楊玉芹 龍彥文 孫鈺峰

[摘? ?要] 研究基于對武漢市從事機器人教育的26位一線小學教師的深度訪談，對機器人教育中發(fā)展學生計算思維的教學過程和策略進行深入研究，以揭示計算思維培養(yǎng)實踐的現(xiàn)狀以及可能存在的問題，進而為培養(yǎng)學生的計算思維提供一些有益的借鑒。研究利用共識質性研究方法和持續(xù)比較方法對教師的訪談數(shù)據(jù)進行了深度分析和挖掘，發(fā)現(xiàn)在機器人教育中，培養(yǎng)學生計算思維的教學過程一般涉及四個階段、八大環(huán)節(jié)，不同環(huán)節(jié)采用不同的策略;模式識別階段的任務分析環(huán)節(jié)、交流反思階段以及與之相匹配的教學策略尤其需要進一步完善和發(fā)展;在計算思維培養(yǎng)過程中，創(chuàng)造性思維培養(yǎng)策略相對匱乏。研究從理論和實踐兩個維度，提出了培養(yǎng)學生計算思維的建議。

[關鍵詞] 計算思維; 機器人教育; 教育機器人; 教學策略; 教學階段

[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] A

[作者簡介] 楊玉芹（1981—），女，山東陽信人。副教授，博士，主要從事學習科學、知識建構與創(chuàng)新、學習評價與學習分析等方面研究。E-mail：yuqinyang0904@gmail.com。

一、問題的提出

21世紀似乎是計算的世紀，大數(shù)據(jù)、云計算、語音和面部識別、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等已經(jīng)悄悄地進入我們的工作、生活、學習和娛樂中，并逐漸改變著我們的工作方式、生活方式、學習方式和娛樂方式。計算也影響著各個學科、行業(yè)的創(chuàng)新，成為推動產(chǎn)生創(chuàng)新工作方式與思考方式的整合工具之一。正因如此，計算思維被視為21世紀學生所必須具備的基本素養(yǎng)和基礎能力[1-2]，在中小學課程學習和實踐中開展培養(yǎng)學生計算思維的時代已經(jīng)到來[2-3]。機器人教育，作為整合了計算機科學、機械和工程等學科內容的一類綜合課程，尤為關注學生在設計、組裝、編程和運行機器人處理情景任務的過程中所發(fā)展的任務分析能力、問題解決能力、設計能力、抽象能力和計算思維等[4]，因而機器人教育成為許多中小學幫助學生發(fā)展計算思維的重要方式之一。我國政府及相關教育部門高度重視機器人教育，例如：國務院于2017年頒布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中明確指出，中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育;教育部于2018年發(fā)布的《普通高中課程方案和語文等學科課程標準（2017 年版）》中，通用技術課程增加了“機器人設計與制作”模塊。

機器人教育在培養(yǎng)學生計算思維方面具有無法比擬的優(yōu)勢和價值[5-6]。盡管在理論上就如何通過機器人教育培養(yǎng)學生的計算思維取得了一定的理論成果（如實踐活動模式等），但實踐中，機器人教育主要以校本選修課或社團的形式開展，以競賽為主[6]，機器人教育并未走進常規(guī)課堂，實踐推進相對緩慢。同時，能夠勝任機器人教育的師資比較匱乏。因而，在實際教學過程中，不同的教師使用了哪些可能有效的策略幫助學生發(fā)展計算思維，其教學展開過程是怎樣的等關鍵問題的研究非常必要，但鮮有實證研究對其進行深入研究。本研究通過對武漢市從事機器人教育的26位一線小學教師的深度訪談，嘗試對通過機器人教育發(fā)展學生計算思維的教學過程和策略進行深入研究，以揭示計算思維培養(yǎng)實踐的現(xiàn)狀以及可能存在的問題，進而為培養(yǎng)小學生計算思維的理論和實踐的發(fā)展提供一些有益的借鑒。

