基于真實(shí)情境與協(xié)作學(xué)習(xí)的機(jī)器人教學(xué)新范式摘要：本文聚焦計(jì)算思維培養(yǎng)與機(jī)器人教學(xué)的深度融合，提出一種基于真實(shí)情境與協(xié)作學(xué)習(xí)的機(jī)器人教學(xué)新范式，并通過(guò)理論分析闡述了該教學(xué)范式的內(nèi)涵和特征，同時(shí)結(jié)合“智能搬運(yùn)小車(chē)”項(xiàng)目的教學(xué)實(shí)踐，探討了該范式在培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維、問(wèn)題解決和創(chuàng)新實(shí)踐能力等方面的有效性。研究發(fā)現(xiàn)，真實(shí)情境有助于培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的運(yùn)用能力，協(xié)作學(xué)習(xí)有助于學(xué)生在討論、反思中深化對(duì)計(jì)算思維的理解，提升計(jì)算思維的高階技能。因此，該教學(xué)范式能夠有效促進(jìn)學(xué)生將計(jì)算思維知識(shí)遷移到機(jī)器人實(shí)踐活動(dòng)中。中圖分類(lèi)號(hào)：G434文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A論文編號(hào)：1674-2117（2024）19-0049-041.研究背景計(jì)算思維是信息時(shí)代公民必備的核心素養(yǎng)之一。它是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與人類(lèi)行為理解的思維方式[1]，已成為與數(shù)學(xué)思維、工程思維并列的基本思維方式。培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，對(duì)于提升其數(shù)字化生存和創(chuàng)新發(fā)展能力具有重要意義。2.文獻(xiàn)綜述為培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，研究者提出了多種融合計(jì)算思維的教學(xué)范式。其中，案例教學(xué)法、項(xiàng)目學(xué)習(xí)法、游戲化學(xué)習(xí)等較為常見(jiàn)。張進(jìn)寶等[3]提出了一種“興趣驅(qū)動(dòng)、項(xiàng)目引領(lǐng)、協(xié)作學(xué)習(xí)、評(píng)價(jià)促進(jìn)”的機(jī)器人教學(xué)范式，在項(xiàng)目活動(dòng)中滲透計(jì)算思維培養(yǎng)。盧慶偉等[4]提出將TRIZ理論引入機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，構(gòu)建了TRIZ-CDIO創(chuàng)新教學(xué)范式，從技術(shù)創(chuàng)新角度支持計(jì)算思維發(fā)展。田陽(yáng)等[5]基于S-P-O-C模型，設(shè)計(jì)了任務(wù)導(dǎo)向的智能機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)范式，在問(wèn)題解決過(guò)程中融合計(jì)算思維訓(xùn)練。雖然上述研究為機(jī)器人教學(xué)中的計(jì)算思維培養(yǎng)提供了有益探索，但仍存在一些不足：一是對(duì)計(jì)算思維內(nèi)涵把握不夠精準(zhǔn)，未能充分體現(xiàn)其抽象建模、數(shù)據(jù)表示、問(wèn)題分解、模式泛化等核心要素；二是對(duì)機(jī)器人教學(xué)特色挖掘不夠，如體驗(yàn)性、綜合性、創(chuàng)新性等未得到充分彰顯；三是教學(xué)情境設(shè)計(jì)不夠真實(shí)，學(xué)習(xí)任務(wù)與真實(shí)世界聯(lián)系不夠緊密，學(xué)生參與的主動(dòng)性有待提高。計(jì)算思維的內(nèi)涵與培養(yǎng)路徑1.計(jì)算思維的內(nèi)涵筆者認(rèn)為，計(jì)算思維是一種融合抽象建模、數(shù)據(jù)表示、問(wèn)題分解、模式泛化、算法思維、調(diào)試優(yōu)化的綜合性思維模式，貫穿于問(wèn)題求解的全過(guò)程。因此，計(jì)算思維能力的提升，需要在具體的問(wèn)題情境中，引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)和內(nèi)化以上思維方式。2.