4教巧究2021年第3期教育信息技木
基于 Swift Playgrounds的
小学无人机编程教学探索
罗伟坚，刘峻
(广东省广州市荔湾区芦荻西小学，广东广州510170)
【摘要】以人工智能为代表的新一代信息技术的高速发展，使得工作、学习、生活越来越趋于智能化，而编程 是智能技术赖以发展的基础，编程能力逐渐成为新时代人才的重要技能之一。在信息化时代背景下，小学编程教育逐 步推广，但在实际教学中因其枯燥晦涩而存在着教学效果不佳等困境，文章基于Swift Playgrounds软件，提出将无 人机引入编程教学，探究无人机在小学编程教育的实效步骤和效果，为青少年编程教育提供新思路，以期提升编程教 育质量，培养学生适应未来社会的核心素养。
【关键词】Swift Playgrounds；无人机；编程教育
一、研究背景
技术的迅猛发展，使得以人工智能为代表的信息技 术发展对教育领域乃至各行各业产生了翻天覆地的影 响。培养时代需要的信息化人才成为教育的新目标，编程能力作为新兴信息化人才的必备技能，在基础教育中 逐渐崭露头角。编程能力是人工智能发展的基石，是跨 学科学习的基础能力之一，编程教育的重要性不言而喻。2017年我国国务院《新一代人工智能发展规划》、2019
网（CNKI)的期刊数据库作为数据来源，笔者在未来研 宄中将进一步丰富数据来源。其次是本研宄仅对2016- 2019年的国内文献研宄趋势与特点进行论证，笔者在 未来研宄中将结合国际文献做更加深入的分析对比。
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责任编辑：刘立芳
教育信息技术2〇21年第3期
年教育部《2 019年教育信息化和网络安全工作要点》中明确提出在中小学阶段推广编程教育。美国《地平线 报告》从2016年到2018年连续三年提到青少年编程能 力，可见在全世界范围内，编程教育正逐渐渗透入基础 教育领域。
而在小学阶段实施传统的编程教育，程序语言难度 高、编程课程枯燥无味，使得学生对编程教学兴趣不高、学习效果不佳。为了解决这些问题，进一步贯彻落实教 育信息化2.0行动计划和国家关于新一代人工智能发展 规划的精神，加快多样化信息教学，突出以学生发展为 中心的教育理念，结合学校、学
生的实际情况，笔者所 在学校积极开展编程教学实践研宄，坚持探索寓教于 乐的编程教学形式，在编程教学中引入无人机与Swift Playgrounds软件，开发无人机编程教学，提升编程教 学的趣味性，丰富教学内容，让学生更加直观、充分地 体验到编程的魅力，了解信息技术与人工智能对学习和 生活的影响。
二、研究现状
人工智能时代背景下，编程教学已成为国内外教育 教学的研究热点。编程是规定一定的计算方式，让计算 机按照预定的计算方式运行以解决问题的过程。编程语 言是编程的文字载体，世界上现有多种编程语言：以C 语言为代表的传统编程语言常见于高等教育，相对于小 学生而言比较晦涩；而以Swift为代表的可视化的编程 语言，因其图像化、易操作、易理解等特点成为基础教 育中编程教学首选的编程语言。小学编程教学通常以项 目式教学的方式开展，借助编程软件及相关硬件，采取 小组合作、“做中学”的方式，通关完成一个编程任务，将初级的编程知识与技能传授给学生。小学编程教学有 利于丰富学生信息技术知识，提升动手实践能力，提高 学生的合作与交往能力，培养创新意识与计算思维。学swift语言能干什么
目前，编程教学在小学中的运用有利于培养学生的 计算思维、逻辑思维和创新能力，己有一定研究基础，能 够为本文提供借鉴。但目前小学编程教学研究多在于探索 教学的模式，对小学编程教学的创新实践应用研究较少。