二、概念框架

（一）計算思維的概念

計算思維由Wing于2006年首次提出，將其定義為利用計算機科學的基礎概念來解決問題、設計系統(tǒng)、理解人類行為等的思維和能力[1]。Wing認為，隨著計算和計算機的迅猛發(fā)展，計算思維將同閱讀、寫作、數(shù)學一樣，成為學生必須具備的基本素養(yǎng)和能力。自此，計算思維在美國的中小學教育中開始被關注。對于計算思維的界定，學術界一直存在不同的聲音。例如，Sellby和Woollard將計算思維界定為計算機科學家解決問題的思維技能，包括形成解決問題的策略、形成應用到任何領域的問題解決技能及創(chuàng)造能被計算機執(zhí)行的問題解決方案[7]。Chen認為，計算思維是一套完整的認知工具，能夠幫助人們將困難任務分解為容易解決的子任務，恰當?shù)乇碚鲉栴}、解釋數(shù)據(jù)、編寫算法，并考慮問題解決的正確性、效率和美學等[8]。

（二）計算思維培養(yǎng)的教學實踐與機器人教育

在國內，對于計算思維，目前大部分研究關注對其概念、意義以及如何培養(yǎng)的理論探討。已有的培養(yǎng)計算思維的實踐，主要依托于信息技術學科和編程課程進行。例如：謝忠新等在信息技術學科中，基于計算思維的具體內容設計課堂教學活動，研究計算思維培養(yǎng)的方法[9];郁曉華等探究了基于可視化編程的計算思維培養(yǎng)模式，通過支架幫助學生發(fā)展計算思維[10];李峰通過構建指向計算思維教育的STEM課程來培養(yǎng)學生的計算思維[11]。相較于國內，國外計算思維培養(yǎng)的實證研究相對較多，但對于如何高效培養(yǎng)計算思維，仍處于探索階段。在國外，計算思維的培養(yǎng)主要依托于計算機編程數(shù)學等課程，但也有少部分研究依托于語言課程[12]，其主要編程語言包括Scratch，Logo，Stagecast Creator，Toontalk等。計算思維培養(yǎng)的有效策略可以概括為兩類：一是幫助學生進行評價、反思等元認知活動，這一策略對計算思維培養(yǎng)的成效具有關鍵性的作用[13];二是編程過程中給學生提供腳手架，例如來自計算機的自動支持、同伴協(xié)作編程、知識內容框架結構[14]等。

機器人教育提供了融合多學科的教學活動和富有挑戰(zhàn)性的學習任務，涉及任務的邏輯、系統(tǒng)處理、設計作品、測試與調試、迭代優(yōu)化、序列代碼的逐步開發(fā)等[15]，是培養(yǎng)計算思維的有效途徑之一。教育機器人在教育中日益普及，學生在設計、拼裝、編程和運行機器人系統(tǒng)處理情境任務的過程中，能夠發(fā)展設計能力、問題解決能力和計算思維，因而教育機器人成為計算思維培養(yǎng)的有效工具和載體之一。

以教育機器人為工具，通過機器人教育，幫助學生發(fā)展計算思維的研究和實踐日益興起。一些研究使用不同的策略在機器人教育中幫助學生發(fā)展計算思維。例如：Leonard等通過游戲策略，幫助中學生發(fā)展計算思維[16];Berland和Wilensky通過給學生提供真實和虛擬的機器人系統(tǒng)，幫助學生進行合作、比較、反思等活動，在這些活動中，將學到的知識和技能進行應用和創(chuàng)新[17]。

借助教育機器人發(fā)展學生計算思維的研究和實踐引起了研究者和一線教師的極大關注，但無論是機器人教育的研究還是實踐都處于起步階段。本研究基于對武漢市從事機器人教育的26位教師的深度訪談，探討機器人教育中計算思維培養(yǎng)的過程與具體教學策略，以深入了解機器人教育的現(xiàn)狀和可能存在的問題，從而為機器人教育在常規(guī)課堂的有效和高效實施奠定基礎。本研究主要解決以下兩個問題：

