面向小学生计算思维培养的可视化编程项目式教学
作者：董洪艳 史明会
来源：《中国信息技术教育》2022年第11期
        摘要：计算思维是小学信息技术课程核心素养的核心内容，在该课程实施过程中，需要创设培养计算思维的良好情境。本文以可视化编程平台为基础，结合PBL模式下的教学实践案例，阐述如何在教学过程中培养和提升学生的计算思维。
        关键词：计算思维;小学;PBL
        中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2022）11-0031-03
        计算思维是个体运用计算机科学领域的思想方法，在形成问题解决方案的过程中产生的一系列思维活动。目前，在小学阶段培养计算思维主要是借助可视化编程工具，采用编程教学进行计算思维的外化表征。但在教学实践中笔者发现，在传统的教学模式下，学生倾向于编程知识的学习和游戏进阶的闯关，随着难度的递增，学习兴趣和对优化解决方案的诉求逐渐减弱，从长远看，不利于计算思维的培养。因此，笔者尝试基于PBL模式设计创意项目，结合机器人、无人机等外设，模拟完成项目中所需要的角和动作，以此来巩固编程知识，同时达到培养计算思维的目的。
        ● 构建项目内容，培养计算思维
        一个真实的、有挑战性的驱动问题，更能激发学生的创造力。学生首先结合日常生活，寻想要解决的问题，在确定驱动问题的过程中，通过判断问题解决的可行性和迫切性，增加团队成员对驱动问题的认可度。在解决问题过程中，笔者引导学生以“算法”的思维方式来思考问题，将大的问题抽象分解成许多小的问题，直到小的问题能够自动化解决。在解决问题时，按功能顺序排列来实现，最终为问题的解决提出一个方案。学生需要在真实情境中分析各角的任务分工，如何相互配合，最终完成任务，教师重点对学生的思维进行诱导、指引和总结归纳。
        笔者将计算思维的五个维度作为核心培养内容，构建了基于PBL模式的计算思维培养模式（如下页图）。该模型是由基于PBL模式的教学实践循环圈和计算思维核心能力实践循环圈组成。通过构建项目内容，解决生活中的现实问题，将项目情境和实际问题相结合。
        ● 数据调查，确定驱动问题
        学生通过关注新闻、数据调查等方式，了解到每年暑假总会发生溺水事故，而错误的救援方式往往是导致悲剧的原因之一。有没有办法预防溺水？或在有人遇险时怎样及时采
小学创意编程学什么取正确的救援方式？基于这一真实问题，学生提出尝试利用智能机器人解决问题，并最终确定小组的项目主题——海边救援。教师通过播放溺水新闻视频和救援视频，引导学生分析救援任务，进行人员分工。
        结合PBL培养计算思维的模式，在确定驱动问题的过程中，学生通过语言描述和模拟道具等方式，实现场景再现，并合作探究尝试编写程序，计算思维开始进入萌芽阶段。
        ● 设计方案，认领任务
        學生在设计方案时，通过头脑风暴，将能够想到的项目内容全部记录并筛选。最终得出以下解决方案：无人机在空中全方位观测，根据海面上人数的突发性变化来判断险情;通过悬停在被救人员上方，来定位救援位置。学生将海滩场景分为黄海滩（安全区）、蓝深海（危险区），便于EV3机器人巡线开展救援，用编程控制机器人扮演遇险者（如下表）。学生在讨论中，已经呈现了计算思维的初步应用。
        ● 问题抽象，算法实现
        抽象是指将与问题无关的特征和模式去除，只留下相关核心的属性，直到确定一个共
性的问题或建立解决这类问题的模式。在海边救援项目实施中，EV3机器人搜救是整个项目最核心的部分，也是最难的部分。笔者引导学生将具体的问题转换成抽象的算法，将算法转化成流程图在组内讨论，最后由流程图转换程序指令，强化算法的分析，用程序设计解决实际问题，整个过程，学生经历了三次抽象。在具体实施过程中，学生很自然地将任务分解、细化。整个搜救的技术任务分为搜索、移动、抓取三部分，而搜索部分的重点在于器材选择和搜索算法。
