金亞明

一、研究背景

2006年計(jì)算機(jī)科學(xué)家周以真首次提出“計(jì)算思維”這一概念：“通過運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本概念求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類行為的方式，涵蓋了計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域廣度的一系列思維工具”。這一概念提出后，眾多國家及地區(qū)開始關(guān)注學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展。

計(jì)算思維的定義，可以從廣義與狹義兩個(gè)角度進(jìn)行理解。從廣義上講，計(jì)算思維是分析和解決各種問題的基礎(chǔ)。從狹義上講，計(jì)算思維是計(jì)算機(jī)編程的相關(guān)概念，是開始編程前的思考過程，是將編程解決方案的思路轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠操作執(zhí)行的計(jì)算機(jī)語言的過程。從2014年浙江開始實(shí)行7選3考試，正式把技術(shù)列入到高考學(xué)科。自此程序設(shè)計(jì)課程的學(xué)習(xí)不再局限于拓展性的課程中，而正式登上了高考大舞臺(tái)。各校對(duì)該學(xué)科的重視程度一年高于一年，結(jié)合很多大學(xué)中人工智能等相關(guān)專業(yè)的開設(shè)，程序設(shè)計(jì)課程明顯比重劇增，不管是VB語言還是C語言，亦或圖形化編程，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)、思維能力提升都有諸多益處。在信息技術(shù)學(xué)科教學(xué)中，教師可以將考試的VB語言和蘿卜圈虛擬編程的圖形化操作，將計(jì)算思維融入其中，借助可視化編程工具，鍛煉了學(xué)生的程序的邏輯思維能力，合作溝通能力，從而達(dá)到提升計(jì)算思維的能力和信息素養(yǎng)的綜合發(fā)展。

二、操作與實(shí)施

2.1學(xué)校多樣化課程的支撐

2.1.1多樣化課程中程序設(shè)計(jì)類課程教學(xué)大受歡迎

多樣化課程中程序設(shè)計(jì)課的開展有更多優(yōu)勢(shì)，學(xué)生對(duì)課程是自發(fā)的喜愛而選擇。學(xué)生通過有趣的任務(wù)獲得知識(shí)。他們對(duì)各種仿真項(xiàng)目進(jìn)行研究、設(shè)計(jì)、調(diào)試。以組為單位展開討論，設(shè)計(jì)機(jī)器人，編寫程序，完成指定的任務(wù)。從游戲得使用者變成了開發(fā)者，充分享受成功帶來得喜悅。在這些活動(dòng)中，學(xué)生培養(yǎng)了合作的能力，通過設(shè)計(jì)項(xiàng)目提升了計(jì)算思維能力。教學(xué)過程寓教于樂，對(duì)于學(xué)生來說既學(xué)習(xí)了知識(shí)，又鍛煉了自己的思維能力。而且模塊化的編程教學(xué)適合各個(gè)年齡段學(xué)生學(xué)習(xí)，在當(dāng)前“雙減”的大環(huán)境下，編程課程的社團(tuán)活動(dòng)，不光拓展了學(xué)生的學(xué)習(xí)空間，滿足學(xué)生不同的學(xué)習(xí)需求，可以為課后服務(wù)增強(qiáng)吸引力。而高中階段，在繁忙的高中學(xué)習(xí)中，類似這種以培養(yǎng)學(xué)生興趣能力為主的多樣化課程受到了學(xué)生的歡迎。

2.1.2蘿卜圈軟件場(chǎng)景逼真，隨時(shí)隨處可以開展

蘿卜圈軟件界面設(shè)計(jì)很容易抓住學(xué)生的興趣，它的場(chǎng)景界面不僅豐富、逼真，同時(shí)內(nèi)部還提供了各式各樣的機(jī)器人組件。更克服了實(shí)物機(jī)器人價(jià)格昂貴，普通人玩不起的弊端。在蘿卜圈虛擬軟件中，學(xué)生有豐富的選擇體驗(yàn)：自主選擇組件，搭建合適的機(jī)器人，同時(shí)，教師也可以自己制作個(gè)性化場(chǎng)景，靈活地讓學(xué)生完成自行設(shè)定的任務(wù)體驗(yàn)。這樣，學(xué)生就有了更大創(chuàng)造的空間。當(dāng)然，還有很方便的一點(diǎn)，就是課程還可以延伸到校外課外，只要借助學(xué)校局域網(wǎng)或蘿卜圈的外網(wǎng)服務(wù)器，只要能上網(wǎng)，學(xué)生無論在哪個(gè)地方，他都可以登錄服務(wù)器參與到學(xué)習(xí)中來。