（1）教學過程中，機器人教育的教學過程具體是如何展開的;

（2）教學過程中，機器人教育實施的不同階段，教師采用哪些策略，使學生投入學習過程，以發(fā)展計算思維。

三、研究方法

（一）研究對象

本研究的參與者是26位進行機器人教育的一線小學教師（校本選修課和社團課）;這些教師的選取由武漢市教育局推薦（在武漢市機器人教育方面做得比較好的教師），在征得教師的意愿后實現(xiàn)。對于參與教師的逐個深入訪談，通過實地走訪學校，歷時5個月完成。參與訪談的26位教師，絕大多數(shù)是男教師（占70.8%）;大部分教師擁有本科學歷，部分教師擁有碩士學歷和?？茖W歷;他們所學專業(yè)種類繁多，涉及計算機教育、教育技術學、自動化、管理（如工商管理、行政管理、建筑管理、信息管理等）、對外貿(mào)易、電子商務、機械工程、藥劑學、科學教育等;教師教學時間從1～20年不等，但1～6年教齡的教師占絕大部分。

（二）數(shù)據(jù)收集

1. 訪談法

本研究采用半結構化訪談，利用圖1中的訪談提綱，對參與教師逐一進行了深度訪談，每次訪談持續(xù)約1～1.5小時，使用錄音筆進行錄音，訪談地點為被訪談教師的工作單位。訪談主要關注機器人教育中培養(yǎng)學生計算思維的具體教學過程和策略、關鍵步驟、教學事件及處理方法等。對于訪談錄音，我們進行了逐字全文轉錄。

2. 觀察法

為了更好地了解教師培養(yǎng)學生計算思維的教學過程和策略，我們從參與訪談的26位教師中分別隨機選擇了教學過程中創(chuàng)造性教學行為（教師自評量表）得分高和低的兩位教師，進行了為期12周的實地觀察（每周一次課），對教師的教學活動和學生的學習活動進行觀察、記錄和錄像，收集到的數(shù)據(jù)包括圖片、課堂錄像、全部課堂觀察的記錄與反思筆記等。本研究對這些課堂觀察和視頻數(shù)據(jù)等不進行分析和報告（另一個研究中匯報該數(shù)據(jù)），但對課堂的深度觀察可以幫助我們更好地理解和分析教師的訪談數(shù)據(jù)。

（三）數(shù)據(jù)分析

本研究首先對被訪談的26位教師進行統(tǒng)一編碼，從T1至T26，然后采用共識質性研究方法[18]，對訪談數(shù)據(jù)進行分析，以確保數(shù)據(jù)分析過程與結果的客觀性。共識質性研究方法，即對數(shù)據(jù)進行分析時，采取團隊共識而非個人意見的做法。數(shù)據(jù)分析過程中，除了本項目團隊的三位研究人員共同分析所有訪談轉錄數(shù)據(jù)外，還另外邀請學習科學領域的一位專家共同參與數(shù)據(jù)的分析與編碼。

在對訪談數(shù)據(jù)進行具體編碼的過程中，采用持續(xù)比較研究方法[19]。具體操作如下：首先，對訪談內容進行梳理，提取出與教學過程和策略相關的內容;其次，對抽取出的內容作進一步分析整理，整合成幾個核心主題;再次，將歸屬于同一個核心主題的信息進行概括，梳理成幾個主要的核心觀點;最后，將所有歸屬于同一個核心主題、來自不同被試的核心觀點聚合到一起進行分析整理，整合成不同的類別，進而揭示最后的研究結果。

四、研究結果

基于26位被訪談教師對教學過程的描述，我們發(fā)現(xiàn)在機器人教育中，培養(yǎng)學生計算思維的教學過程涉及四個階段（激發(fā)動機、模式構建、創(chuàng)意實踐、交流反思）、八個環(huán)節(jié)，且在不同環(huán)節(jié)，教師使用的策略也不盡相同，如圖2所示。

