面向学前儿童的机器人教学软件设计与实现
发布时间：2020-12-10 15:30
人工智能、大数据等技术正在改变人类社会活动,从小培养年轻一代的计算思维成为信息技术时代新的要求。计算思维的培养受到了国内外学术界的重视,但由于存在内容抽象化、学习门槛高、不易理解等难点,长期困扰众多一线教育工作者。由于市面上针对3～6岁儿童计算思维教育的教学工具较少,启蒙该年龄段儿童的计算思维教育时,如何设计循序渐进的学习路径、降低学习门槛,成为教学者们亟待解决的问题。本文以实物机器人编程为依托,为教师设计一款可视化、动态化的编程教学工具。首先总结计算思维的培养方法,依据计算思维教学软件的整体框架与可视化特点,设计教学软件的资源库;然后基于点击、拖拽等交互方式,设计教学任务中动态化的互动形式,并结合过程性评价指标,实现教学过程的评价功能;最后以“拔萝卜”为案例,讨论并分析了该软件在计算思维教学中的成效。具体研究内容主要包括:(1)以幼儿计算思维的培养为目的,调研实物机器人编程套件,并分析其计算思维培养方法。针对实物机器人授课过程中存在的演示与讲解困难,设计一款可视化教学软件,支持教学场景搭建,动态过程展示及个性化评价。(2)可视化编程场景设计。首先根据绘本故事库设计场景地图,并实现地图...
【文章来源】：华中师范大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?Ｐｒｏｊｅｃｔ?Ｂｌｏｋｓ控制模块??当前编程教学工具存在三种形式：以传统Ｃ、Ｃ＋＋等编程语言为代表的文本编??
碩士学位论文??ＭＡＳＴＥＲ?Ｓ?ＴＨＥＳＩＳ??的基于块的实物编程语言，比如Ｋｉｂｏ；年龄再大些的孩子能够构建和编制自己的??机器人套件，例如大众所熟悉的ＬｅｇｏＭｉｎｄｓｔｏｒｍｓ［２１＾ＢＬｉｔｔｌｅＢｉｔｓ［２２］。??机器人编程教育能够帮助学生理解复杂概念，培养学生高级思维能力。西方发??达国家推出了一系列的儿童编程学习软件，例如苹果发布了?ｉＰａｄ版本的Ｓｗｉｆｔ??Ｐｌａｙｇｒｏｕｎｄｓ应用，是一款门榲很低的教学软件［２３］。Ｇｏｏｇｌｅ?（谷歌）推出的Ｐｒｏｊｅｃｔ??Ｂｌｏｋｓ，是一个开放硬件平台，能够支持各类实物编程玩具［２４］。如图１．１所示，它??由三种部件组成，这些部件连接到一起，会形成一系列指令，再通过ＷｉＦｉ或蓝牙??发送至玩具、平板电脑等联网设备。??＾ＱＱＯｔａＳＢ。??□?〇??图１．１?Ｐｒｏｊｅｃｔ?Ｂｌｏｋｓ控制模块??当前编程教学工具存在三种形式：以传统Ｃ、Ｃ＋＋等编程语言为代表的文本编??程方式，以Ｓｃｒａｔｃｈ等编程软件为代表的图形化编程以及以积木块为代表的实体编??程［２５］。目前，图形化编程已被广泛应用于６岁以上的少儿编程中；实体编程作为??一种面向低龄儿童的特殊编程形式，采用块、按钮和卡片等指令形式（如图１．２所??示）。实物编程与玩具、机器人的结合，幼儿可以直接用手操作实物材料，过程不??需要电子屏幕，也不需要拥有较强的文字阅读能力，可构建符合蒙特梭利教育理念??的编程学习工具，这类变形的实物编程教具可以用于教育学前儿童编程，协助他们??学习解决问题的方法。??（參??图１．２芒果乐联实物编程指令??３??