2.2實(shí)踐研究——以蘿卜圈完成“流水線分揀”任務(wù)為例

“我已經(jīng)迷上了線上編程這一門學(xué)科。在與老師和同學(xué)共同學(xué)習(xí)的時(shí)間里，我了解了傳感器、驅(qū)動(dòng)電路工作原理，對(duì)重力、摩擦力等物理知識(shí)有了更深刻的領(lǐng)會(huì)，掌握了模塊化的程序設(shè)計(jì)理念，原先上課過程中感覺高大上的vb算法變的簡(jiǎn)單容易，在這之前，我都不知道學(xué)習(xí)能帶給我這么大的自信，我的另外學(xué)科成績(jī)也在迅速提升?！边@是通過課程學(xué)習(xí)，獲得了省、市多項(xiàng)比賽的同學(xué)跟我說的話。由此可見，學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的熱情毋庸置疑，同時(shí)課程對(duì)于學(xué)生能力的提升也是顯而易見的。同時(shí)也為學(xué)生計(jì)算思維的進(jìn)一步發(fā)展創(chuàng)造了條件。

2.2.1“流水線分揀”任務(wù)描述

蘿卜圈項(xiàng)目能完成很多任務(wù)，以機(jī)器人完成產(chǎn)品流水線作業(yè)為例。這里有一個(gè)“蘿卜圈3D仿真機(jī)器人”自帶的“流水線分揀”任務(wù)場(chǎng)景，如圖1所示，左邊是紅筐，右邊是藍(lán)筐，流水線分揀要求設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器人將流水線傳送帶上的產(chǎn)品零件按照顏色分揀到對(duì)應(yīng)的紅、藍(lán)筐里。

假定紅、藍(lán)產(chǎn)品零件各5個(gè)（即總數(shù)為10個(gè)）從傳送帶上以固定的時(shí)間間隔順次傳遞過來，傳遞出來的零件顏色是隨機(jī)的。要求：1.每個(gè)筐子各放對(duì)3個(gè)零件，就完成基本任務(wù)。2.在最后一個(gè)零件放到流水線上30秒后，代表任務(wù)結(jié)束，系統(tǒng)會(huì)彈出分?jǐn)?shù)作為成績(jī)。3.有以下任一情況時(shí)表示任務(wù)失?。杭t筐里放藍(lán)色零件，藍(lán)筐里放紅色零件;每個(gè)筐子里的零件數(shù)量少于3個(gè)。4.得分計(jì)算：得分由放對(duì)零件的數(shù)量決定。各放對(duì)3個(gè)得60分，放對(duì)10個(gè)得100分。

由于學(xué)習(xí)對(duì)象高中學(xué)生，他們對(duì)程序的概念清楚，當(dāng)接觸到這個(gè)看起來更像電腦游戲的軟件時(shí)，他們表現(xiàn)出了濃厚的興趣，在學(xué)習(xí)中，老師對(duì)學(xué)生加以引導(dǎo)，學(xué)生學(xué)習(xí)速度很快，設(shè)計(jì)理念是將項(xiàng)目進(jìn)行任務(wù)分解，分解成若干小任務(wù)，通過個(gè)人努力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作來解決問題，讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主角，真正體現(xiàn)“在玩中學(xué)”，從而體會(huì)到學(xué)習(xí)的快樂。

2.2.2機(jī)器人的搭建和設(shè)計(jì)

學(xué)生根據(jù)任務(wù)，分析該搭一個(gè)怎樣的機(jī)器人，需要哪些模塊，用哪個(gè)完成顏色分揀，用哪個(gè)完成瓶子的推動(dòng)。學(xué)生探討后用伺服電機(jī)和灰度傳感器搭出了如下的機(jī)器人。搭建的難度在于“由灰度的檢測(cè)值指引伺服電機(jī)的動(dòng)作”的理解（圖2）。

