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面向小学生计算思维培养的机器人编程教学.docx

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面向小学生计算思维培养的机器人编程教学

在数字化时代背景下,计算思维已成为中小学生必备的一项关键能力。《义务教育信息科技课程标准(2022年版)》(以下简称“课标”)特别强调了培养学生计算思维的重要性。机器人编程教育,作为培养计算思维的重要途径之一,正逐渐被纳入小学课程体系。为了探索在虚实融合环境下的机器人编程教学方法,有效培养小学生的计算思维能力,笔者基于具身认知理论,遵循“虚实融合、先虚后实、能实不虚”的原则,构建了一种虚实融合的教学模式。笔者以“底盘移动”为例,在教学实践中进行了应用与验证,旨在为小学机器人教育教学的普及和发展提供理论和实践上的支持。

一、虚实融合:提升学生计算思维的教学新方法

课标明确指出,培养学生的计算思维是教育的核心目标之一。计算思维是指学生在掌握并应用计算机科学的基本概念,如抽象、分解、算法、迭代、调试和一般化等,进行问题求解和系统设计的过程中,形成的一种面向信息时代的高阶思维能力。早在2012年,美国麻省理工学院媒体实验室的终身幼儿园研究小组就提出了计算思维的三个维度:计算概念、计算实践和计算观念。机器人编程教育是培养小学生计算思维能力的重要载体。

随着新技术的发展与应用,虚拟的智能教育机器人仿真平台与实体智能教育机器人相结合,形成了“虚实融合”的教学环境,为机器人教育的普及和推广提供了广阔的空间。虚拟教学平台能够为学生提供无限的探索空间、可视化的学习过程,并超越现实实验环境的限制,从而进一步促进教育公平。陈宇峰等人对面向计算思维的启发式虚拟实验教学进行了探索性研究,并在大学计算机基础课程中引入了虚拟实验辅助教学[1]。杨雨等人则通过“虚拟机器人”项目开展STEAM教学,利用萝卜圈3D机器人在线仿真平台进行机器人教育[2]。张敏认为,与传统机器人相比,虚拟机器人能够降低普及的门槛、易于推广,在程序设计教学中为学生提供了直观的作用对象,从而激发学生的学习兴趣,让学生更接近算法与编程,促进学生计算思维的长期发展[3]。

尽管在虚实融合环境下开展机器人教学具有明显优势,但目前虚拟仿真实验与真实学习环境融合教学方面的研究仍然较少。笔者基于具身认知理论,构建了以学生为中心的虚实融合教学模式,并进行了实践教学与成效验证,旨在为机器人教育的普及和普惠发展探索出一条新路。

二、虚实融合环境下智能机器人教学的理论框架

具身认知理论提出,学生在纯虚拟环境中与教具的物理距离可能会引起心理疏远感,而鼓励学生在实验探究过程中与环境进行多模态的身体交互[4]。在虚实融合的实验探究中,教师将虚拟现实技术与传统手工搭建结合,可以实现虚拟探究环境与真实探究环境的整合,为学生的观察反馈以及身体与实验探究环境的多模态交互创造条件。这种整合有助于形成场景优势互补,突破传统教学的空间限制,优化虚拟教学的真实感,从而改善学生学习体验,增加学习投入,并优化教学进程控制,提高教学效率。基于此,笔者提出了虚实融合环境下教学设计的五项原则。一是匹配性原则:遵循“虚实融合,能实不虚”的设计思想,设计相应的学习形式,以最大化促进学生有意义的知识建构为前提,设计虚拟环境与真实环境中的学习形式。二是可视化原则:运用数字技术手段,将抽象的概念、原理与过程等转换成直观形象的内容,为学生提供学习的支架与桥梁。三是可操作性原则:为学生主动建构提供可生成、可操作的学习内容,支持学生更直观具象地进行认知加工。四是情境化原则:为学生构建特定的问题情境,立足具身学习基础,促进其身体体验、知识迁移与高阶思维培养。五是真实性原则:依据教学内容创设与之相适应的虚实融合实验探究场景,提供真实的操作任务和无限接近真实的实验场景。布置真实的操作任务旨在让学生体验真实的产品设计、调试、迭代和完善过程,以真实的实验场景支持学生的科学探究。

基于以上设计原则,构建了虚实融合环境下机器人编程教学的理论框架,如图1所示。

该框架以虚实融合智能机器人教学的内容作为目标核心,左边区域为虚实融合的智能机器人教学学习环,以虚实融合的教学环境中教师指导和学生合作学习为主线,从实到虚,再由虚入实,分为明确任务、新知学习、合作探究、实践应用和展示评价共五个环节。在学习环,学生体验了解决真实问题的流程、实践操作活动和逻辑思维的训练,既有设计、调试以及实操的机器人控制环节,满足了学生动手动脑的自我实现需求,又涉及编程操作,通过问题情境的设置和小组协作的形式,帮助学生提升高阶思维能力,与研究设计中对学生计算思维培养的目的保持了一致。右边区域为学习结果环,包括学生的计算思维观念、计算思维概念和计算思维实践能力,从三个维度检验虚实融合的智能机器人教学对于学生计算思维培养的可行性与有效性。其中计算思维观念参考国际上使用最为广泛的由Korkmaz等人编制的计算思维量表CTs,对计算思维进行较为科学的测量,将其分为创造力

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