＃碩士学位论文??ＭＡＳＴＥＲ?Ｓ?ＴＨＥＳＩＳ??一?黪屬??ｍ?．．．．??＇募?ｌ?’?（?：?：?８??？３＾－＊＊＊＾＾?—Ｓ—＜■?，ＪＳ＾??（ａ）玛塔实物编程机器人?（ｂ）?ｐｒｉｍｏ?ｔｏｙｓ??图２．１常见的机器人编程套件??孩子们可以通过编程套件中提供的指令块（如图２．２）控制机器人完成移动、唱??歌、绘画等多种动作，丰富了实物编程的操作过程，提高了生动性和趣味性。??疆資?３?Ｊ：??圓?Ｊｊ?多？＾１３２？＿＿??ｉｄ迦⑩Ｊ圔??ｉ??Ｓ?園?ｄ?ｉ?？?２??Ｓ?」隱?ｄｆｌ?Ｂ??图２．２实物编程指令块??利用这些实物机器人编程套件中的指令模块，儿童可以控制机器人完成一系??列任务，例如寻路（图２．３?（ａ））、绘画（图２．３（ｂ））等。儿童们通过自己的逻辑思维、??创造思维及算法思维完成指令的编排，不断调试，完成这些任务［２８］。在这个过程??中，儿童的计算思维能得到充分的培养和锻炼。??Ｗ－?ＳＥ２？?＾??（ａ）寻路?（ｂ）绘画??图２．３培养计算思维的任务??２．１．２实物机器人编程中的计算思维培养??虽然实物机器人可以作为计算思维培养的载体，但是计算思维的培养不能无??的放矢，而是应当依据计算思维的基本概念开展。本文基于Ｂａｒｅｆｏｏｔ的计算思维??７??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于STEAM的青少年Scratch教学思考[J]. 周旭. 新智慧. 2020(01)
[2]图形化编程工具在面向青少年人工智能教育中的应用[J]. 倪震,刘晓迁,臧亮亮. 电子世界. 2019(21)
[3]面向人工智能时代儿童编程教育行动路径——基于日本“儿童编程教育发展必要条件”调查报告[J]. 孙立会,刘思远,李曼曼. 电化教育研究. 2019(08)
[4]符号在电子产品设计中的设计原则分析[J]. 王军亮. 科技创新导报. 2019(20)
[5]浅谈Dijkstra算法与Floyd算法[J]. 黄杭. 中国新通信. 2019(03)
[6]海陆一体化电子地图显示的符号设计[J]. 陈敏颉,文娜,方成. 测绘与空间地理信息. 2018(12)
[7]实体编程的教育应用与启示[J]. 傅骞,章梦瑶. 现代教育技术. 2018(12)
[8]Flash动画在《内科学》教学中的应用与效果评价[J]. 王宏顺,黄青,彭胜男,杨宜花,姜劼琳,吴运瑶,洪婷. 江西中医药大学学报. 2019(01)
[9]计算思维与计算机学科知识关系分析[J]. 王荣良. 中国信息技术教育. 2018(19)
[10]中小学信息技术教育定位的嬗变[J]. 张进宝,姬凌岩. 电化教育研究. 2018(05)
博士论文
[1]儿童编程学习体验研究[D]. 石晋阳.南京师范大学 2018
硕士论文
[1]美国幼儿编程教育初探[D]. 程艺.上海师范大学 2019
[2]面向儿童的图形化编程软件的研发[D]. 翟发.黑龙江大学 2019
[3]基于scratch编程的小学生计算思维培养的实践研究[D]. 李芳芳.四川师范大学 2018
[4]基于Scratch培养小学生计算思维的教育实践研究[D]. 范帅帅.聊城大学 2018
[5]面向对象的地质符号数据库设计与实现[D]. 陈燕红.中国地质大学(北京) 2018
[6]基于WPF的初中化学仿真实验工具的设计与开发[D]. 玄德.华中师范大学 2014
[7]运用Scratch软件培养中学生计算思维的研究[D]. 赵兰兰.上海师范大学 2013
[8]学前儿童数学互动教学软件设计与开发[D]. 张立龙.华中师范大学 2012
[9]基于超声波定位的机器人路径规划[D]. 孙莹莹.中国海洋大学 2011
[10]学前儿童教育游戏软件设计研究[D]. 孟晓莉.南京师范大学 2011
本文编号：2908939
【文章来源】：华中师范大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?Ｐｒｏｊｅｃｔ?Ｂｌｏｋｓ控制模块??当前编程教学工具存在三种形式：以传统Ｃ、Ｃ＋＋等编程语言为代表的文本编??
碩士学位论文??ＭＡＳＴＥＲ?Ｓ?ＴＨＥＳＩＳ??的基于块的实物编程语言，比如Ｋｉｂｏ；年龄再大些的孩子能够构建和编制自己的??机器人套件，例如大众所熟悉的ＬｅｇｏＭｉｎｄｓｔｏｒｍｓ［２１＾ＢＬｉｔｔｌｅＢｉｔｓ［２２］。??机器人编程教育能够帮助学生理解复杂概念，培养学生高级思维能力。西方发??达国家推出了一系列的儿童编程学习软件，例如苹果发布了?ｉＰａｄ版本的Ｓｗｉｆｔ??Ｐｌａｙｇｒｏｕｎｄｓ应用，是一款门榲很低的教学软件［２３］。Ｇｏｏｇｌｅ?（谷歌）推出的Ｐｒｏｊｅｃｔ??Ｂｌｏｋｓ，是一个开放硬件平台，能够支持各类实物编程玩具［２４］。如图１．１所示，它??由三种部件组成，这些部件连接到一起，会形成一系列指令，再通过ＷｉＦｉ或蓝牙??发送至玩具、平板电脑等联网设备。??＾ＱＱＯｔａＳＢ。??□?〇??图１．１?Ｐｒｏｊｅｃｔ?Ｂｌｏｋｓ控制模块??当前编程教学工具存在三种形式：以传统Ｃ、Ｃ＋＋等编程语言为代表的文本编??程方式，以Ｓｃｒａｔｃｈ等编程软件为代表的图形化编程以及以积木块为代表的实体编??程［２５］。目前，图形化编程已被广泛应用于６岁以上的少儿编程中；实体编程作为??一种面向低龄儿童的特殊编程形式，采用块、按钮和卡片等指令形式（如图１．２所??示）。实物编程与玩具、机器人的结合，幼儿可以直接用手操作实物材料，过程不??需要电子屏幕，也不需要拥有较强的文字阅读能力，可构建符合蒙特梭利教育理念??的编程学习工具，这类变形的实物编程教具可以用于教育学前儿童编程，协助他们??学习解决问题的方法。??（參??图１．２芒果乐联实物编程指令??３??