學(xué)生在合作探討完成機(jī)器人的搭建過程中，對(duì)蘿卜圈軟件中的諸多端口和模塊進(jìn)行了挑選，從一開始茫然地不清楚如何分揀，用兩個(gè)爪形模塊來制作手臂裝置，到后面發(fā)現(xiàn)有更簡(jiǎn)單的做法直接用安裝柱做手臂。由于沒有學(xué)過伺服電機(jī)，不知道用轉(zhuǎn)動(dòng)哪個(gè)模塊來完成。在挑選模塊時(shí)候走了不少彎路，最后在老師的提示下了解伺服電機(jī)的存在。蘿卜圈軟件中不束縛學(xué)生思想，學(xué)生可以充分發(fā)揮想象，天馬行空，分揀項(xiàng)目只是其中一個(gè)小項(xiàng)目。在另外任務(wù)完成過程中，學(xué)生更是積極開動(dòng)腦經(jīng)，積極探索合理方案，提升了計(jì)算思維能力和學(xué)生的綜合素養(yǎng)。

2.2.3伺服電機(jī)的功能和編寫程序

由于在該任務(wù)中伺服電機(jī)是一個(gè)全新的模塊，教師做了簡(jiǎn)單的介紹。一個(gè)學(xué)生對(duì)伺服電機(jī)的用法提出了他個(gè)人的建議。學(xué)生說，這個(gè)伺服電機(jī)配上安裝柱像極了圓規(guī)。用圓規(guī)比擬伺服電機(jī)的功能就是能驅(qū)動(dòng)安裝塊左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)一些角度。讓其他同學(xué)一下子熟悉了這個(gè)新學(xué)的模塊。

通過對(duì)任務(wù)的分解，理解一般情況下程序是按照順序來執(zhí)行命令語句的。圖3中的程序是最終由學(xué)生設(shè)計(jì)的伺服電機(jī)的圖形化編程部分。 學(xué)生在信息技術(shù)課上學(xué)習(xí)過VB。結(jié)構(gòu)化模塊（函數(shù)）對(duì)學(xué)生來說一點(diǎn)都不陌生。使用循環(huán)模塊完成重復(fù)任務(wù)。

在這個(gè)過程中，學(xué)生可以通過反復(fù)驗(yàn)證對(duì)問題解決的策略不斷優(yōu)化。比方說學(xué)生在調(diào)試的過程中，伺服電機(jī)一開始的默認(rèn)值比較低，分揀的速度就會(huì)比較慢，為了讓分揀的最快，一開始給伺服電機(jī)轉(zhuǎn)到90度的時(shí)間調(diào)到很快，結(jié)果卻導(dǎo)致分揀的物品直接飛出框。學(xué)生經(jīng)過自主學(xué)習(xí)，探究，理解更深刻，通過不停的調(diào)試和優(yōu)化，最終得到最合適的方案，在這個(gè)學(xué)習(xí)過程中，培養(yǎng)了學(xué)生探究科學(xué)奧秘的興趣，激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，初步養(yǎng)成從事科技探究活動(dòng)的正確態(tài)度;讓學(xué)生學(xué)會(huì)選擇，學(xué)會(huì)合作，學(xué)會(huì)探究，學(xué)會(huì)創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生探索質(zhì)疑、解決問題的能力，搜集、處理信息的能力，動(dòng)手操作、主動(dòng)實(shí)踐的能力。利用自己所學(xué)過各項(xiàng)知識(shí)，靈活地運(yùn)用到機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)和制作活動(dòng)中，有效地提升了學(xué)生的計(jì)算思維能力。

三、成效與思考

從信息技術(shù)學(xué)科的學(xué)習(xí)內(nèi)容來看，教師要放手讓學(xué)生多思考、多練習(xí)，鼓勵(lì)學(xué)生通過自主探究獲取知識(shí)，每一次任務(wù)完成與優(yōu)化都是對(duì)學(xué)生計(jì)算思維能力的鍛煉。

