基于计算思维培养的教育机器人课堂设计与应用文献综述

1. 国内外研究现状综述

1.核心概念界定

1.1计算思维

计算思维的概念最初是在 Seymour Papert 的书《Mindstorms: Children, Computers,and Powerful Ideas》中提出的,Papert 认为计算思维主要是指编程和思维技能之间的关系^[1]。他认为，学生通过学习编程可以构建跨学科的程序性思维。与 Papert 的定义不同，如今的计算思维概念通常涉及计算机科学。2006年，周以真在美国权威Communication of the ACM期刊上发表了《Computational Thinking（计算思维）》一文，她在文中明确了计算思维的概念，即运用计算机科学的基本概念进行问题求解的思维过程。计算思维的明确提出引起国内外计算机科学界以及教育界的管理者、教育者等的关注。

国内学者根据周教授的定义和国内的实际情况继承和创新了计算思维的概念。董荣胜、古天龙等将周教授的“基本概念”换成了“思想与方法”：认为计算思维是运用计算机科学的思想与方法来解决问题、系统设计以及人类行为理解等一系列涵盖计算机科学领域的思维活动^[2]。任友群等认为，计算思维是一个利用计算概念和工具来解决实际问题的过程^[3]。李峰等人将这一定义解释为：计算思维在计算机科学领域定义问题、抽象特征、建立结构模型、合理组织数据、通过对各类信息资源的判断、分析和综合、运用合理的算法形成问题解决方案、总结计算机解决问题的过程和方法、并转移到解决与之相关的其他问题的一种思维^[4]。

综上，计算思维的概念虽说法不统一，但都倾向于将计算思维归为问题解决的能力说。本研究基于小学的角度，认为计算思维是：个体在界定问题，形成问题解决方案，并以自动求解为目标而借助包括计算机在内的工具实施方案、解决问题的过程中产生的一系列思维活动。在本研究中，机器人课程是抽象与具体实践结合的课程，是编程和实践的结合，是项目式的学习方式。因此本研究采用 Cynthia Selby 博士和 John Woollard博士提出来的计算思维五要素即抽象、分解、算法思维、概括和评估作为将中小学阶段学生要掌握的计算思维能力，既符合机器人课程的特点，也适合初中生的认知水平和能力水平。

1.1.1 抽象

抽象是指从许多属性中提取事物最基本的属性，把握事物的主要特征，抽象是计算思维的本质之一。比如说画猫，猫有很多特性，眼睛、尾巴、皮毛、喜欢吃鱼、叫声是“喵”等等，但要画猫的时候，不需要知道它怎么叫的，喜欢什么，只需要关注它的眼睛、尾巴、皮毛是怎么样的，就能大概构想出一只猫的样子。放到机器人课程中，比如制作一个温度计，只需要知道是用来测体温的，联系现实中的体温计进行理解，就知道体温计是一个能感知温度的传感器。要求学生掌握将实体抽象为模型的能力。

1.1.2分解

分解指将复杂的问题或系统分成一个个更容易解决和理解的小问题，然后将每个小问题的解决方案合并形成复杂问题的解决方案。比如要了解自行车是如何工作的，得了解自行车的各个组成部分是如何工作的，才能最终知道整个自行车是如何工作的。又比如，要设计一个机器人，首先要考虑机器人是用来做什么的，其次了解它的工作原理，接着弄清楚它的结构框架是怎么样的，然后把流程图画出来，它如何搭建、如何进行程序设计实现功能等等。将复杂的问题或系统一步步分解成易理解和能操作的小问题。要求学生掌握问题解决的能力。

1.1.3算法思维

算法是指解决问题的步骤，是明确指令的组合。生活中的例子比如做一餐饭，要知道做饭的步骤，才能做好。数学中解二元一次方程，首先得判断这个方程到底有没有实数解，再根据方程判断用什么方法求解更快，最后可能还要进行验证。放在机器人课程里，比如进行程序设计的时候，要根据工作原理，一步步进行程序编写，向控制板输入清晰的指令才能达到想要的效果。计算机只懂机器语言，只有输入清晰的指令、也就是通过程序编写它才能实现要求的输出，这就要求学生要掌握编程的能力。

1.1.4概括

概括是指找到一类问题的一般方法，并针对类似问题制定解决方案。举一反三、类比等指的就是概括的能力，比如数学中的题海战术，就是说要多做题，概括出其一般的解题思路和技巧，迁移到其他类似的题目中。机器人课程中，比如结构搭建，有一些基本结构可以进行概括，得出大概的搭建步骤和需要的零件。这要求学生掌握学习迁移的能力。

1.1.5评估

评估是为了找出一个问题最优的解决方案，在设计解决方案的同时还要想到怎么样进行改进。比如一个问题可能有好几种解决方法，要找出其中最优的解决方案，并且在实践的过程中不断进行优化改进。机器人课程中比如一个指令要重复很多次执行，可以选择循环语句进行编写，方便快捷。要求学生学会循环语句，选择语句等较复杂的语句运用。

