机器人教学中计算思维的培养

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近年来，由于机器人比赛的蓬勃发展，机器人教学正从“为技术而教”转变为“为思维而教”，它已成为培养学生计算思维能力的新平台。下面，笔者结合IRobotQ 3D虚拟机器人汽车总动员项目教学实践，谈谈如何在机器人教学中渗透计算思维的诸要素，从而提高学生的计算思维能力。

对比求解，激发计算思维意识

培养学生的计算思维首先在于激发其计算思维意识。因此在教学中，我们应有意引导学生用计算思维的方式求解问题，使其体会计算思维的优势，从而激发他们主动利用计算思维去解决问题的意识。

例如，《赛车抢分》这节课的教学要求是：在沿着赛道行驶的过程中，被限制大小的机器人小车尽可能地获取路边的得分物。一开始，学生没有系统思考如何获取路边的得分物，他们看到机器人小车在行驶过程中，靠自身结构获取路边的得分物，就一直在想如何加宽机器人小车车身，结果机器人小车重心不稳，行驶状态很不稳定，有时还会遗漏得分物，严重影响后来的成绩。因此，我展示了一个方案：给机器人安装两只手臂，这样它在沿着赛道行走的同时，能直接获取一路上的得分物。学生对此方案感到很惊奇，我便借机引导他们用计算思维的方式去思考如何完成任务。

首先，将这个任务分解成若干子问题：如何判别机器人到达得分物附近？机器人如何获取路边的得分物？机器人在获取路边得分物的过程中，是否会影响到行驶状态？影响机器人行驶状态的因素有哪些？

其次，寻求这些子问题的解决方案。在这个过程中，应力求在众多方案中选择最优的解决方法。

最后，合并所有子问题的解决方法并加以完善，得到整个问题的求解方案。这里需要关注的是不同的子问题的解决方法之间是否有冲突，能不能并行处理，如何协调它们才是最佳。

经过对比实验，不少学生探索出自己的最佳方案：有的利用两个伺服，在机器人左右两侧各安装一只活动手臂，当红外传感器检测到某一侧存在得分物，那一侧就挥动手臂；有的利用一个伺服在机器人前方安装一只活动手臂，当红外传感器检测到某一侧存在得分物，就向那一侧挥动手臂；等等。在这个过程中，学生普遍感觉探索得到的方案在空间、时间上的操作步骤更协调、效率更高，也深刻体会到如果利用计算思维解决问题，能迅速提高研究、分析、解决复杂问题的能力，大大提高完成任务的效率。这样就有效激发了学生利用计算思维的主动意识。

设解问题，培养计算思维能力

具备计算思维能力的表现还体现在求解问题的过程中，发现其中的问题，并选择最优的解决方案。因此，教师应创造机会引导学生利用计算思维解决机器人运行的实际问题，从而培养他们计算思维的实践能力。具体做法如下。

1.精心设计问题

教师可以循序渐进地提出适宜的机器人项目问题，这些问题应满足如下要求：①要有适当难度，具有层次性和启发性。②要在教和学方面富有探索性，能充分挖掘与培养计算思维能力。③要能训练学生的问题求解能力。④要有利于启发学生自己发现问题，独立解决问题，使他们逐步养成独立获取知识和创造性地运用知识的思维习惯。

例如，在讲授《小车进加油站》一课时，当学生完成“机器人小车直接进入加油站”的基本问题后，我提出新问题：当高速行驶时，机器人小车容易越过加油站，让机器人小车倒车进入加油站（车头朝外）成为必然，那么如何控制机器人小车倒车进入加油站呢？这个问题有一定难度，足以引导学生去探索如何控制机器人的转弯幅度。同时，它还涉及机器人转弯幅度的空间复杂性和时间复杂性。

2.实践求解问题

在机器人教学过程中，学生会遇到各种实际问题，因此，我鼓励学生针对这些问题练习，利用计算思维去寻求最优方案。

例如，在《机器人小车走中线》项目训练时，小车转弯速度取固定值，易导致小车不能高速行驶，影响到达终点的成功率。最初，学生采用的是分段给机器人小车赋予不同的速度值，但效果不是很理想。于是，我引导学生对不同的路段进行实践研究，利用计算思维方式解决机器人运行的实际问题，最终将控制机器人小车转弯行驶部分修改成动态转弯，如左边电机速度=基准速度-（左测距-右测距）/转换比例，右边电机速度=基准速度+（左测距-右测距）/转换比例。

其中，小车在不同路段时的基准速度（左测距=右测距时，往前跑的速度）是不同的；转换比例，即将小车与两侧栏杆的距离之差转换为速度之差的比例，一般为100（根据机器人的结构，转换比例越小，转弯幅度越大）。

通过这样有针对性的利用计算思维去求解问题，学生能主动使用相关方法，不断归纳总结，逐步系统地培养计算思维的实践能力。

归纳总结，提升计算思维广度和精度

1.个人总结反思

每次训练后，学生针对某些问题或多或少会有一些解决思路，于是我及时组织学生撰写有针对性的总结反思，记载问题求解过程中的一些实践思路及有待解决的疑难杂症。学生一方面可以及时总结经验，厘清思路，回忆训练过程，加深印象；另一方面可以总结训练中的教训，反思改进操作的方式、方法，提高自己的问题求解水平。例如，在《机器人小车走中线》项目训练中，通过反复实验，学生们自己总结出：左前方和右前方两个距离传感器的旋转角度设置与道路弯曲程度有一定关系，当道路弯曲程度较小时，两个距离传感器略微向正前方旋转，旋转角度设置为40，这样机器人能提前检测到道路的弯曲状态，就会自动将基准速度提到70以上。

2.师生互评完善

针对学生的求解方案，我组织学生进行互评，学习优点，帮助解决不足，鼓励他们大胆实践，尝试新方案，激发他们求解新问题的兴趣。例如，在《机器人小车高速行驶》项目训练中，一位学生提出了无级变速的想法，但他没有解决在不同速度之间切换时机器人行驶状态的稳定问题。于是，其他学生开始尝试这种方案，共同寻求解决机器人行驶状态的稳定问题。后来有学生提出了无级变速的改进版：若机器人与正前方的障碍物之间的距离由大于2000状态变为小于2000时，速度由70分段逐渐减至50，而不是瞬间跳至50。这个新方案比原有方案改进了不少，但运行分段速度的时间不好控制。此时，我及时给学生补充变量的概念，并提出无级变速的变量版：将机器人速度设定为一变量，当速度要由70减至50，就将此速度变量先减1再运行一次，然后循环刚才的操作，直至速度变量为50，这样机器人在速度切换时行驶状态就可以保持相对稳定。这样的师生互评讲解，一方面能促进学生自主学习，使其努力寻求解决问题的最优方案；另一方面能共享资源，集中师生所有的智力有的放矢地完善方案，使原有的解决问题方案不断得到高水平的补充完善。在不喙槟勺芙岬墓程中，学生也对利用计算思维解决问题有了更深的了解，在求解方案时考虑得越来越广，越来越精。