機(jī)器人教學(xué)中計(jì)算思維的培養(yǎng)路徑機(jī)器人教學(xué)在本質(zhì)上契合計(jì)算思維的培養(yǎng)要求。從技術(shù)實(shí)踐角度來(lái)看，機(jī)器人的感知、規(guī)劃、控制等功能實(shí)現(xiàn)高度依賴(lài)抽象建模、算法設(shè)計(jì)等計(jì)算思維方法。從創(chuàng)新設(shè)計(jì)角度來(lái)看，機(jī)器人的設(shè)計(jì)優(yōu)化需要問(wèn)題分解、創(chuàng)新設(shè)計(jì)等系統(tǒng)思考能力。在機(jī)器人教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，依照“教師指導(dǎo)－學(xué)生主體－訓(xùn)練主線(xiàn)”的原則。在具體實(shí)施過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注以下環(huán)節(jié)：首先，選取恰當(dāng)?shù)捻?xiàng)目主題，營(yíng)造支持計(jì)算思維遷移的教學(xué)情境，設(shè)定貼近生活的真實(shí)任務(wù)，組織跨學(xué)科項(xiàng)目學(xué)習(xí)和機(jī)器人競(jìng)賽，引導(dǎo)學(xué)生在多樣化問(wèn)題解決中體驗(yàn)計(jì)算思維的應(yīng)用價(jià)值，實(shí)現(xiàn)知識(shí)與技能的靈活遷移。其次，設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)，將計(jì)算思維要素融入機(jī)器人課程，通過(guò)目標(biāo)設(shè)置、內(nèi)容選取、活動(dòng)設(shè)計(jì)等方面的精心織入，引導(dǎo)學(xué)生在“做中學(xué)”中掌握抽象建模、算法思維等核心要素。再次，進(jìn)行新知實(shí)踐，注重計(jì)算思維的顯性表征和針對(duì)性指導(dǎo)，要求學(xué)生用流程圖、偽代碼等方式外化思維過(guò)程，教師則及時(shí)捕捉學(xué)生思維方式的可視化表征，助力學(xué)生深思優(yōu)化。最后，鼓勵(lì)自主探究，構(gòu)建計(jì)算思維的學(xué)習(xí)共同體，營(yíng)造小組協(xié)作、頭腦風(fēng)暴、在線(xiàn)分享等互動(dòng)交流環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生在集體智慧中碰撞思維火花，在經(jīng)驗(yàn)分享中優(yōu)化問(wèn)題解決思路?；谡鎸?shí)情境驅(qū)動(dòng)與協(xié)作式知識(shí)建構(gòu)的機(jī)器人教學(xué)范式1.教學(xué)范式的框架本文提出的機(jī)器人教學(xué)范式，以培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力為核心目標(biāo)，凝練了真實(shí)情境驅(qū)動(dòng)、協(xié)作式知識(shí)建構(gòu)兩大關(guān)鍵要素，形成“真實(shí)情境驅(qū)動(dòng)－協(xié)作式知識(shí)建構(gòu)－計(jì)算思維提升”的內(nèi)在邏輯。①真實(shí)情境驅(qū)動(dòng)。教學(xué)情境的設(shè)計(jì)源于學(xué)生熟悉的現(xiàn)實(shí)世界，蘊(yùn)含豐富的計(jì)算思維要素。這種情境能激發(fā)學(xué)生的探究欲望，喚起已有認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)，驅(qū)動(dòng)其主動(dòng)應(yīng)用計(jì)算思維方法分析、解決問(wèn)題，在與情境的互動(dòng)中實(shí)現(xiàn)知識(shí)遷移和能力提升，使抽象的計(jì)算思維在具體情境中“落地”，在真實(shí)應(yīng)用中“內(nèi)化”。②協(xié)作式知識(shí)建構(gòu)。在教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生并非被動(dòng)接受知識(shí)，而是以小組為單位開(kāi)展協(xié)作探究，通過(guò)討論、分享、辯論等互動(dòng)方式主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)。協(xié)作學(xué)習(xí)有助于發(fā)揮學(xué)生的集體智慧，通過(guò)頭腦風(fēng)暴、思維碰撞產(chǎn)生聚合效應(yīng)，共同完成較復(fù)雜的項(xiàng)目任務(wù)。