无人机编程教学已逐步在中小学课程中推广普及。通过编写无人机程序控制代码，不但能激发学生的实验 兴趣，调动学生学习的主动性，也能培养学生计算机操 作能力、实践动手能力逻辑思维能力和创新创造能力。目前无人机编程教学研究主要集中在基于STEAM等教学 模式的探索、采用的无人机设备等方面。邹卫华主要 探索无人机的创客课程的实施和对学生能力的培养[1]；王雨峰探索利用游戏教学法引入无人机教学中有利于激 发学生的学习热情和提升无人机操作能力[2]；朱珂探索“5G”技术与无人机结合下的教学应用场景和路径[3]。
综上所述，无人机教学在小学的应用仍处于起步阶 段，针对编程教育的相关实践研宄较少，鉴于此，本文 探索基于Swift Playgrounds的无人机对小学编程教学 的作用及意义，以期为创新小学编程教学提供参考。
三、可行性分析
(一） 硬件方面
无人机即无人驾驶飞机，是利用无线电遥控设备 和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，在基础教 育中使用的无人机通常为小型无人机。笔者选择的是 Parrot Mambo F l y无人机，这款无人机价格适中，外 观小巧，操作简单，反应迅速，一键起航，性能安全，支持图形化编程，可以通过编程自定义各种飞行动作，易于普及推广，比较适合于基础编程教学。
(二） 软件方面
Swift是一种由苹果公司开发的运行于苹果系统 编程语言，易学易用而且功能强大。它的命令均基于 易于熟悉的英文单词，例如‘‘Jump ”和“Forward ”，以此引导小学生学习各种各样的编程代码。Swift Playgrounds软件是苹果公司开发的一款教育类APP，它基于Swift语言在iPad上运行，操作简单，交互性 强，是一款适合编程小学生的可视化编程软件。Swift Playgrounds以游戏闯关为主要形式提升用户编程能 力，传授编程的基础知识与技能，包括命令、函数、循 环、参数、条件代码、变量、运算符、图形、初始化和 缺陷修复等。另外，软件还支持代码的共享与导出。
Swift Playgrounds融合了各式各样的关卡模块，其中包含无人机编程模块。无人机编程模块设置界面分 两大部分，左边显示Swift语言代码，右边显示无人机 的实况。通过调整左边编程代码后，无人机即可根据指 令实时执行，整个过程简单而明显。事实上无人机本身 飞行的动作非常复杂，为此教学过程中需要把每个动作 进行梳理，而梳理出来的动作就转变成Swift语言的指 令代码，其中就包含了 “起飞、降落、左转、右转”等 指令代码。当在软件中输入所有的指令代码后，无人机 就可以完成飞行任务。该软件界面友好，直观明了，易于操作，借助无人机开展编程教学，通过设计、完成无 人机飞行任务，非常适合小学生进行基础编程学习。
无论是软件还是硬件方面，基于Swift Playgrounds 的无人机编程都是不可多得、能够易于在小学生组织开
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展的教学，有助于提高学生的编程语言水平及能力，培 养学生的沟通交往、团队协作和意志品质。
四、 实施步骤
学校开展的无人机编程教学深受学生好评，提高了 学生的学习积极性，进一步培养学生的计算思维及提高 学生的综合素养，并取得了良好的编程学习效果。具体 组织实施分以下几个步骤：
(一） 切入生活实际，激发学习兴趣
以生活实际切入，激发学生的编程学习兴趣。通过 展示无人机在国际中的发展史和目前的使用范围，让学 生清楚地认识到无人机从一开始的军事用途到目前除了 航拍以外，无人机还广泛地运用到农业植保、灾害救援、环保检测等六大应用领域，消除学生对无人机只能航拍 的印象，为更好地让学生融入场景教学打下基础。
(二） 紧扣思维能力培养，精选主题学习内容
通过无人机及编程语言的基础学习认知，培养学生的思维能力。系列的主题课程让学生认识并熟练掌握 Swift基础编程语言、无人机编程语言及编程逻辑，了解无人机基本结构（高度感应器、传感器等的