3.1創(chuàng)新能力和自主探究能力得到提升

與傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境不一樣，在線編程的學(xué)習(xí)只要有網(wǎng)絡(luò)和電腦就可以隨時(shí)隨地展開。同時(shí)教學(xué)開展中充分尊重學(xué)生的主體地位，強(qiáng)調(diào)自主式和開放式，盡量讓學(xué)生天馬行空發(fā)揮創(chuàng)造力。它既調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，同時(shí)也讓學(xué)生創(chuàng)新能力與自主探究能力得到提升。

3.2轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)態(tài)度，各方面獲得進(jìn)步

課堂實(shí)踐后，成員在參加省市區(qū)比賽中獲得了很多的榮譽(yù)，同時(shí)我們的社團(tuán)也獲得了區(qū)級(jí)優(yōu)秀科技社團(tuán)榮譽(yù)。除了在科技比賽中獲得豐收外，筆者觀察了學(xué)生學(xué)習(xí)的狀態(tài)，成果無疑是讓人欣喜和吃驚的。學(xué)生不僅課堂學(xué)習(xí)注意力變得專注，同伴間的互助學(xué)習(xí)也做的很好。特別是在信息技術(shù)學(xué)科的學(xué)習(xí)中，每個(gè)學(xué)生都表現(xiàn)出了對(duì)程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)濃厚的興趣，技術(shù)學(xué)科的學(xué)習(xí)成績(jī)也提升的飛快，更有學(xué)生在高校三維一體考試中表現(xiàn)優(yōu)異，被高校錄取，乃至在大學(xué)中計(jì)算機(jī)獲得免修資格。

3.3“沉迷”任務(wù)，缺乏對(duì)程序優(yōu)化的思考

在取得成績(jī)的同時(shí)，也要看到存在的問題。蘿卜圈線上編程的學(xué)習(xí)，我們主張給學(xué)生更多的空間，但是，放手并不等同于放羊，我們鼓勵(lì)學(xué)生自己去成為課堂的主角，但是往往也有看到個(gè)別同學(xué)沉迷于任務(wù)本身和相互間闖關(guān)的比賽，一味地只拼速度，而缺乏對(duì)程序如何更優(yōu)化（程序思維）的思考，致使程度設(shè)計(jì)知識(shí)烙印不夠深刻，設(shè)計(jì)出來的部分程序穩(wěn)定性不夠。這就需要老師在適當(dāng)時(shí)候介入，在課堂中恰當(dāng)運(yùn)用程序應(yīng)用，充分發(fā)揮學(xué)習(xí)主動(dòng)性，讓深度學(xué)習(xí)真正在玩中發(fā)生，讓學(xué)生的計(jì)算思維得到更進(jìn)一步的提升。

三、結(jié)束語

蘿卜圈虛擬機(jī)器人的線上編程教學(xué)，為學(xué)生提供了一個(gè)自主、協(xié)作與創(chuàng)新的平臺(tái)。線上編程并非想讓學(xué)生個(gè)個(gè)都成為編程高手。在學(xué)習(xí)編程過程中，能夠體會(huì)那些程序設(shè)計(jì)思維的精妙之處，能夠以有趣的任務(wù)來提升學(xué)生解決具體問題的能力。讓學(xué)生通過感興趣的學(xué)習(xí)輕松掌握了知識(shí)，切身體會(huì)到了編程的樂趣。在經(jīng)歷提出問題、分析問題和解決問題的過程中，完成自己的作品。教師通過教學(xué)引導(dǎo)，充分發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維能力，提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)，培養(yǎng)新時(shí)代需要的人才。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]安曉瑞.以培養(yǎng)計(jì)算思維為核心的計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件類課程教學(xué)改革探索[J].西北成人教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2019（02）：61-65.

[2]韓榮勝劉秀芝.虛擬機(jī)器人的校本課程開發(fā)[J].中國教育信息化，2012（14）：28-29.

[3]陳曉健.計(jì)算思維的培養(yǎng)中學(xué)生應(yīng)用軟件教學(xué)的新選擇[J].信息技術(shù)與信息化，2018（04）：131-133.