作者：陈青芬 东南大学脑与学习科学系，儿童发展教育研究所
研究生导师：柏毅 夏小俊
【推荐摘要】： 教育机器人和区块编程活动在协作学习环境中的集成促进了计算思维和其他ICT技能的发展，以及批判性思维、社交技能和解决问题的能力。本文提出了一个教学序列的理论建议，用于教育机器人和Scratch Jr编程的介绍。它由三个学习场景组成，专为小学教学设计。它的主要目标是在协作学习环境中创造有利于计算思维发展的条件。随着复杂性和难度的增加，所有的任务都源于一个共同的问题:我们如何创建一个算法来编程机器人到达预定的位置?
【关键词】：计算思维;教育机器人; Scratch Jr;协作学习
01
介绍
初等教育系统面临的挑战之一是确定学生必须掌握的知识和技能，因为他们将在难以预测的未来里完成义务教育。我们生活的现实不断变化，受到技术进步、获取海量信息库、气候变化、移民流动以及社会和政治紧张局势的影响。从葡萄牙教育部为应对COVID-19大流行带来的限制而实施的改革可以看出，教学和学习过程对这些变化并不陌生，而且正变更加复杂。此外，数字技术对教育系统的影响越来越大，以及“数字原生代”对它们的感知方式，加强了了解如何将技术整合到教学过程中的必要性。
在上个十年之初，Benitti表示，大多数教育机器人(ER)的使用集中在技术方面(机器人、机电一体化和编程)或寻求与这些领域密切相关的课程联系，这一趋势仍然存在。不断增长的技术发展和可用的ER平台的数量是无可争议的。然而，在教学实践中实施ER仍然存在障碍:所涉及的技术知识的特殊性，缺乏教学和教学材料来促进其与课程的衔接，缺乏课程指南，缺乏针对教师教学知识发展的具体培训，以及所使用的大多数平台的高成本。
将ER整合到教学和学习过程中，促进了ICT技能和计算思维的发展，使学生能够参与设计机器人编程所需的代码序列的系统任务，从而找到问题的解决方案。Angeli等人提出了一个计算思维课程框架。这种方法利用解决以前任务时确定的模式来找到新问题的解决方案。因此，学生可以发展抽象和概括技能，通过将复杂的问题分解成更小的可管理的部分来发展分解技能，在构建指令序列时利用算法思维，并在试图纠正他们提出的解决方案中发现的错误时使用调试过程。
作为一个教学建议，这里介绍了一个引入ER和使用Scratch Jr编程的教学序列。由三个学习场景组成，假设主要目标是创造条件，在协作学习环境中促进计算思维的发展，开始的问题是:我们如何创建一个算法，编程机器人/精灵到达某个位置?
02
计算思维
计算思维有不同的定义和分类。鉴于本文提出的学习场景设计包括ER和块编程，我们认为采用Atmatzidou和Demetriadis提出的计算思维技能模型是合适的，如下表所示(表1)。
表1 计算思维技能模型
03
教学顺序
参与ER和编程活动可以培养计算思维技能。这里介绍的教学顺序由三个为小学教室设计的学习场景组成:(1)遇见DOC!;(2)罚球线;(3)给我们讲个故事，DOC!