作用）、飞行安全事项，认识当无人机在没有遥控器的情况下是 如何通过Swift无人机编程软件进行遥控飞行等内容，以此培养学生的编程思维，提高编程逻辑思维能力，提 高学生在编程中分析问题及解决问题的能力。
(三） 任务驱动式教学，培养学生综合素养
设计场景模拟任务（如高空搜救），通过完成目标 任务培养学生综合运用所学编程知识解决问题的能力。让学生在熟悉编程语言后，分小组接受任务，针对给出 的任务提示进行小组讨论，各小组制定出合理的解决方 案。在进行无人机编程语言编写、调试及小组讨论方案 过程中培养学生的团队凝聚力、协作能力、沟通能力及 编程相关的思维能力等。
五、 实施效果
(一）无人机能有效激发小学生的编程学习兴趣
程序是智能设备的灵魂所在，但日常生活中，学生 往往只能接触到智能设备的外在表现，难以理解其内在 程序，而传统编程课程枯燥晦涩，难以引起学生的学习 兴趣与学习热情，长此以往学生对编程语言学习的兴趣 渐渐降低。经过研宄发现，通过借助无人机开展编程教 学，能够通过以下两种形式激发学生编程学习兴趣。
一方面，借助无人机有利于在编程教学中开展任务 式教学、情景式教学。通过在课堂上设置无人机的场景模拟任务，例如模拟无人机搜救等情境，并提供具有挑 战性的现实问题，组织学生以小组合作的形式进行场景 模拟任务的分析、讨论再进行程序的编写，通过程序实 测完成场景模拟任务以及在后续的团队交流分享中体验 问题解决、任务完成的乐趣。这种游戏化学习的过程能 够提升学生在编程学习中的自我效能感，有效地激发学 生对程序设计学习的兴趣。
另一方面，借助无人机有利于将编程教学可视化呈 现。皮亚杰认知发展理论认为，小学生正处于思维由具 体运算向形式运算的过程，其思维特点是以直观形象思 维为主，并随着年龄与知识的增长慢慢转向抽象逻辑思 维。对于学生而言，抽象的编程教学难以理解，而将编 程与无人机的运动相结合，则能够将抽象转化为具体，有利于学生理解和学习，激发学生编程课堂的参与度。通过可视化的编程软件Swift Playgrounds，学生在进 行编程的过程中不会只面对枯燥乏味的程序代码，可以 利用配套的硬件设备进行程序组合的可行性及合理性的 即时检验。这使学生能够更加直观地了解程序的概念，认识程序一步步运行的过程，以及接触到各种编程过程 中突发的抽象性问题，例如多段程序代码同时出现时会 出现怎样的反应等等。
(二）无人机能助力编程教学培养学生计算思维
2017年地平线报告（基础教育版）提出培养中小 学生的计算思维是21世纪一个重要的课题，计算思维
应该成为一项必须熟练掌握的基本技能[4]。随着人工 智能时代的到来，计算思维逐渐成为创新型人才的必备 思维品质，开始受到教育界的重视。国内外对计算思维 的界定普遍采用周以真教授的观点，他认为计算思维的 本质是问题求解、抽象和自动化[5]，并在此基础上解 释了构成计算思维的主要要素，主要包括抽象、一般化、分解、算法、调试（检测和纠正错误）[6]。对于小学生 而言，编程教育是计算思维的主要培养途径之一，因此 在编程教育中注重学生计算思维的培养十分重要。
在引入无人机开展的编程学习中，通过游戏化教学、任务式教学等形式，学生在学习信息技术知识的同时，可以通过完成任务、解决问题的过程理解程序设计的基 本概念和结构，开拓逻辑思维，合作沟通与碰撞，形成 多样化的问题解决路径，培养计算思维。在教师设定的 任务情境下，Swift Playgrounds编程软件能为学生营 造非常直观的编程界面，学生在熟悉基础的编程语言后 能快速地融入到教师设定的场景中，将抽象的、复杂的 问题分解成几个步骤，思考流程与算法，并开展实践，在无人机的飞行航线及飞行姿态中得到即时的反馈，通
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过分析反馈的信息，利用Swift Playgrounds中“单步 调试我的代码”功能不断修改、调试代码，从而完善程 序，促进计算思维的培养。