综上所述：本研究是面向学生的计算思维能力（算法思维、抽象、分解、概括、评估）培养的教学实践，设计教学策略、进行教学过程设计、实施行动研究、分析教学效果，观察学生计算思维能力是否得到提高。

1.2教育机器人

机器人可根据应用领域分为工业机器人和服务机器人，教育机器人是用于教育领域的服务机器人，专门为培养学生技能、思维的机器人，是机器人在教育领域中的具体化形式，是一种教学工具。其通常具有可教学，具有成本效益、开放和可扩展、良好的人机交互界面的特征。

干国胜副教授将教育机器人解释为用在教育领域的以人工智能决定其行动的机器人。从学习的角度讲，教育机器人是由厂商的专门开发的有针对性的用以激发学生的学习兴趣和培养学生综合能力的机器人散件、套件或成品。它除了机器人实体机之外，还有相应的辅导教材和软件平台等等。教育机器人的开发主要面向中小学生和大学生，坚持寓教于乐的教育理念，开发学生的智力，培养学习者的分析能力、实践能力和计算能力，激发学生的学习兴趣。它作为一种数字化学习装备，涉及领域众多，适用于跨学科、多领域的学习。教育机器人具有教学适用性、开放性和人机交互性等显著的特点，可以增强教学效果，深受教育者喜爱。本研究中的教育机器人作为一种教育平台培养小学生的计算思维。

2.计算思维研究现状

2.1国外计算思维研究现状

国外对计算思维的培养实践也侧重于教学过程，涵盖了 K-12 到高等教育所有阶段，主要是 K-12 阶段。美国、澳大利亚、英国、芬兰，新西兰等国家都发布了相关文件促进计算思维的培养。2011 年，美国计算机科学教师协会发布了《K-12 计算机科学标准》，提出计算思维是计算机科学课程的重要组成部分。2016 年 1 月奥巴马政府启动“为了全体学生的计算机科学”的计划，计划指出：“所有的美国学生，从幼儿园到高中都需要掌握计算思维技能”^[5]。同年，CSTA 修订了 K-12 阶段课程标准，指出计算思维是每个人所必需掌握的基本技能。而早在2013 年，英国教育部就公布了《计算学习计划一至四学段》

（Computing Programs of Study for Key Stage 1－4）文件，指导整个基础教育阶段计算思维的学习^[6]；2015 年，澳大利亚教育部发布了《数字化技术课程标准》，强调人们在数字化社会需要具备计算思维能力^[7]。

梳理文献发现，国外常用的推动计算思维教育的工具有图形/模块化编程语言、游戏化编程环境、基于 Web 的模拟部署工具、开源电子平台和相对简单的高级语言五大类。在这些工具中, 图形/模块化的编程语言在计算思维教育工作者中最受欢迎，这是因为图形化编程使编程变得简单，并且不会给学生带来学习困难。教学应用方面侧重于计算机编程或计算机科学相关课程，以及少数与英语、数学等有关的科目。

2.2国内计算思维研究现状

国内对于计算思维的研究没有国外全面，从研究内容看，主要是理论研究和实践研究：理论研究围绕计算思维的概念、特征等，实践研究集中在高校领域，近几年中小学阶段研究也越来越多。研究方向大致是基于某门课程进行计算思维培养的实践研究，建立教学模式，进行教学设计等。

国内关于计算思维培养模式的研究相对集中在高等教育阶段的计算机编程课程中，比如 C 程序设计、VB 语言等课程。2010 年，《九校联盟计算机基础教学发展战略联盟联合声明》指出“计算思维能力培养是计算机基础课程教学的核心任务，现今教学改革的重心是加强计算思维能力培养为核心的计算基础课程建设”^[8]。该声明大力促进了国内高校对于计算思维的研究，研究主题集中于开发大学生计算机课程和编程课程与计算思维相关的相关模型， 策略和方法。因为 2017 年新课标规定了计算思维的重要性，相关的理论和实践研究越来越多。在高等教育阶段关于计算思维的研究中，牟琴将计算思维作为一种方法论，基于计算思维的特征和探究学习、自主学习与任务驱动教学模式的特点，建构了基于计算思维的探究教学模式^[9]，网络自主学习模式^[10]，任务驱动式教学模式^[11]，而且发现这几种教学模式比传统的教学模式更有利于培养计算思维的培养。贾骥在硕士论文中提出了面向计算思维培养的问题驱动教学模式，该模式主张围绕问题展开教学，教师创设问题情境，介绍学习任务，使用计算思维方法如递归、启发式推理和关注点分离等指导学生解决问题、评估学生作品并提出反馈意见^[12]。结合 Scratch 软件，张加莎提出了一种基于计算思维能力培养的 Scratch 教学模式，包含创设情境，明了主题；案例分析，明白算法；作品流程图设计；作品功能设计与脚本搭建；修改分享五个过程^[13]。张茵茵根据计算思维的抽象、分解、概括、算法、评价五大特征，结合 App Inventor软件构建了培养高年级小学生计算思维的问题解决教学模式，分为创设情境、提问和抽象地表征问题、分解问题、解决问题、成果展示及评价总结五个过程^[14]。