（一）激發(fā)動機階段

1. 環(huán)節(jié)一：創(chuàng)設情境

計算思維的培養(yǎng)強調學生在特定問題情境下的分析思維[2]，因而，教師如何創(chuàng)設適切的問題情境，進而激發(fā)學生的學習動機尤為重要。在該環(huán)節(jié)，教師使用的策略主要有兩個：一是提供豐富、個性化的教學材料;二是創(chuàng)設真實的問題情境。在提供豐富、個性化教學材料過程中，教師會結合學生的性格特征和愛好（T14、T18、T3），通過生動形象的語言（T19）、圖片（T23）、播放與教學主題相關的視頻（T17、T24）來激發(fā)學生的學習動機。創(chuàng)設真實的問題情境中，教師創(chuàng)設貼近生活的問題情境（T15、T23、T1、T9），激發(fā)學生去思考解決方案。也有一部分教師激發(fā)學生思考生活中的實例，如何利用機器人模型來解決生活中的實際問題。例如T15在訪談中提到：“電梯的那個門防夾的功能也是通過紅外線傳感器去實現(xiàn)的，有的小朋友還可以舉出像掃地機器人，它不會去撞墻或者撞人（碰到障礙物），其實也是通過紅外線傳感器。我只布置任務，實際生活中遇到什么問題，你知道要拿這個紅外線來解決這個問題就行了。”

2. 環(huán)節(jié)二：講授新知

在講授新知環(huán)節(jié)，教師使用的策略主要包括啟發(fā)性提問（T1）、實驗探究（T18）以及實物演示（T15）。例如T15在訪談中提到：“……因為他對這個對稱不太熟悉，那么我就對他說，如果（用）這一張紙的話，就可以把這個紙對折一下，然后這個螺絲從這里穿過來，透過另外一個點，再把它展開。”通過實物演示和動手操作，學生對知識點的理解可以更加具象化。

在訪談過程中，近1/3的教師并未提到講授新知這個環(huán)節(jié)。一些被訪談的教師認為“知識點本身很難”（T17），“理論講解十分枯燥”（T15），“難以選擇與知識點相關的合適的教學場景”（T13）等。

（二）模式構建階段

1. 環(huán)節(jié)一：任務識別

學生掌握了基礎知識和原理后，需要運用所學的知識分析并完成給定的搭建任務。在任務識別環(huán)節(jié)，學生對目標任務的分解和對問題解決步驟的梳理是計算思維中算法思維的重要組成部分[1]。在這一環(huán)節(jié)，教師使用的策略主要有兩個：一是引導學生進行任務分解（80%教師使用該策略），二是啟發(fā)性挫敗策略（20%教師使用該策略），即首先教師鼓勵學生自主探索問題的多重表征方式和方案，然后再引導學生進行整合和鞏固。引導學生進行任務分解的策略中，教師比較常用的方法包括引導學生繪制流程圖、分析機器人模型結構組成和功能實現(xiàn)。例如訪談中T18提到，“把每個視角的圖拿過來，讓你去觀察，然后讓孩子們做共同筆記，它由哪些部分構成，每一個部分是怎么連接起來的”。使用啟發(fā)性挫敗的策略中，教師非常關注學生的自主探索，根據(jù)機器人模型結構和功能的特點及任務目標啟發(fā)學生的思維。例如訪談過程中T8提到，“并不是讓學生直接動手操作或告知學生編程步驟，而是讓學生自主思考任務過程中涉及的重難點，先理清思路，再進行操作”。