为了满足《小学编程入门评估研究》和《葡萄牙机器人指导方针》的建议，这套学习场景预见了课堂上两名教师，班主任和一名接受ER和编程培训的教师的协作。
对于学生，建议采用协作学习的原则，在每个任务中组成不同规模的小组，元素的数量由不同学习场景中使用的技术人工制品的潜力和限制来决定。
我们建议教师允许自己对学生的知识和技能感到惊讶，并虚心向学生学习。通过这样做，他们可以鼓励学生采取相同的姿势，从而促进合作学习。
对于学生，我们建议允许他们玩人工制品(机器人、故事地图和Scratch Jr模板)，并与他们的同伴公开合作。
这种顺序可以在小学的不同年级或混合班级中实施，只要小组的形成考虑到每个班级的特殊性。所有的任务都是作为一个挑战来呈现的，在学生们在他们的小组中寻找解决方案后，他们将与全班一起讨论和优化。
3.1. 遇见DOC
在这个学习场景中，选择了Clementoni的DOC机器人。它是一个非常易于使用的ER平台，具有较少的编程选项和功能。这些限制与它类似玩具的外观(图1)相关联，使它成为涵盖小学四年的ER入门学习场景的合适选择。
图1 机器人DOC
根据班级的规模，每组三到四名学生将有一个工作站，其中有一个机器人，一个板和纸牌(图2)。
图2 纸牌和游戏板
3.1.1. 挑战1
最初，这些小组会被问及他们认为自己将要做什么。他们可以在回答之前先搜索一下资源。根据学生的回答，由教师组织讨论“编程机器人”的概念，以便学生理解需要使用特定的方法与机器人沟通，以给出它可以执行的指令。在这种情况下，这将通过创建一个编程序列来完成，即按下机器人头上的按钮。下一步是提出挑战:根据一副牌给出的顺序给机器人编程。这种排序的目的是让学生发现机器人是如何执行基本命令(向前一步;退一步;左转和右转)和命令序列，使机器人到达板上的某个位置。在这一阶段，教师应该在各个小组之间走动，通过提问或暗示来帮助消除可能存在的障碍，尽可能避免演示必要的程序。
3.1.2. 挑战2
当所有的小组都成功执行了卡片上的命令后，一个新的挑战开始了:用一系列命令给机器人编程，让它达到蝴蝶的位置。这次没有带方向的字母，小组可以决定机器人应该走哪条路。一旦每个人都找到了解决方案，他们就应该能够向班上其他同学解释它。预计这一问题将出现不同的解决办法，甚至还没有找到解决办法的团体。
3.1.3. 分享与讨论
演示和讨论解决方案的阶段有两个目的:让学生理解清晰和结构化的编程交流的重要性，以及让他们体验调试和优化算法的过程。
学习场景以算法概念的简单讨论结束，从他们已经知道的基本算术运算的算法开始，这样学生就可以得出关于系统地描述执行程序的具体和明确指令的重要性的结论。接下来，口头要求学生构建一个算法，其中包括离开教室的必要步骤。该算法将在每个学习场景结束时进行优化。我们希望学生能够将详细的说明总结成每个人都能理解的简单模块。
3.2. 罚球线
对于这种学习场景，我们采用了介绍性和探索性的编程方法，我们选择了编程语言Scratch Jr，这是Scratch的简化版本，采用协作学习，由带有Android操作系统的平板电脑支持。之所以选择这种编程语言，是因为它与DOC机器人的编程方式相似，而且没有用于运动的坐标系统，这是葡萄牙小学早期课程中不包含的数学概念。如果有足够的平板电脑，学生应该两人一组。
3.2.1. 挑战1
学生们面临的第一个挑战是:探索软件界面，找出如何在不接触精灵的情况下向右移动精灵一步。
在所有小组都发现了要放入编程轨道的代码块之后，他们被要求描述这个过程，这样老师就可以在交互式白板上重现它。重复这一序列是为了发现如何将精灵向上移动一步。
3.2.2. 挑战2
对于下一个挑战，学生必须创建一个算法，允许精灵到达场景中的特定位置(罚球线)。如果他们没有成功，老师会尝试通过提问来帮助他们，也可能会使用交互式白板来举例说明可能的发现过程(例如，尝试运行两个块的代码序列，看看会发生什么)。与前面的任务一样，小组口头分享，老师在交互式白板上重现的发现的算法。
这一建议与课堂时间管理有关。理想情况下，学生应该有机会利用交互式白板分享他们的解决方案。
3.2.3. 分享与讨论
学生们创建的算法在白板上实现时，没有一个会达到预期的结果。精灵在白板模板中的位置有意与学生平板电脑上的位置不同，这引发了围绕针对特定上下文和问题调整算法的重要性的讨论。
由于差异相当明显，因此希望学生能够理解为什么算法不能产生预期的结果，并提出必要的纠正建议。
在这个阶段，学生们被鼓励使用交互式白板来演示并与课堂上的其他人分享他们的想法。
大多数或所有小组都将为精灵的每次移动创建由代码块组成的算法(图3)。从一个小组找到的解决方案开始，讨论构建实现编程轨道中50个步骤的算法。讨论是由老师精心安排的，以便让学生得出关于优化代码的必要性的结论，减少用于创建代码的块的数量到尽可能少。由于只有“向上移动”和“向右移动”这两个块需要处理，因此要求这些组创建一个算法，每个组只使用这些移动的一个块。如果学生不能想出解决办法，老师应该鼓励他们仔细观察每个块，并描述他们所看到的。通过观察每个块中数字字段的存在，他们将尝试查看如果更改该字段的值会发生什么。找到的解决方案(图4)再次通过交互式白板与类共享。
