，更能用這種思維解決已知甚至未知的問題。