2. 環(huán)節(jié)二：自主搭建

明晰任務后，幾乎所有課堂都會提供充裕的時間鼓勵學生自主進行搭建。這也是一節(jié)課中占用時間最多的環(huán)節(jié)。這一環(huán)節(jié)，大部分教師（77%）采用的策略主要是通過視頻演示、圖片講解或提供操作手冊等輔助學生分析。例如訪談過程中T23提到，“會讓學生觀察搭建好的成品，通過PPT展示圖片或視頻分析搭建步驟”。一小部分教師使用的策略是提供關鍵指導，即鼓勵學生先進行自主探索和創(chuàng)新，當學生遇到困難時，提供關鍵幫助。例如一些教師在訪談中提到，“如果圖上的零件沒有，你自己要想辦法解決”（T9、T3）;“學生在實現(xiàn)過程中遇到細節(jié)上面的問題再去指導”（T11）。這一環(huán)節(jié)，有的教師很關注學生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)，例如，訪談過程中T15提到，“讓他們自己發(fā)揮空間想象能力，完成這個結構”。

（三）創(chuàng)意實踐階段

1. 環(huán)節(jié)一：編程調試

接受訪談的26位一線教師中，88%的教師提到了自主搭建之后的編程環(huán)節(jié)。大部分教師認為編程對學生非常重要。例如：T13認為，“編程能夠鍛煉學生的邏輯思維，幫助學生形成清晰、有條理的思維模式”;T18也提到，“串行、并行程序，循環(huán)和切換的概念，它的邏輯層次會比較復雜，一個動作里面包含了很多動作，前后關系是相互影響的……（學生）需要把它的邏輯成分分得很清楚”;這一環(huán)節(jié)，教師使用的主要策略是鼓勵學生不斷試誤、反思，并提供關鍵指導（T15、T22、T24、T3、T19、T23）。例如T3在訪談過程中提到，“你要不停地試（教師對學生說的話）。（學生）他說我都試了十次了，我說試了一百次也要試，愛迪生發(fā)明燈泡試了一千多次，還是把它發(fā)明出來了，如果他試了一百次就放棄了，他就發(fā)明不出來電燈泡了”。這個過程體現(xiàn)了計算思維中的評估要素，學生能夠根據(jù)調試反饋來反思程序的可行性和最優(yōu)性，對程序進行不斷修正來實現(xiàn)最終效果。

2. 環(huán)節(jié)二：拓展創(chuàng)新

學生完成基本任務后，絕大多數(shù)受訪教師提到了拓展創(chuàng)新環(huán)節(jié)。這一環(huán)節(jié)，教師使用的策略之一是設置可拓展性的任務。部分訪談教師提到，任務設置要具備可擴展性，以便學生能夠在基礎模型上進行發(fā)散，多角度地選擇方案以解決問題（T13、T19，T11，T12）。策略之二是根據(jù)學生的興趣點來激發(fā)創(chuàng)意。部分受訪教師提到，鼓勵學生積極思考和表述自己的想法，通過實際操作驗證方案的可行性，并在不斷嘗試中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、實現(xiàn)創(chuàng)新（T5、T8）。例如T15提到，“這個小車根據(jù)功能來設計的話，他會有很多種類，如果有他感興趣的點，他可能會把其中一個點抽出來，比如說我想做一個挖土機，那么他會在這個小車上面進行一些創(chuàng)意，這就是對小孩創(chuàng)造力的一種激發(fā)”。訪談過程中，一部分教師指出拓展創(chuàng)新的時間并不充裕，該環(huán)節(jié)可能會視課堂進度情況而被壓縮（T10），并且大部分學生由于無法及時完成基礎搭建，導致沒有時間進行創(chuàng)意擴展。在實際的機器人教學中，部分教師在教學中更注重基礎任務的完成，并沒有給學生提供表達和實現(xiàn)創(chuàng)意想法的空間。例如T5在訪談中指出，“（對于）創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，目前沒有什么好的想法，只能盡量鼓勵學生去做”。

（四）交流反思階段

1. 環(huán)節(jié)一：分享交流

在接受訪談的26位教師中，只有近1/3的教師在訪談過程中提到會鼓勵學生在課堂上分享作品。教師一般鼓勵學生口頭表述自己的創(chuàng)作思路、邏輯理念和操作經(jīng)驗。例如訪談過程中T18提到， “讓學生說明今天所學的知識和拼搭創(chuàng)意，介紹作品的制作原因、制作重難點以及作品的效果等”。此外，僅有少數(shù)受訪教師會邀請家長參與學生的分享活動。