图3 块重复算法
图4 优化算法
一旦任务结束，离开教室的算法将被重新设计，以提高其效率和实现的简单性。
3.3. DOC，给我们讲个故事吧!
与第3.1节中介绍的ER学习场景一样，机器人DOC也将支持这一场景。根据班级规模，每组三到四名学生将有一个工作站，可以使用机器人。
3.3.1. 挑战
这一次的挑战是创建一个故事地图，并使用机器人DOC来讲述它，也就是说，机器人必须根据创建的算法在地图上移动。这些小组可以为原创故事或他们知道的故事改编制作地图。
在投影/展示一些故事地图示例之前，指出机器人的一些特征:每向前或向后移动一次对应15厘米的位移，向左和向右旋转对应1 / 4圈。
鼓励学生们装饰他们的机器人，机器人应该有一个架子，上面有各种可用的材料(纸、胶带、彩带等)。对于地图的创建，应该有不同的纸张格式(A4, A3, A2，或一卷绘图纸)，学生也可以使用地板来创建他们的地图。在这个阶段，教师应该陪伴小组，试图帮助他们克服可能出现的任何障碍。
3.3.2. 分享与讨论
学生们创造的算法应该允许机器人根据故事的顺序自主地在地图上移动。一旦设计和测试创建的算法和地图的过程完成，每个小组都应该准备好如何向全班“讲述”他们的故事。这一阶段相当重要，必须分配足够的时间来完成。机器人的初始定位必须与故事地图中事件的位置一致，否则它将偏离预期的轨迹。如果有必要，教师应该帮助学生处理在试错过程中可能出现的挫折，并帮助他们了解机器人的算法或定位是否存在问题。教师还必须随时准备调解学生之间在分配不同角色(谁给机器人编程，谁讲故事，谁解释想法，谁回答问题，或学生认为必要的任何其他角色)时可能发生的冲突。
每次报告结束后，其他小组都有机会评论他们同组成员的工作或提出改进建议。应该鼓励学生提出建设性的批评。他们可能会处理算法优化、调试、故事地图的图形设计、讲故事或其他他们认为重要的方面。
在学习场景的最后，离开房间的算法进行了最后的优化，寻求提高其效率和实现的简单性。
04
总结
这里介绍的教学序列旨在让学生发展Atmatzidou和Demetriadis提出的模型中确定的计算思维技能:抽象、泛化、算法、模块化和分解。虽然它的设计目标是葡萄牙的正规教育环境，但它可以适应其他环境。
关于抽象技能，学习场景将提供允许学生识别由机器人DOC和Scratch Jr创建的不同编程中的模式的场景，并寻找通用问题的解决方案，而不管使用哪种编程类型。
分享和改进所创建的算法的阶段包括创造条件，使学生能够概括解决方案和解释算法的不同步骤，以及确定不同的算法，以解决相同的问题并找到最有效的算法。
这里提出的工作是一个理论建议。我们希望它的实现可以改进设计，特别是关于促进协作学习的特征，分配到任务的每个阶段的时间，以及确定学习场景的有效性。
查阅原文：Ricardo Silva, Benjamim Fonseca, Cecília Costa， Fernando Martins Education Sciences
DOI: 10.3390/educsci11090518
转自：“百研工坊”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
