计算思维视角下的线上编程教学应用探究

金亚明

一、研究背景

2006年计算机科学家周以真首次提出“计算思维”这一概念：“通过运用计算机科学的基本概念求解问题、设计系统和理解人类行为的方式，涵盖了计算机科学领域广度的一系列思维工具”。这一概念提出后，众多国家及地区开始关注学生计算思维的发展。

计算思维的定义，可以从广义与狭义两个角度进行理解。从广义上讲，计算思维是分析和解决各种问题的基础。从狭义上讲，计算思维是计算机编程的相关概念，是开始编程前的思考过程，是将编程解决方案的思路转换成计算机能够操作执行的计算机语言的过程。从2014年浙江开始实行7选3考试，正式把技术列入到高考学科。自此程序设计课程的学习不再局限于拓展性的课程中，而正式登上了高考大舞台。各校对该学科的重视程度一年高于一年，结合很多大学中人工智能等相关专业的开设，程序设计课程明显比重剧增，不管是VB语言还是C语言，亦或图形化编程，对学生学习、思维能力提升都有诸多益处。在信息技术学科教学中，教师可以将考试的VB语言和萝卜圈虚拟编程的图形化操作，将计算思维融入其中，借助可视化编程工具，锻炼了学生的程序的逻辑思维能力，合作沟通能力，从而达到提升计算思维的能力和信息素养的综合发展。

二、操作与实施

2.1学校多样化课程的支撑

2.1.1多样化课程中程序设计类课程教学大受欢迎

多样化课程中程序设计课的开展有更多优势，学生对课程是自发的喜爱而选择。学生通过有趣的任务获得知识。他们对各种仿真项目进行研究、设计、调试。以组为单位展开讨论，设计机器人，编写程序，完成指定的任务。从游戏得使用者变成了开发者，充分享受成功带来得喜悦。在这些活动中，学生培养了合作的能力，通过设计项目提升了计算思维能力。教学过程寓教于乐，对于学生来说既学习了知识，又锻炼了自己的思维能力。而且模块化的编程教学适合各个年龄段学生学习，在当前“双减”的大环境下，编程课程的社团活动，不光拓展了学生的学习空间，满足学生不同的学习需求，可以为课后服务增强吸引力。而高中阶段，在繁忙的高中学习中，类似这种以培养学生兴趣能力为主的多样化课程受到了学生的欢迎。

2.1.2萝卜圈软件场景逼真，随时随处可以开展

萝卜圈软件界面设计很容易抓住学生的兴趣，它的场景界面不仅丰富、逼真，同时内部还提供了各式各样的机器人组件。更克服了实物机器人价格昂贵，普通人玩不起的弊端。在萝卜圈虚拟软件中，学生有丰富的选择体验：自主选择组件，搭建合适的机器人，同时，教师也可以自己制作个性化场景，灵活地让学生完成自行设定的任务体验。这样，学生就有了更大创造的空间。当然，还有很方便的一点，就是课程还可以延伸到校外课外，只要借助学校局域网或萝卜圈的外网服务器，只要能上网，学生无论在哪个地方，他都可以登录服务器参与到学习中来。

2.2实践研究——以萝卜圈完成“流水线分拣”任务为例

“我已经迷上了线上编程这一门学科。在与老师和同学共同学习的时间里，我了解了传感器、驱动电路工作原理，对重力、摩擦力等物理知识有了更深刻的领会，掌握了模块化的程序设计理念，原先上课过程中感觉高大上的vb算法变的简单容易，在这之前，我都不知道学习能带给我这么大的自信，我的另外学科成绩也在迅速提升。”这是通过课程学习，获得了省、市多项比赛的同学跟我说的话。由此可见，学生学习程序设计的热情毋庸置疑，同时课程对于學生能力的提升也是显而易见的。同时也为学生计算思维的进一步发展创造了条件。

2.2.1“流水线分拣”任务描述

萝卜圈项目能完成很多任务，以机器人完成产品流水线作业为例。这里有一个“萝卜圈3D仿真机器人”自带的“流水线分拣”任务场景，如图1所示，左边是红筐，右边是蓝筐，流水线分拣要求设计一个机器人将流水线传送带上的产品零件按照颜色分拣到对应的红、蓝筐里。

假定红、蓝产品零件各5个（即总数为10个）从传送带上以固定的时间间隔顺次传递过来，传递出来的零件颜色是随机的。要求：1.每个筐子各放对3个零件，就完成基本任务。2.在最后一个零件放到流水线上30秒后，代表任务结束，系统会弹出分数作为成绩。3.有以下任一情况时表示任务失败：红筐里放蓝色零件，蓝筐里放红色零件;每个筐子里的零件数量少于3个。4.得分计算：得分由放对零件的数量决定。各放对3个得60分，放对10个得100分。

由于学习对象高中学生，他们对程序的概念清楚，当接触到这个看起来更像电脑游戏的软件时，他们表现出了浓厚的兴趣，在学习中，老师对学生加以引导，学生学习速度很快，设计理念是将项目进行任务分解，分解成若干小任务，通过个人努力和团队协作来解决问题，让学生成为学习的主角，真正体现“在玩中学”，从而体会到学习的快乐。