2. 環(huán)節(jié)二：評價反思

評價反思這一環(huán)節(jié)也是被訪談教師提及比較少的一個環(huán)節(jié)，尤其是引導學生進行自主評價和反思方面，評價策略仍舊以教師評價、總結性評價為主。對于評價的側重點，不同教師的認知不同。有的教師強調知識與技能的掌握，如T6提到，“盡管學生制作的機器人作品不同，但用到的科學原理是大致相同的，學生能夠合理進行運用即可”;有的教師則強調作品的優(yōu)化程度和程序的流暢程度（T10、T11）;有的教師則關注學生的創(chuàng)意（T8）。少部分被訪談教師鼓勵學生進行自我反思和同伴互評。例如訪談過程中T23提到，“因為很多小朋友，他其實知道（程序）怎么去寫的，也能理解，但是他們描述不出來。讓小朋友通過口述形式描述程序，其他小朋友可以對他描述的程序做一個判斷”。學生對任務完成過程的梳理、反思和評價，不僅有利于學生總結解決問題的方法和技巧，而且對培養(yǎng)計算思維中涉及的知識遷移和應用能力的發(fā)展也十分關鍵，更為重要的是，幫助學生不斷發(fā)展元認知能力（如計劃，反思、評價、調控等），進而學會如何學習[20]。

五、結? ?語

本研究通過實證研究發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)學生計算思維的四個階段、八個環(huán)節(jié)中，模式構建和激發(fā)動機階段，尤其是任務識別和分享交流兩個環(huán)節(jié)在整個教學過程中相對薄弱，有待完善。在任務識別環(huán)節(jié)，如何通過適切的策略和活動，幫助學生提高任務分析、模式識別等能力，建立抽象思維、邏輯思維、工程思維等高階思維尤為值得進一步探究。分享交流環(huán)節(jié)，如何營造輕松、開放的教學氛圍，鼓勵學生在課堂上自由表達和分享創(chuàng)意;如何幫助學生學會對自己的學習過程和作品進行監(jiān)控、評價和反思;如何將進行活動與概念學習實現(xiàn)更好地融合;如何激發(fā)并幫助學生實現(xiàn)作品制作過程中的想法與創(chuàng)意，并進行拓展、遷移等，這些課題非常重要，并值得進一步研究。

計算思維包括理論和實踐兩個組成部分。在發(fā)展計算思維的實踐階段，如自主搭建和編程調試環(huán)節(jié)，如何設置多元路徑可實現(xiàn)、可拓展的任務，如何提供思維發(fā)散的空間，如何引導學生在不斷試誤的過程中分析問題、推導原因并優(yōu)化方案，逐漸幫助學生發(fā)展邏輯思維以及問題解決能力，實現(xiàn)知識與方法的遷移和運用等尤為重要，值得進一步深入研究。

機器人教育在小學生計算思維的培養(yǎng)過程中有很大的潛力，其潛力的發(fā)揮依賴于知識架構科學合理的課程，與計算思維發(fā)展相契合的教學支架、教學策略、教學過程，熟練教育機器人操作、教學技巧以及勝任設計基于機器人的教學活動的師資隊伍。但目前機器人教學在這幾個方面都相對薄弱，無論是研究還是實踐都剛剛起步，尤其是勝任機器人教育的師資尤為匱乏。因此，對機器人教育課程的開發(fā)、教學模式與策略的重構、教師專業(yè)發(fā)展途徑等的研究尤為必要和迫切。

本研究對于了解借助機器人教育培養(yǎng)學生計算思維的實踐現(xiàn)狀、教學過程和教學策略，以及如何加快機器人教育在常規(guī)課堂的有效和高效推進具有一定的啟示意義。

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