虽然计算思维培养的研究侧重于高校领域，但高校计算机课程领域并未有突破。计算学科中知识矩阵、计算科学哲学、计算学科方法论等讨论过于专业，不符合教学对象的实际认知基础和发展方向，“计算机思维”或“程序思维”色彩浓于“计算思维”。虽然中小学阶段的研究越来越多，但没有抓住重点。从前面的分析可知，计算思维的理论基础还不明确，但是研究已经慢慢从理论层面转变到应用层面。本研究在分析研究内容的基础上，发现国内学者围绕计算思维的内涵、价值、培养策略与教学方法等方面进行了相关研究，推动计算思维教育的发展。

本研究希望能通过文献分析和现状调研以及教学实践总结出适合中小学阶段学生理解的计算思维定义；并结合机器人课程，厘清适合机器人课程的计算思维的维度要素，构建适合小学生计算思维培养的教学策略，为一线教师提供教学实践参考。

3.教育机器人研究现状

3.1国外教育机器人研究现状

在上世纪七八十年代，美国、英国、日本等国家相继推出了教育机器人开发平台，研究的速度非常迅速，部分较发达国家已经将机器人的本体教学知识引入到中小学中，由于这些国家的高度重视，加速了机器人在教育领域的发展。在 1992 年，美国政府为了将“感知和认识移动机器人”理念推广开来，免费分发机器人部件供小学生学习和研究，并组织机器人比赛，学生发挥想象自主拼装。麻省理工学院于 1994 年设立“设计和建造机器人”课程，将人工智能与理科实验整合在一起，最初主要目的是为了工程设计专业的学生能够设计出更好的作品，培养他们的分析思维和创造性思维，后续该校实验室与乐高公司联合开发了可编程的乐高玩具。与此同时，其他国家的实验室对这一领域也展开研究。国外教育机器人应用方式和角色多种多样，既可以成为教师的助手充当学习工具的角色，也可以是学生学习的陪伴者。同时，教育机器人涉及科目丰富，包括数学、物理、历史和语言知识学习等。美国有学者使用教育机器人帮助患有自闭症的儿童改善行为刻板、情绪多变、人际交流障碍等症状。英国学者研究用游戏化的方式教授学生营养学方面的知识。法国学者利用机器人帮助减重者减肥。

日本在教育机器人方面的研究比美国晚 10 年左右，但是日本在人工智能领域的发展特别迅速，目前已经赶超许多欧美国家，机器人研究在全球名列前茅。机器人竞赛涵盖中小学和大学，竞赛具有分层性，从高水平的国际竞赛到普通的中小学竞赛，种类齐全。此外，日本有学者研究出机器人可以在牙科临床实验中反应病人的真实状态。韩国学者开发出基于教育机器人的小学英语口语培养策略，用来改善小学生英语口语发音不准确的问题。以色列学者通过教育机器人给幼儿讲故事，提高儿童的知识构建能力。国外在机器人方面的研究覆盖面很广，从起初的与学科知识结合到与医学、健身等的结合，在深度和广度上都远超于我国。

3.2国内教育机器人研究现状

中国在教育机器人方面的研究起步较晚，初步开展是在上世纪九十年代，数十年间，我国在教育机器人方面的探索已经取得了很大进步，这与我国对其的重视程度和文化大力普及密不可分。近些年，教育机器人被国内教育者所关注。在 2000 年，由北京景山学校提出并实行的第一个科研项目就是信息技术和机器人融合。2001 年，上海多所中学尝试将教育机器人引入“校本课程”。在人工智能大环境的推动下，基于社会人才培养的需要，教育机器人与课程融合方面已经做了一些研究，并且有了显著的发展。教育机器人已经走进了中小学，作为一种新型载体，它多数情况下存在兴趣社团。只有在发达地区的一些较好学校为学生开展了机器人教育。我国每年会由科协会主办的“青少年机器人大赛”，由教育部组织“中小学电脑制作活动”，以赛代练的形式促进了机器人在教育领域的发展。部分学校开展创客和乐高课程，并组织学生参加机器人竞赛。这种竞赛通常是由学校购买教育机器人的相关实验器材，信息技术教师对学生进行组装、编程等方面的指导。这种学习模式存在一些不足。例如，多数情况下，教育机器人存在于社团和校本选修课中，以竞赛的形式开展，学生自愿报名参加，并没有惠及到每一名学生。此外，一些学校为了能让学生拿得好名次，对学生进行专门针对比赛题目的训练。这样一来，利用教育机器人培养学生的创造性思维的目标难以实现。

1. 主要参考文献（作者、书名、论文题目、出版社或出版号、出版年月或出版期号。文科不得少于15篇，理科不得少于10篇，其中外文文献应不少于2篇）

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