2.2.2机器人的搭建和设计

学生根据任务，分析该搭一个怎样的机器人，需要哪些模块，用哪个完成颜色分拣，用哪个完成瓶子的推动。学生探讨后用伺服电机和灰度传感器搭出了如下的机器人。搭建的难度在于“由灰度的检测值指引伺服电机的动作”的理解（图2）。

学生在合作探讨完成机器人的搭建过程中，对萝卜圈软件中的诸多端口和模块进行了挑选，从一开始茫然地不清楚如何分拣，用两个爪形模块来制作手臂装置，到后面发现有更简单的做法直接用安装柱做手臂。由于没有学过伺服电机，不知道用转动哪个模块来完成。在挑选模块时候走了不少弯路，最后在老师的提示下了解伺服电机的存在。萝卜圈软件中不束缚学生思想，学生可以充分发挥想象，天马行空，分拣项目只是其中一个小项目。在另外任务完成过程中，学生更是积极开动脑经，积极探索合理方案，提升了计算思维能力和学生的综合素养。

2.2.3伺服电机的功能和编写程序

由于在该任务中伺服电机是一个全新的模块，教师做了简单的介绍。一个学生对伺服电机的用法提出了他个人的建议。学生说，这个伺服电机配上安装柱像极了圆规。用圆规比拟伺服电机的功能就是能驱动安装块左转和右转一些角度。让其他同学一下子熟悉了这个新学的模块。

通过对任务的分解，理解一般情况下程序是按照顺序来执行命令语句的。图3中的程序是最终由学生设计的伺服电机的图形化编程部分。 学生在信息技术课上学习过VB。结构化模块（函数）对学生来说一点都不陌生。使用循环模块完成重复任务。

在这个过程中，学生可以通过反复验证对问题解决的策略不断优化。比方说学生在调试的过程中，伺服电机一开始的默认值比较低，分拣的速度就会比较慢，为了让分拣的最快，一开始给伺服电机转到90度的时间调到很快，结果却导致分拣的物品直接飞出框。学生经过自主学习，探究，理解更深刻，通过不停的调试和优化，最终得到最合适的方案，在这个学习过程中，培养了学生探究科学奥秘的兴趣，激发学生的好奇心和求知欲，初步养成从事科技探究活动的正确态度;让学生学会选择，学会合作，學会探究，学会创新，培养学生探索质疑、解决问题的能力，搜集、处理信息的能力，动手操作、主动实践的能力。利用自己所学过各项知识，灵活地运用到机器人的实验和制作活动中，有效地提升了学生的计算思维能力。

三、成效与思考

从信息技术学科的学习内容来看，教师要放手让学生多思考、多练习，鼓励学生通过自主探究获取知识，每一次任务完成与优化都是对学生计算思维能力的锻炼。

3.1创新能力和自主探究能力得到提升

与传统教学环境不一样，在线编程的学习只要有网络和电脑就可以随时随地展开。同时教学开展中充分尊重学生的主体地位，强调自主式和开放式，尽量让学生天马行空发挥创造力。它既调动了学生学习的积极性，同时也让学生创新能力与自主探究能力得到提升。

3.2转变学习态度，各方面获得进步

课堂实践后，成员在参加省市区比赛中获得了很多的荣誉，同时我们的社团也获得了区级优秀科技社团荣誉。除了在科技比赛中获得丰收外，笔者观察了学生学习的状态，成果无疑是让人欣喜和吃惊的。学生不仅课堂学习注意力变得专注，同伴间的互助学习也做的很好。特别是在信息技术学科的学习中，每个学生都表现出了对程序设计学习浓厚的兴趣，技术学科的学习成绩也提升的飞快，更有学生在高校三维一体考试中表现优异，被高校录取，乃至在大学中计算机获得免修资格。

3.3“沉迷”任务，缺乏对程序优化的思考

在取得成绩的同时，也要看到存在的问题。萝卜圈线上编程的学习，我们主张给学生更多的空间，但是，放手并不等同于放羊，我们鼓励学生自己去成为课堂的主角，但是往往也有看到个别同学沉迷于任务本身和相互间闯关的比赛，一味地只拼速度，而缺乏对程序如何更优化（程序思维）的思考，致使程度设计知识烙印不够深刻，设计出来的部分程序稳定性不够。这就需要老师在适当时候介入，在课堂中恰当运用程序应用，充分发挥学习主动性，让深度学习真正在玩中发生，让学生的计算思维得到更进一步的提升。

三、结束语

萝卜圈虚拟机器人的线上编程教学，为学生提供了一个自主、协作与创新的平台。线上编程并非想让学生个个都成为编程高手。在学习编程过程中，能够体会那些程序设计思维的精妙之处，能够以有趣的任务来提升学生解决具体问题的能力。让学生通过感兴趣的学习轻松掌握了知识，切身体会到了编程的乐趣。在经历提出问题、分析问题和解决问题的过程中，完成自己的作品。教师通过教学引导，充分发展学生的计算思维能力，提升学生的综合素养，培养新时代需要的人才。

参  考  文  献

[1]安晓瑞.以培养计算思维为核心的计算机应用软件类课程教学改革探索[J].西北成人教育学院学报，2019（02）：61-65.

[2]韩荣胜刘秀芝.虚拟机器人的校本课程开发[J].中国教育信息化，2012（14）：28-29.

[3]陈晓健.计算思维的培养中学生应用软件教学的新选择[J].信息技术与信息化，2018（04）：131-133.