面向小学生计算思维培养的机器人编程教学

在数字化时代背景下，计算思维已成为中小学生必备的一项关键能力。《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“课标”）特别强调了培养学生计算思维的重要性。机器人编程教育，作为培养计算思维的重要途径之一，正逐渐被纳入小学课程体系。为了探索在虚实融合环境下的机器人编程教学方法，有效培养小学生的计算思维能力，笔者基于具身认知理论，遵循“虚实融合、先虚后实、能实不虚”的原则，构建了一种虚实融合的教学模式。笔者以“底盘移动”为例，在教学实践中进行了应用与验证，旨在为小学机器人教育教学的普及和发展提供理论和实践上的支持。一、虚实融合：提升学生计算思维的教学新方法课标明确指出，培养学生的计算思维是教育的核心目标之一。计算思维是指学生在掌握并应用计算机科学的基本概念，如抽象、分解、算法、迭代、调试和一般化等，进行问题求解和系统设计的过程中，形成的一种面向信息时代的高阶思维能力。早在2012年，美国麻省理工学院媒体实验室的终身幼儿园研究小组就提出了计算思维的三个维度：计算概念、计算实践和计算观念。机器人编程教育是培养小学生计算思维能力的重要载体。随着新技术的发展与应用，虚拟的智能教育机器人仿真平台与实体智能教育机器人相结合，形成了“虚实融合”的教学环境，为机器人教育的普及和推广提供了广阔的空间。虚拟教学平台能够为学生提供无限的探索空间、可视化的学习过程，并超越现实实验环境的限制，从而进一步促进教育公平。陈宇峰等人对面向计算思维的启发式虚拟实验教学进行了探索性研究，并在大学计算机基础课程中引入了虚拟实验辅助教学[1]。杨雨等人则通过“虚拟机器人”项目开展STEAM教学，利用萝卜圈3D机器人在线仿真平台进行机器人教育[2]。张敏认为，与传统机器人相比，虚拟机器人能够降低普及的门槛、易于推广，在程序设计教学中为学生提供了直观的作用对象，从而激发学生的学习兴趣，让学生更接近算法与编程，促进学生计算思维的长期发展[3]。尽管在虚实融合环境下开展机器人教学具有明显优势，但目前虚拟仿真实验与真实学习环境融合教学方面的研究仍然较少。笔者基于具身认知理论，构建了以学生为中心的虚实融合教学模式，并进行了实践教学与成效验证，旨在为机器人教育的普及和普惠发展探索出一条新路。二、虚实融合环境下智能机器人教学的理论框架具身认知理论提出，学生在纯虚拟环境中与教具的物理距离可能会引起心理疏远感，而鼓励学生在实验探究过程中与环境进行多模态的身体交互[4]。在虚实融合的实验探究中，教师将虚拟现实技术与传统手工搭建结合，可以实现虚拟探究环境与真实探究环境的整合，为学生的观察反馈以及身体与实验探究环境的多模态交互创造条件。这种整合有助于形成场景优势互补，突破传统教学的空间限制，优化虚拟教学的真实感，从而改善学生学习体验，增加学习投入，并优化教学进程控制，提高教学效率。基于此，笔者提出了虚实融合环境下教学设计的五项原则。一是匹配性原则：遵循“虚实融合，能实不虚”的设计思想，设计相应的学习形式，以最大化促进学生有意义的知识建构为前提，设计虚拟环境与真实环境中的学习形式。二是可视化原则：运用数字技术手段，将抽象的概念、原理与过程等转换成直观形象的内容，为学生提供学习的支架与桥梁。三是可操作性原则：为学生主动建构提供可生成、可操作的学习内容，支持学生更直观具象地进行认知加工。四是情境化原则：为学生构建特定的问题情境，立足具身学习基础，促进其身体体验、知识迁移与高阶思维培养。五是真实性原则：依据教学内容创设与之相适应的虚实融合实验探究场景，提供真实的操作任务和无限接近真实的实验场景。布置真实的操作任务旨在让学生体验真实的产品设计、调试、迭代和完善过程，以真实的实验场景支持学生的科学探究。基于以上设计原则，构建了虚实融合环境下机器人编程教学的理论框架，如图1所示。该框架以虚实融合智能机器人教学的内容作为目标核心，左边区域为虚实融合的智能机器人教学学习环，以虚实融合的教学环境中教师指导和学生合作学习为主线，从实到虚，再由虚入实，分为明确任务、新知学习、合作探究、实践应用和展示评价共五个环节。在学习环，学生体验了解决真实问题的流程、实践操作活动和逻辑思维的训练，既有设计、调试以及实操的机器人控制环节，满足了学生动手动脑的自我实现需求，又涉及编程操作，通过问题情境的设置和小组协作的形式，帮助学生提升高阶思维能力，与研究设计中对学生计算思维培养的目的保持了一致。右边区域为学习结果环，包括学生的计算思维观念、计算思维概念和计算思维实践能力，从三个维度检验虚实融合的智能机器人教学对于学生计算思维培养的可行性与有效性。其中计算思维观念参考国际上使用最为广泛的由Korkmaz等人编制的计算思维量表CTs，对计算思维进行较为科学的测量，将其分为创造力、批判思维、问题解决能力、算法思维和合作能力五个维度。三、虚实融合的智能机器人课程“底盘移动”教学设计与实施（一）内容与能力目标分析笔者基于大疆教育平台上的RoboMasterEP编程初阶课程中的第2课时“底盘移动”课程，结合三到五年级学生的认知特点以及教学实践的需要，对内容进行了适当的重新编排。