机器人教学中创客教育与计算思维的融合

机器人教学中创客教育与计算思维的融合2016-04-07倪正辉中国教育信息化在线创客教育重在实践，贵在分享，“中国教育信息化在线”每周四开设“创客专栏”，主要分享推广教育创客们的实践案例，与大家一起见证创客教育的更大发展。欢迎踊跃投稿，优秀案例将有机会发表在《中国教育信息化》杂志上。选题讨论QQ：33143468;QQ群:102889104。“创客”一词具有一种经过实践去发现问题，并努力找到解决方案的含义，体现出积极向上的生活态度，“只有想不到，没有创客做不到”，实质是对“发现问题和解决问题”两方面状况的反映。如何既要想得到又要快速做得了呢?融合计算思维教育是个不错的选择。计算思维，一个古老但又年轻的概念，经过几年的萌发，现犹如海啸般正在教育界激荡和蔓延，许多地区把计算思维作为技术课程的基础理论和内在核心价值加以引入，期望实现技术学科的稳定性和核心性，并因此而展开了实践探索。计算思维与创客教育1.计算思维教育是创客教育的一种载体教育的本质是人的发展，而人的发展需要高品质的思维，作为“涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动”的计算思维以发现问题和解决问题为立足点，其“思维教学的核心理念是培养聪明的学习者，教师不仅要教会学生如何解决问题，也要教会他们发现值得解决的问题”，这与创客教育的理念、目的是一致的完全吻合的，从这意义上说，计算思维教育是创客教育的一种载体，通过教学能让学生品味计算思维、提高计算思维、享用计算思维，“计算思维将成为每一个人的技能组合成分，而不仅仅限于科学家”，计算思维教育和创客教育的融合是创新人的行为方式和生活方式的一种状态。2.计算思维训练是创客教育的途径之一郭喜凤教授等认为：计算思维源于并服务于由理论、技术、工程、工具、服务和应用构成的计算链，这一计算链以计算理论为始点，以计算应用为终点，每一结点都将产生计算思维，从始点到终点的转化构成计算思维的工程化，从终点到始点的转化构成计算思维的抽象、升华和理论化。创客教育实践是从始点到终点的转化，是计算思维工程化的体现，创客教育课程是从终点到始点的转化，是计算思维理论化的体现，从这角度看，计算思维训练应是创客教育的途径之一，它使创客教育可以条理化，具有了可操作性，计算思维训练是创客教育的一种实践形态。3.计算思维方法是创客实践的具体策略“计算思维应把基础和核心建立在经验、实证和教育之上，应关注方法、实践和实效”，用计算思维去发现问题和解决问题应是每个人的基本技能，创客教育实践中大量应用计算思维的约简、分离、转化、仿真和应用等方法，是计算思维教育和创客教育两间融合的体现，计算思维方法是创客实践的具体化，是创客实践策略的基础，是创客的一种存在境界。创客教育与计算思维教育的融合案例课堂是创客教育与计算思维教育融合的常见阵地，以下以苏科版小学信息技术教材中《机器人行走》一课的教学为例，例谈一些常用计算思维方法的应用。1.问题的约简紫光学生机器人是教材配套的“两轮独立驱动智能机器人”，表面看似一台简单玩具小车，但要求通过编程来指挥它行走，学生往往没了头绪，不知如何来“玩”。解法：先让学生观看玉兔号月球车落月的一段视频，然后问：“嫦娥奔月是我们中华民族的千年梦想，能在月球上走走，是我们民族的骄傲，月球车从登月器上下来到达采样区，一共行走了多少距离?”，这是个典型的可计算问题，从判断月球车行走过的距离切入，整合数学知识，学生极易明白“速度与时间”是获取月球车行走距离的两大核心要素，紧接着又问：“玉兔号月球车我们没有，但手里有紫光学生机器人，你能指挥它行走吗?”，于是机器人的行走问题，学生也就很自然地简约成计算机技术了：让机器人行走，只需设置行走速度和行走时间。通过对庞杂或复杂问题的简约化，降低问题难度，便于分析和解决问题，这就是计算思维的约简。2.关注点分离能让机器人行走且能按人的意图顺序行走，体现机器人的“智能”，区别于普通玩具车是本课教学目标之一。解法：运用关注点分离方法，借助案例来实施。关注点分离就是将复杂系统，用合适方法分解成多个模块(阶段)，然后再逐一针对各模块特征，找出各自解决方法，最终解决整个系统问题。如庖丁解牛般在关节点分割，其应用模式一般分3步：①问题分离策略，②各模块分别求解，③合成各模块的解。