可编程机器人助力学生计算思维培养

可编程机器人助力学生计算思维培养

缪洁

常州市田家炳初级中学

2022年信息技术课程正式改名为信息科技课程，信息科技课程标准出台。义务教育阶段信息科技课程要培养的核心素养，主要包括信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任。而计算思维是指个体运用算机科学领域的思想方法，在问题解决过程中涉及的抽象分解，建模，算法设计等思维活动，具备计算思维的能力，能对问题进行抽象分解建模，并通过设计算法形成解决方案，能尝试模拟仿真验证解决问题的过程反思，优化解决问题的方案，并将其迁移运用于解决其他问题。

计算思维是数学、科学、工程和技术（STEM）的融合体。计算思维传承于数学算法思维，要求对于问题能够产生形式化的描述和定义；计算强调对信息的变换，而不是简单的信息发现、分类、存储或通信；计算思维具有明显的工程技术性质，不仅需要描述解决一个问题的方法，更要求有让一台计算机真正解决这个问题的实践方案。在初中阶段的学生，正处在从形象思维往逻辑思维转变的关键时期，本篇将正对学校开展的机器人校本课程，分析讨论利用可编程机器人更好的帮助学生建立计算思维。对于中小学校教师而言，如何以创造性、跨学科的方式培养计算思维是一个具有挑战性和复杂性的工作。

可编程教育机器人，在发展学生编程、机械结构构造、智能创造能力方面走在了前面；通过分析可编程机器人在实际战斗中的应用，可以了解人工智能的基本特征所依赖的数据、算法和算力三大技术基础。一般这些可编程机器人都配有红外、声音、触碰、摄像头等传感器，这款机器人只需要学生简单组装，就可以让学生体验智能识别的应用，有的还有多种模式，比如可以自动识别道路，自动识别标签并且射击，跟随模式，识别人体姿势、掌声识别、识别同类机器人等。各种类型的可编程机器人能让学生直接在应用中感受人工智能技术应用，与传统教学方式中播放视频、讲述概念相比，能让学生有更深刻与直观的感受。

（一）可编程机器人培养学生分解思维能力。

在生活和工作中，我们可能会遇到各种各样的难题。分层思维的核心理念是将复杂的问题拆解成小问题，把复杂的物体拆解成较轻易应付和理解的小物件，我们通过解决小问题而解决复杂的问题，使问题变得更加简单。以机器人自动识别拍照手势为例，当传感器识别到手势后，小车底盘和云台 LED 保持熄灭状态。当机器人识别到两次拍手后，底盘所有 LED 红光闪烁，云台 LED 呈红色跑马灯特效。这种看似比较复杂的模式要求，可以拆解为识别——判断——反馈，三个阶段，学生不用了解每个阶段机器人具体的操作过程，只要能利用相关模块进行模式构建即可，学生可以在程序中进行如下编写。

（二）可编程机器人提升学生模式匹配能力。

模式识别的核心理念是寻找到事物之间的共同特点或相似点，利用这些相同的规律，去解决问题。当复杂的问题被分层到小问题时，我们经常会在小问题中找到模式，这些模式在小问题当中有相似点。当一个问题被解决是，通过模式识别，其他类似的问题也将迎刃而解。

  以电机在机器人结构中的应用为例，电机使用在机器人各种运动中是非常普遍的，小车的移动，机械臂的抬举，转轴的转动等等，当学生每次遇到一个项目的时候，第一个要分析的就是怎么样利用转机来完成任务。转动任务模式多种多样，学生要学会分析、迁移使用各种模式，设置转机转动的速度，方向，力度大小等。以摇头风扇为例，学会运用齿轮组合减速的搭建方式时，也要掌握使用蜗杆和半高锥齿轮改变运动方向的原理。利用一个电动，带动两个方向的转动，需要学生在掌握编程方式的同时也要掌握一定的物理机械知识。

（三）可编程机器人辅助学生流程建设能力。

流程建设的核心理念是要一步一步解决问题的过程，按照的既定的顺序完成一个任务。流程建设完成后，其他人也可以依照相同的问题解决方案来处理类似问题。

学生学习无人机巡线飞行无人机的巡线程序也是对其流程建设能力的培养。首先学生要认识到在循线开始前，必须要加入向前移动的积木块的，目的是让无人机能够顺利的到达线路上方，使其运行程序时更加顺畅，这整个无人机巡线的首要步骤；

向前移动一小段距离后，无人机到达黑线上方，就应该切换为“循线模式”了

切换完循线模式后，就可以开始循线飞了，这个积木块可以让无人机向各个方向循线飞行，如地面上的黑线为向前，那么此处的积木块就设置为向前循线，若线条方向为左，则向左循线。

飞机到达循线终点处看到前边没有线了，就停下来悬停，后面如果还要继续飞行，可切换对应的飞行模式。

整个巡线过程步骤必须完整流程，才能完成相应任务，这让学生体验到严谨步骤的重要性。

（四）可编程机器人提升学生抽象化思维能力。

抽象化思维的核心理念是将重要的信息提炼出来，并去除次要信息的能力。掌握了抽象化的能力，我们就可以将一个解决方案应用于其他事物中，制定出解决方案的总体思路。让学生通过科技实践铺垫创造更智能化人性化未来的设想。无论是学习、生活还是工作甚至是在虚拟世纪，我们的生活实际已经踏上了智能化的进程。人工智能教学模块含有Aiduino主板，颜色传感器、扬声器模块、语音合成模块、语音识别模块、手势传感器等，用这些模块可以让学生实现未来智能生活设计。     

基础教育领域高度重视和关注计算思维培养。我校开展的可编程机器人课程，让学生初步体验和了解机器人技术，了解机器人的基本概念和原理，了解机器人在学习、生活各个方面的应用、能够分析问题、建立利用机器人解决问题的基本能力，激发学习机器人的兴趣，培养计算思维能力。

学生通过跨学科主题学习活动，以小组合作的方式，立足改善我们身边的生活这种解决实际问题的情景，大胆设想目前还没有出现的人工智能的应用场景，畅想未来智能场景，设计未来智能方案，促进学生将计算思维与科学求证有机结合，促进科学与人文的融合，引导学生正确认识人工智能对社会的影响，促进人工智能伦理，自主可控创新的意识。