        （1）在器材方面，用可视化编程语言来控制机器人扮演遇险者，用无人机来定位，用EV3搭建救援机器人。在整个项目中，救援机器人是重点，学生考虑了两个问题：第一，现实中海滩会有凸凹不平的路况，因此救援机器人摒弃了常用的轮胎结构，采用履带式结构。第二，选择什么传感器进行移动探测？如何实现反复巡视的效果？学生提出两种方案，采用超声波传感器或灰度传感器，在尝试灰度传感器时，发现在机器人沿线（如黑线）行走时，是根据黑白灰度值来判断机器人是否行走在线上。由于轨迹线的颜不是绝对均匀，机器人在行走的过程中行进路线经常有偏差，不稳定，因此，最终采用了超声波传感器。
        （2）在搜索算法方面，在搭建搜索机器人时，超声波传感器是机器人的眼睛，指向前方，如果需要在横向巡逻的时候搜索海面，就必须让机器人按照一定的频率转向海面方向，但这会造成代码较复杂，缺乏效率。经过讨论和测试，学生决定在机器人的头部和右侧各安装一部超声波传感器，通过侧向传感器判断是否存在“遇险人员”，发现目标之后再转身，通过正向超声波确定救援的移动方向。并且，在移动的过程中，在通过减少电机转动角度降低移动速度的同时，用循环语句不断对正向超声波返回的数值进行比对，确定目标的精确位置。然后根据精确位置和距离读数，调整搜救机器人的正面朝向和移动方向，以此确保机械臂可以朝向并接触目标，利用机器臂来完成救援工作。学生在具体分析程序时，巩固了之前所学习的函数、循环、条件判断等编程概念，计算思维开始进入发展阶段。
        ● 迭代思维，解决问题
        在完成项目中的救援抓取任务时，学生发现机械抓手对准被救人员是难点，而在执行救援任务时，被救人员是否在抓取的有效范围内，也是完成救援任务的关键。为了控制难度，保护学生的创造力，笔者引导学生在程序设计上运用了一个循环语句反复检测与被救
人员的距离，当正向超声波传感器返回读数小于设定值时停止前进。在使用循环语句确保持续探测的同时，还要考虑电机转速和转动角度对应的移动距离，每次循环都会重新探测机器人和被救人员的距离，并且与所设置的条件数据进行比对，以确定是否达到最佳位置，是否要停止当前动作转而执行下一动作。这个过程体现了程序设计的迭代思维，计算思维进入深入阶段。
        ● 评价反馈，分享成果
        在整个实践过程中，笔者鼓励组间相互交流、分享策略，在进行过程性评价时，鼓励组内学生自我评估。除了对程序功能是否完成做出评价外，笔者更注重对学生的语言表达、沟通合作、算法思维等多方面进行评价，进而实现计算思维的培养。在小组展示的过程中，所有学生再次进行头脑风暴，在质疑的同时，不断纠错调试，最终形成解决方案。同时，学生的学习目的明确，过程有趣，自主学习热情高涨，整体参与度高，计算思维开始进入巩固阶段。
        ● 结束语
        计算思维教育的目的是希望学生在分析和解决问题的过程中，能够在众多信息中明确核心问题，将具体问题抽象成算法，让计算机根据算法程序自动化执行。因此，在项目实施过程中，教师的角需要从知识的传递者变成引导者，让学生学会用编程解决生活中的实际问题，提高团队协作、沟通表达、批判性思维、创新创造能力。
        但是，在项目实施过程中仍然有很多需要反思的地方。PBL模式是以团队组建为基础的，团队的组建和分工合作不是一步到位的，需要贯穿学生学习的整个过程。成员的搭配要综合考虑互补或进阶。项目式教学在评价环节，根据学生展示的作品来诊断学生的学习效果，而互补性团队的项目呈现外显效果往往没有进阶型团队的成熟。为了增强外显效果，学生往往需要利用大量的课后时间，花费精力去不断调试和和组建机器人，这同时也对学生和教师的综合能力提出了更高的要求。针对这些问题，笔者后续将进一步探索和优化。
        基金项目：合肥市教育信息技术研究课题“基于Swift Playgrounds培养小学生计算思维的实践研究”（课题号：HDJ21015）。

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