考虑到学生都来自本校的机器人社团，对机器人的构造和设计已有一定了解，因此对原来课程中介绍机器人结构及其设计原理的内容进行了删减。笔者用更接近学生生活的视频案例导入课程，旨在提高学生的参与度和兴趣。课程的核心任务是要求学生通过掌握大疆教育平台上用于控制机器人的底盘编程模块，利用已掌握的数学知识来为机器人规划路径，控制机器人完成“米”字图案的绘制。笔者根据虚实融合式教学环境的设计原则进行了教学设计。笔者基于大疆教育机器人套件开展教学，要求学生以小组协作的形式，引导他们完成编程控制机器人在空地上书写“米”字的教学任务。随后，依据张屹等开发的我国小学生计算思维量表，对学生的计算思维的评估按照创造力、批判思维、问题解决能力、算法思维、合作能力五个维度展开。笔者在教学设计中将从这五个维度来对教学目标进行表述，详细内容见表1。（二）教学设计与实施笔者设置五个环节实施虚实融合的机器人编程教学（如图2）。1.初步认识与明确任务明确任务是教学过程的起点，旨在引导学生感知核心任务，激活先验知识，并探索问题解决策略。笔者首先通过视频展示机器人书法创作，激发学生的好奇心，然后介绍本课使用的大疆机器人，引导学生思考如何编程控制机器人完成书写任务，并进行任务的抽象和模块化。教师设置问题支架，辅助学生运用数学、科学等学科知识，将复杂的控制任务分解为路径选择、程序编写、迭代优化等步骤，体验解决实际问题的过程。本环节笔者遵循情境化原则，利用虚拟仿真平台提供与真实环境一致的模拟机器人和环境，让学生探索控制机器人的路径和方法。笔者利用视频引入机器人书法概念，建立真实问题情境，引导学生思考学习任务，分解大任务为小任务，促进知识建构，提升问题解决和算法思维能力。2.新知学习与编程模拟学生根据教师讲解和软件程序模板，学习底盘控制模块，掌握可视化编程语句和结构。学生在掌握相关知识后，利用可视化编程软件编写控制程序。在虚拟仿真平台中，学生可以操纵底盘移动或旋转，通过改变程序数值观察结果变化，理解数值含义，促进知识建构，锻炼编程能力。本环节笔者遵循可视化原则，提供与真实环境一致的模拟机器人和环境，让学生探索控制机器人的路径和方法。提供熟悉的可视化编程工具，迁移编程知识，帮助学生直观体验并快速熟悉机器人构造和控制方法。3.合作探究与仿真调试学生用上一环节编写的底盘控制代码，在虚拟仿真平台DJIRoboticSimulator中控制机器人完成“米”字绘制任务。该平台提供仿真物理模拟，还原机械关节、摩擦阻力、碰撞等特性，使编程学习更为高效。学生在模拟器中调试程序后，可直接连接真实机器人进行验证。笔者遵循匹配性和真实性原则，设计虚拟和真实环境的学习形式，促进知识建构。提供虚拟环境作为代码调试和程序验证的试错情境，旨在降低学生挫败感，增强临场体验和学习沉浸感。4.实践应用与底盘移动学生在虚拟仿真平台验证代码后，转到实验室操作真实机器人，完成书法任务。面对真实环境中的摩擦力、机器人特性等不可控因素，学生需主动思考分析问题，调整代码解决问题，锻炼批判思维和问题解决能力。本环节笔者遵循可操作原则，满足学生对学习内容的主动建构需求，提供与真实环境一致的模拟机器人和环境，让他们探索控制机器人的路径和方法，提供创造空间。5.展示评价与总结提升全班范围内开展展示评价活动，要求小组互评。借助DJIEducationHub平台，学生分享虚拟环境和程序代码，其他学生可导入并修改程序，进行评价，加深对程序的理解，培养批判思维。教师点评程序，引导计算思维发展。本环节学生展示与交流作品，分组自评互评，分享学习成果，提升学习能力。学生欣赏和学习他人作品，审视调试代码，评价他人作品，形成良好合作氛围。四、虚实融合教学效果与发展潜力（一）教学效果本研究旨在通过虚实融合教学创新培养小学生的计算思维，教学对象为武汉市某小学创客选修课的45名学生，涵盖三至五年级。为确保实验对象的随机性，教师让学生自主选择学习该课程。为做好教学效果分析，笔者采用单组前后测实验设计，将计算思维分为三个维度，即计算思维能力、计算思维概念和计算思维实践，用问卷调查、能力测试和质性分析等方法进行综合评估。1.计算思维能力显著提升笔者使用张屹等人开发的计算思维量表对学生的计算思维观念进行测量。问卷信度检验结果显示信度系数分别为0.882和0.973，表明问卷具有良好信度。前后测配对样本检验结果表明，虚实融合教学后学生的计算思维观念有显著提升（前测=4.3227，后测=4.4102，=-5.302，=0.000<0.05）。描述性统计显示，学生在创造力、问题解决、算法思维和合作能力等维度上均有显著提升。2.计算思维概念平稳发展利用Bebras测试题检测学生计算思维知识与技能的变化。测试结果显示，学生的平均正确题数为4.65题，超过半数，且所有学生的正确率均超过40%。将学生按高、中、低三个水平划分，发现大多数学生处于中等水平，表明计算思维知识与技能有所发展。3.计算思维实践有效开展笔者观察学生在各学习阶段的表现，对其计算思维操作能力进行质性分析。学生围绕实际问题参与小组协作、程序编写、调试、演练、分享和评价优化等活动，各组的作品反映了学生在操作过程中应用计算思维的能力。教学结束时，学生能以不同解决方案完成任务，并通过分享交流优化方案，体现了计算思维实践能力的提升。（二