熊國全

近年來，由于機(jī)器人比賽的蓬勃發(fā)展，機(jī)器人教學(xué)正從“為技術(shù)而教”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盀樗季S而教”，它已成為培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力的新平臺(tái)。下面，筆者結(jié)合IRobotQ 3D虛擬機(jī)器人汽車總動(dòng)員項(xiàng)目教學(xué)實(shí)踐，談?wù)勅绾卧跈C(jī)器人教學(xué)中滲透計(jì)算思維的諸要素，從而提高學(xué)生的計(jì)算思維能力。

● 對(duì)比求解，激發(fā)計(jì)算思維意識(shí)

培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維首先在于激發(fā)其計(jì)算思維意識(shí)。因此在教學(xué)中，我們應(yīng)有意引導(dǎo)學(xué)生用計(jì)算思維的方式求解問題，使其體會(huì)計(jì)算思維的優(yōu)勢，從而激發(fā)他們主動(dòng)利用計(jì)算思維去解決問題的意識(shí)。

例如，《賽車搶分》這節(jié)課的教學(xué)要求是：在沿著賽道行駛的過程中，被限制大小的機(jī)器人小車盡可能地獲取路邊的得分物。一開始，學(xué)生沒有系統(tǒng)思考如何獲取路邊的得分物，他們看到機(jī)器人小車在行駛過程中，靠自身結(jié)構(gòu)獲取路邊的得分物，就一直在想如何加寬機(jī)器人小車車身，結(jié)果機(jī)器人小車重心不穩(wěn)，行駛狀態(tài)很不穩(wěn)定，有時(shí)還會(huì)遺漏得分物，嚴(yán)重影響后來的成績。因此，我展示了一個(gè)方案：給機(jī)器人安裝兩只手臂，這樣它在沿著賽道行走的同時(shí)，能直接獲取一路上的得分物。學(xué)生對(duì)此方案感到很驚奇，我便借機(jī)引導(dǎo)他們用計(jì)算思維的方式去思考如何完成任務(wù)。

首先，將這個(gè)任務(wù)分解成若干子問題：如何判別機(jī)器人到達(dá)得分物附近？機(jī)器人如何獲取路邊的得分物？機(jī)器人在獲取路邊得分物的過程中，是否會(huì)影響到行駛狀態(tài)？影響機(jī)器人行駛狀態(tài)的因素有哪些？

其次，尋求這些子問題的解決方案。在這個(gè)過程中，應(yīng)力求在眾多方案中選擇最優(yōu)的解決方法。

最后，合并所有子問題的解決方法并加以完善，得到整個(gè)問題的求解方案。這里需要關(guān)注的是不同的子問題的解決方法之間是否有沖突，能不能并行處理，如何協(xié)調(diào)它們才是最佳。

經(jīng)過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，不少學(xué)生探索出自己的最佳方案：有的利用兩個(gè)伺服，在機(jī)器人左右兩側(cè)各安裝一只活動(dòng)手臂，當(dāng)紅外傳感器檢測到某一側(cè)存在得分物，那一側(cè)就揮動(dòng)手臂；有的利用一個(gè)伺服在機(jī)器人前方安裝一只活動(dòng)手臂，當(dāng)紅外傳感器檢測到某一側(cè)存在得分物，就向那一側(cè)揮動(dòng)手臂；等等。在這個(gè)過程中，學(xué)生普遍感覺探索得到的方案在空間、時(shí)間上的操作步驟更協(xié)調(diào)、效率更高，也深刻體會(huì)到如果利用計(jì)算思維解決問題，能迅速提高研究、分析、解決復(fù)雜問題的能力，大大提高完成任務(wù)的效率。這樣就有效激發(fā)了學(xué)生利用計(jì)算思維的主動(dòng)意識(shí)。

● 設(shè)解問題，培養(yǎng)計(jì)算思維能力

具備計(jì)算思維能力的表現(xiàn)還體現(xiàn)在求解問題的過程中，發(fā)現(xiàn)其中的問題，并選擇最優(yōu)的解決方案。因此，教師應(yīng)創(chuàng)造機(jī)會(huì)引導(dǎo)學(xué)生利用計(jì)算思維解決機(jī)器人運(yùn)行的實(shí)際問題，從而培養(yǎng)他們計(jì)算思維的實(shí)踐能力。具體做法如下。

1.精心設(shè)計(jì)問題

教師可以循序漸進(jìn)地提出適宜的機(jī)器人項(xiàng)目問題，這些問題應(yīng)滿足如下要求：①要有適當(dāng)難度，具有層次性和啟發(fā)性。②要在教和學(xué)方面富有探索性，能充分挖掘與培養(yǎng)計(jì)算思維能力。③要能訓(xùn)練學(xué)生的問題求解能力。④要有利于啟發(fā)學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)問題，獨(dú)立解決問題，使他們逐步養(yǎng)成獨(dú)立獲取知識(shí)和創(chuàng)造性地運(yùn)用知識(shí)的思維習(xí)慣。

例如，在講授《小車進(jìn)加油站》一課時(shí)，當(dāng)學(xué)生完成“機(jī)器人小車直接進(jìn)入加油站”的基本問題后，我提出新問題：當(dāng)高速行駛時(shí)，機(jī)器人小車容易越過加油站，讓機(jī)器人小車倒車進(jìn)入加油站（車頭朝外）成為必然，那么如何控制機(jī)器人小車倒車進(jìn)入加油站呢？這個(gè)問題有一定難度，足以引導(dǎo)學(xué)生去探索如何控制機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎幅度。同時(shí)，它還涉及機(jī)器人轉(zhuǎn)彎幅度的空間復(fù)雜性和時(shí)間復(fù)雜性。