以无人机编程《模拟高空搜救》一课为例，教师设 定复杂任务：无人机需要模拟现实完成搜救的常规
任 务，包括高空地形拍照回传、山谷穿越、事故范围盘旋 飞行拍照回传、低空搜索并且确认事故发生点等任务。在任务驱动下，学‘生需先对整个任务进行系统的分析思 考，包括如何绕飞山川、树林，穿越山谷的同时思考是 否需要让无人机调整飞行姿态，才不会触碰到山体从而 导致坠机，在哪一个环节无人机可以进行加速飞行，从 而为救援带来更多的时间及可能性。在程序的设计编写 环节中，根据任务完成的需要学生要充分考虑是否加入 重复循环语句和逻辑语句，从而缩短编程时间，让程序 更加的简洁明了。在进行高空拍照及事故范围盘旋飞行 拍照时，需要思考插入悬停指令，让无人机在固定高度 进行悬停3— 5秒，等无人机稳定后再插入拍照程序……因此，学生在借助无人机的编程学习中，经过丰富且充 满挑战的问题解决过程，且不断地试错，发现问题、思 考问题和解决问题，从而有效培养学生的计算思维。
(三）无人机能培养学生编程学习中的创新意识
除了激发学生学习兴趣，培养计算思维等方面，借 助无人机开展编程教学还能激发学生在编程学习过程中 的创新意识。当下，青少年编程教育呈现出创新性、可 发展性、综合性及实践性等特征，研究发现，以无人机 为载体组织编程教学能够将编程的实践性、创新性与综 合性融合，培养学生的创新意识。
第一，通过设置挑战性任务激发学生创新问题解决 的能力。编程本来是抽象枯燥的，为了让学生更直
观的 了解无人机编程的基本原理，笔者改变传统的教学方式，积极进行了无人机任务场景模拟化的教学探究。在场景 模拟设计中，教师可从多方面作充分的考虑，提供丰富 且具挑战性的任务。通过实测让学生清楚地体验到，在 程序的编写设计过程中达到目标任务的程序其实是有多 种选择，在这个过程中学生充分发挥主体作用，设计 不同的程序来解决问题。在团队沟通协作的友好氛围 下，学生的创新思维得到充分的展现。此外，在Swift playgrounds软件界面中也充分提供了创新思维的培养 素材。如在无人机编程界面的挑战项目中，学生可以利 用所学到函数及编程语言进行遥控器的制作，从而实现 摇晃移动设备来控制无人机进行飞行。在完成这个程序 设计的过程中，学生需要综合运用所学到的编程语言进 行程序的编写，通过不断的测试完善自己的无人机遥控
器，而这无疑为激发学生的创新思维及发散性思维提供 了很好的机会。
第二，通过无人机培养学生跨学科知识与能力，培 养创新思维。Swift无人机编程教学非常易于与STEM 学习模式融合，开展跨学科的学习，培养学生跨学科的 思维方式。Swift编程学习离不开非常多的英语命令代 码，这本身就是一个英语学习的过程；同时还需要用到 到计算、方位、风向等地理、物理领域相关知识。这有 利于打破传统的学习模式，不再局限于单个学科的认知 和学习，让小学生在编程的过程中对语文、数学、英语、科学等相关学科知识综合学习，并迁移应用，能够培养 学生的创新应用能力。
六、结语
计算机编程在未来的信息社会中意义重大，处于核 心竞争力的范畴，是学生在未来的信息化社会中的一项 重要素养，在各阶段的教育教学中都应高度重视。本文 在小学编程教育推广的教育时代背景下，通过文献研宄 与实践研宄，梳理了基于Swift Playgrounds的无人机 编程教育相关核心概念，探索了无人机在小学编程教学 的可行性和实施步骤，结合具体案例展现无人机在编程 教学中具有激发小学生的编程学习兴趣、助力编程教学 培养学生计算思维、培养学生编程学习中的创新意识的 三点效果，以期为提高小学编程教育质量提供切实可行 的指导借鉴。
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责任编辑：郭艳军

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