图1矿区场景图先情景化案例(见图1)：“A、B、C、D四种矿石分布在四周区域，中间为E区域是矿石加工区，如果机器人要采集其中一种矿石用于加工，请以加工区为始点和终点，设计一个机器人行走方案”。这类场景学生极易上手，会有多种分离策略，如采集B矿石分解为前进、后退和停止，采集C矿石分解为右转弯、前进、后退和停止等;各模块的解，通过尝试操作较易获得，各模块解的合成也不难获得，即“机器人采矿行走方案实质就是机器人前进、后退、转弯和停止这四种基本形态及其组合方式”。通过关注点分离，学生把案例场景演变成机器人的四种行走形态，从而顺利桥接到已有的计算机设置技术，最终完成设计方案。3.巧妙的转化对于转弯内容的教学，我们运用了转化的方法。所谓转化，就是把复杂的问题转化为能够用计算机解决的形式。根据紫光学生机器人两轮驱动的组合形态，即“左右同进、左右同退、左停右转、左转右停、左进右退、左退右进”共六种，分别设计了对应的六组转弯情景实验题，利用自制的“紫光学生机器人行走模拟演示工具”在计算机上实验这六组情景题，可视性强，通过屏幕记录机器人的转弯轨迹，不但方便快速，而且把繁杂晦涩的转弯形态，转化成直观形象的可视图了。图2转弯轨迹图通过计算机工具的充分应用，有效显示了机器人的转弯轨迹，使得动态事物静态化，顺应了小学生形象思维为主、初步的逻辑思维为辅的思维特点，把抽象的逻辑思维转化为直观的形象思维，省时省力有实效。4.验证式仿真以上借助“理想化现实情景”案例，顺利完成了教材中4个基本动作形态的相关知识学习，但偏重了计算工程中的“实现方法”，而事实上一项工程还有“系统分析、方案设计”等其他配套环节，因此，实施“机器人按人的要求行走”，至少应当包括“系统分析”中的行走路径规划、“方案设计”中的程序编程策略和“实现方法”中的算法优化等内容。为嵌入这些内容，教学中增补了场景：如果机器人要采集全部四种矿石用于加工，而非只是其中一种矿石，那这个行走方案该如何设计呢?为让学生既享受结果，也享受过程，不减少探究体验但能缩短探究过程，实现过程与结果的动态平衡，这里充分运用了模拟演示工具，让学生仿真演练自己的设计方案。教学流程：先让学生说行走路径规划，诸如先采什么矿石，再采什么矿石等，然后讨论归纳形成程序编程策略，诸如先前进多长、后转弯多大，再后退多少然后停止等，最后通过思辨和仿真演练验证，进行算法优化，诸如先前进到B区，再转个大弯(转一圈)后停下等。在模拟仿真的运行环境下，这些路径规划、编程策略以及对应算法，因为没有了机械传动、摩擦力等因素的影响，所以方案主体的支撑性和稳健性更易得到验证，同时干扰少了，学生也就更易专注于需求分析、策划设计和算法优化了。5.实体化应用课上到这里，总体上学生思辨多，模拟操作多，可谓“纸上谈兵”，而实体场景中，受电力强弱、地面平整度等因素影响，机器人行走并不一帆风顺，为让学生能够像计算机科学家那样思维，将事物模型逐步转化为计算机所能理解的符号模型，避免只会解答理想模型而不能求解现实问题，让学生身临其境地参与求解过程，学以致用，这是教学的使然，因此，让学生在实际场地纸上调试操作紫光学生机器人，既可实证前述行走方案，也可进行其他一些实体化应用，这是教学的应然。实体场景中的操作调试，学生往往错误百出，完成情况可能并不理想，这是正常的，我们只需关注学生思考探索问题的过程，而不是解决问题的结果，关注学生和机器人协同解决问题的过程，关注学生把现实事物转化到信息世界，再把信息世界描述数据转化到机器世界的过程，关注学生对机器人执行程序后反馈结果的处理方法，等等，要让学生体会人和机器人在问题求解过程中的不同分工，理解人和机器人间的辩证关系，如：人思维越深入模型构建越合理，则机器人行走效率越高，而机器人性能越高，则人需要考虑的因素会越少等，要让学生多寻求解决问题的方法，以提高自己的计算思维能力。结束语计算思维的应用能够培养学生像计算机科学家那样，用计算机科学的基础概念去处理问题解决问题;计算思维教育和创客教育的融合是可行和有效的;创客教育中把计算思维培养成每位学生的基木技能，不可能一蹴而就，而应当贯穿于整个教学体系之中。(作者介绍：倪正辉，中学高级教师，江苏省启东实验小学。文中课堂教学案例《机器人行走》，曾在江苏省教研室组织的“2013年江苏省中小学机器人课堂教学视频展示与评比”活动中，获得一等奖。)声明：1.转载请注明来源：中国教育信息化在线(cedictol)。2.本公众号所转载文章不代表我们认同其观点或证实其内容真实性，作者如果不希望被转载，请与我们联系，删除相关文章。阅读4365投诉写留言