2.實(shí)踐求解問題

在機(jī)器人教學(xué)過程中，學(xué)生會(huì)遇到各種實(shí)際問題，因此，我鼓勵(lì)學(xué)生針對(duì)這些問題練習(xí)，利用計(jì)算思維去尋求最優(yōu)方案。

例如，在《機(jī)器人小車走中線》項(xiàng)目訓(xùn)練時(shí)，小車轉(zhuǎn)彎速度取固定值，易導(dǎo)致小車不能高速行駛，影響到達(dá)終點(diǎn)的成功率。最初，學(xué)生采用的是分段給機(jī)器人小車賦予不同的速度值，但效果不是很理想。于是，我引導(dǎo)學(xué)生對(duì)不同的路段進(jìn)行實(shí)踐研究，利用計(jì)算思維方式解決機(jī)器人運(yùn)行的實(shí)際問題，最終將控制機(jī)器人小車轉(zhuǎn)彎行駛部分修改成動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)彎，如左邊電機(jī)速度=基準(zhǔn)速度-（左測距-右測距）/轉(zhuǎn)換比例，右邊電機(jī)速度=基準(zhǔn)速度+（左測距-右測距）/轉(zhuǎn)換比例。

其中，小車在不同路段時(shí)的基準(zhǔn)速度（左測距=右測距時(shí)，往前跑的速度）是不同的；轉(zhuǎn)換比例，即將小車與兩側(cè)欄桿的距離之差轉(zhuǎn)換為速度之差的比例，一般為100（根據(jù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換比例越小，轉(zhuǎn)彎幅度越大）。

通過這樣有針對(duì)性的利用計(jì)算思維去求解問題，學(xué)生能主動(dòng)使用相關(guān)方法，不斷歸納總結(jié)，逐步系統(tǒng)地培養(yǎng)計(jì)算思維的實(shí)踐能力。

● 歸納總結(jié)，提升計(jì)算思維廣度和精度

1.個(gè)人總結(jié)反思

每次訓(xùn)練后，學(xué)生針對(duì)某些問題或多或少會(huì)有一些解決思路，于是我及時(shí)組織學(xué)生撰寫有針對(duì)性的總結(jié)反思，記載問題求解過程中的一些實(shí)踐思路及有待解決的疑難雜癥。學(xué)生一方面可以及時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，厘清思路，回憶訓(xùn)練過程，加深印象；另一方面可以總結(jié)訓(xùn)練中的教訓(xùn)，反思改進(jìn)操作的方式、方法，提高自己的問題求解水平。例如，在《機(jī)器人小車走中線》項(xiàng)目訓(xùn)練中，通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生們自己總結(jié)出：左前方和右前方兩個(gè)距離傳感器的旋轉(zhuǎn)角度設(shè)置與道路彎曲程度有一定關(guān)系，當(dāng)?shù)缆窂澢潭容^小時(shí)，兩個(gè)距離傳感器略微向正前方旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度設(shè)置為40，這樣機(jī)器人能提前檢測到道路的彎曲狀態(tài)，就會(huì)自動(dòng)將基準(zhǔn)速度提到70以上。

2.師生互評(píng)完善

針對(duì)學(xué)生的求解方案，我組織學(xué)生進(jìn)行互評(píng)，學(xué)習(xí)優(yōu)點(diǎn)，幫助解決不足，鼓勵(lì)他們大膽實(shí)踐，嘗試新方案，激發(fā)他們求解新問題的興趣。例如，在《機(jī)器人小車高速行駛》項(xiàng)目訓(xùn)練中，一位學(xué)生提出了無級(jí)變速的想法，但他沒有解決在不同速度之間切換時(shí)機(jī)器人行駛狀態(tài)的穩(wěn)定問題。于是，其他學(xué)生開始嘗試這種方案，共同尋求解決機(jī)器人行駛狀態(tài)的穩(wěn)定問題。后來有學(xué)生提出了無級(jí)變速的改進(jìn)版：若機(jī)器人與正前方的障礙物之間的距離由大于2000狀態(tài)變?yōu)樾∮?000時(shí)，速度由70分段逐漸減至50，而不是瞬間跳至50。這個(gè)新方案比原有方案改進(jìn)了不少，但運(yùn)行分段速度的時(shí)間不好控制。此時(shí)，我及時(shí)給學(xué)生補(bǔ)充變量的概念，并提出無級(jí)變速的變量版：將機(jī)器人速度設(shè)定為一變量，當(dāng)速度要由70減至50，就將此速度變量先減1再運(yùn)行一次，然后循環(huán)剛才的操作，直至速度變量為50，這樣機(jī)器人在速度切換時(shí)行駛狀態(tài)就可以保持相對(duì)穩(wěn)定。這樣的師生互評(píng)講解，一方面能促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，使其努力尋求解決問題的最優(yōu)方案；另一方面能共享資源，集中師生所有的智力有的放矢地完善方案，使原有的解決問題方案不斷得到高水平的補(bǔ)充完善。在不斷歸納總結(jié)的過程中，學(xué)生也對(duì)利用計(jì)算思維解決問題有了更深的了解，在求解方案時(shí)考慮得越來越廣，越來越精。