在協(xié)商一致意見(jiàn)的過(guò)程中，學(xué)生能夠相互啟發(fā)，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，逐步內(nèi)化計(jì)算思維策略，形成較深層次的理解。③計(jì)算思維能力提升。通過(guò)貼近學(xué)生生活實(shí)際的問(wèn)題情境，引導(dǎo)其主動(dòng)應(yīng)用計(jì)算思維，關(guān)注能力生成過(guò)程；通過(guò)協(xié)作互動(dòng)，重視個(gè)性化發(fā)展與溝通表達(dá)，提升創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。這種教學(xué)理念和教學(xué)方法的創(chuàng)新，有助于機(jī)器人教學(xué)從“學(xué)機(jī)器人”到“用計(jì)算思維”的跨越。2.教學(xué)范式的特征基于真實(shí)情境驅(qū)動(dòng)與協(xié)作式知識(shí)建構(gòu)的機(jī)器人教學(xué)范式有以下四點(diǎn)特征：①真實(shí)性。以真實(shí)問(wèn)題導(dǎo)向和知識(shí)應(yīng)用為核心，通過(guò)真實(shí)情境中的項(xiàng)目實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和知識(shí)遷移能力，而非簡(jiǎn)單的概念羅列和公式訓(xùn)練，符合計(jì)算思維的實(shí)踐性特點(diǎn)。②驅(qū)動(dòng)性。教學(xué)過(guò)程注重能力發(fā)展，基于驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，采用探究式和體驗(yàn)式學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題。③協(xié)作性。強(qiáng)調(diào)協(xié)作建構(gòu)，學(xué)生通過(guò)小組討論和頭腦風(fēng)暴生成創(chuàng)新方案，正如建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論所強(qiáng)調(diào)的，知識(shí)在社會(huì)互動(dòng)中形成。④差異性。個(gè)性化教學(xué)設(shè)計(jì)尊重學(xué)生差異，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)揮特長(zhǎng)，用獨(dú)特的方式呈現(xiàn)項(xiàng)目成果，挖掘創(chuàng)新潛能，彰顯個(gè)性化思維。教學(xué)案例與實(shí)踐分析1.教學(xué)案例：“智能搬運(yùn)小車(chē)”項(xiàng)目①情境導(dǎo)入與任務(wù)分解。教師首先創(chuàng)設(shè)真實(shí)的物流場(chǎng)景，引導(dǎo)學(xué)生分析搬運(yùn)中存在的問(wèn)題，進(jìn)而引出利用智能小車(chē)優(yōu)化搬運(yùn)的解決方案。學(xué)生通過(guò)小組討論，對(duì)項(xiàng)目任務(wù)進(jìn)行分解，明確需要實(shí)現(xiàn)的功能，如自主行駛、避障、物品搬運(yùn)等。教師協(xié)助學(xué)生梳理每項(xiàng)功能對(duì)應(yīng)的計(jì)算思維要素，如抽象建模、結(jié)構(gòu)搭建、智能控制等。這一環(huán)節(jié)立足真實(shí)情境，激發(fā)了學(xué)生的興趣，通過(guò)任務(wù)分解實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維要素的整合與內(nèi)化，體現(xiàn)了“真實(shí)情境驅(qū)動(dòng)問(wèn)題解決”的教學(xué)理念。②協(xié)作探究與方案設(shè)計(jì)。學(xué)生在小組內(nèi)開(kāi)展頭腦風(fēng)暴，提出多種設(shè)計(jì)方案，如傳感器選型、小車(chē)結(jié)構(gòu)、控制策略等。通過(guò)小組討論，學(xué)生相互質(zhì)疑、論證，選出最佳方案。隨后，小組成員根據(jù)各自特長(zhǎng)明確分工，負(fù)責(zé)機(jī)械結(jié)構(gòu)、流程梳理、程序編寫(xiě)等任務(wù)。教師巡視指導(dǎo)，參與討論，點(diǎn)撥疑難。這個(gè)過(guò)程充分發(fā)揮了協(xié)作學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)，學(xué)生在思維碰撞中積極建構(gòu)知識(shí)，在頭腦風(fēng)暴中彼此啟發(fā)，激發(fā)創(chuàng)新思維。分工合作又凸顯了因材施教，學(xué)生能發(fā)揮所長(zhǎng)，找到適合自己的學(xué)習(xí)方式。從計(jì)算思維角度來(lái)看，這一環(huán)節(jié)聚焦方案的抽象建模與算法設(shè)計(jì)，是計(jì)算思維的集中應(yīng)用和提升。④項(xiàng)目呈現(xiàn)與反思提升。各小組通過(guò)演示視頻、現(xiàn)場(chǎng)操作等方式展示項(xiàng)目成果，分享心得體會(huì)。其他小組提出問(wèn)題，給出改進(jìn)建議。教師針對(duì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性、計(jì)算思維應(yīng)用的系統(tǒng)性等進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，引導(dǎo)學(xué)生梳理項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，反思如何進(jìn)一步優(yōu)化解決方案、拓展應(yīng)用場(chǎng)景。這一環(huán)節(jié)注重協(xié)作交流，學(xué)生在分享展示中輸出認(rèn)知，在相互評(píng)價(jià)中獲得反饋，在教師點(diǎn)撥中實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維的升華。反思回顧引導(dǎo)學(xué)生聚焦學(xué)習(xí)過(guò)程，梳理經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，思考計(jì)算思維的實(shí)際應(yīng)用。2.實(shí)踐成效分析為評(píng)估本教學(xué)范式的實(shí)際效果，筆者采用課堂觀(guān)察、過(guò)程性評(píng)價(jià)等方式收集數(shù)據(jù)，并從計(jì)算思維、學(xué)習(xí)興趣、實(shí)踐創(chuàng)新、協(xié)作表現(xiàn)等維度進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)顯示：85%以上的學(xué)生能靈活運(yùn)用抽象建模、算法設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)優(yōu)化等計(jì)算思維方法解決問(wèn)題；92%的學(xué)生認(rèn)為源于真實(shí)情境的項(xiàng)目最能激發(fā)探究興趣；81%的學(xué)生認(rèn)為作品展現(xiàn)了豐富創(chuàng)意，體現(xiàn)了創(chuàng)新思維，提升了動(dòng)手能力；77%的學(xué)生認(rèn)為小組協(xié)作有效促進(jìn)思維交流，互助性明顯增強(qiáng)。從上述數(shù)據(jù)結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，本教學(xué)范式在提升學(xué)生計(jì)算思維水平、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)創(chuàng)新實(shí)踐能力等方面取得了良好的成效。不過(guò)，實(shí)踐中筆者也發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題：個(gè)別學(xué)生在遇到技術(shù)難題時(shí)缺乏耐心，需要教師幫助調(diào)節(jié)情緒；作品物化程度不夠深入，未能體現(xiàn)更多思維的交叉融合。本文基于計(jì)算思維內(nèi)涵分析，提出了一種融合真實(shí)情境和協(xié)作學(xué)習(xí)的機(jī)器人教學(xué)新范式，并通過(guò)案例實(shí)踐揭示了該范式對(duì)培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維、問(wèn)題解決與創(chuàng)新實(shí)踐能力的促進(jìn)作用。這一研究豐富了機(jī)器人教學(xué)領(lǐng)域的教學(xué)范式，為推動(dòng)機(jī)器人活動(dòng)與計(jì)算思維培養(yǎng)的深度融合提供了新思路。[1]Wing，J.M.Computationalthinking[J].CommunicationsoftheACM，2006，49（03），33-35.[2]李鋒，高原.機(jī)器人教學(xué)：培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維能力的新途徑[J].中國(guó)電化教學(xué)，2017（