＃碩士学位论文??ＭＡＳＴＥＲ?Ｓ?ＴＨＥＳＩＳ??一?黪屬??ｍ?．．．．??＇募?ｌ?’?（?：?：?８??？３＾－＊＊＊＾＾?—Ｓ—＜■?，ＪＳ＾??（ａ）玛塔实物编程机器人?（ｂ）?ｐｒｉｍｏ?ｔｏｙｓ??图２．１常见的机器人编程套件??孩子们可以通过编程套件中提供的指令块（如图２．２）控制机器人完成移动、唱??歌、绘画等多种动作，丰富了实物编程的操作过程，提高了生动性和趣味性。??疆資?３?Ｊ：??圓?Ｊｊ?多？＾１３２？＿＿??ｉｄ迦⑩Ｊ圔??ｉ??Ｓ?園?ｄ?ｉ?？?２??Ｓ?」隱?ｄｆｌ?Ｂ??图２．２实物编程指令块??利用这些实物机器人编程套件中的指令模块，儿童可以控制机器人完成一系??列任务，例如寻路（图２．３?（ａ））、绘画（图２．３（ｂ））等。儿童们通过自己的逻辑思维、??创造思维及算法思维完成指令的编排，不断调试，完成这些任务［２８］。在这个过程??中，儿童的计算思维能得到充分的培养和锻炼。??Ｗ－?ＳＥ２？?＾??（ａ）寻路?（ｂ）绘画??图２．３培养计算思维的任务??２．１．２实物机器人编程中的计算思维培养??虽然实物机器人可以作为计算思维培养的载体，但是计算思维的培养不能无??的放矢，而是应当依据计算思维的基本概念开展。本文基于Ｂａｒｅｆｏｏｔ的计算思维??７??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于STEAM的青少年Scratch教学思考[J]. 周旭. 新智慧. 2020(01)
[2]图形化编程工具在面向青少年人工智能教育中的应用[J]. 倪震,刘晓迁,臧亮亮. 电子世界. 2019(21)
[3]面向人工智能时代儿童编程教育行动路径——基于日本“儿童编程教育发展必要条件”调查报告[J]. 孙立会,刘思远,李曼曼. 电化教育研究. 2019(08)
[4]符号在电子产品设计中的设计原则分析[J]. 王军亮. 科技创新导报. 2019(20)
[5]浅谈Dijkstra算法与Floyd算法[J]. 黄杭. 中国新通信. 2019(03)
[6]海陆一体化电子地图显示的符号设计[J]. 陈敏颉,文娜,方成. 测绘与空间地理信息. 2018(12)
[7]实体编程的教育应用与启示[J]. 傅骞,章梦瑶. 现代教育技术. 2018(12)
[8]Flash动画在《内科学》教学中的应用与效果评价[J]. 王宏顺,黄青,彭胜男,杨宜花,姜劼琳,吴运瑶,洪婷. 江西中医药大学学报. 2019(01)
[9]计算思维与计算机学科知识关系分析[J]. 王荣良. 中国信息技术教育. 2018(19)
[10]中小学信息技术教育定位的嬗变[J]. 张进宝,姬凌岩. 电化教育研究. 2018(05)
博士论文
[1]儿童编程学习体验研究[D]. 石晋阳.南京师范大学 2018
硕士论文
[1]美国幼儿编程教育初探[D]. 程艺.上海师范大学 2019
[2]面向儿童的图形化编程软件的研发[D]. 翟发.黑龙江大学 2019
[3]基于scratch编程的小学生计算思维培养的实践研究[D]. 李芳芳.四川师范大学 2018
[4]基于Scratch培养小学生计算思维的教育实践研究[D]. 范帅帅.聊城大学 2018
[5]面向对象的地质符号数据库设计与实现[D]. 陈燕红.中国地质大学(北京) 2018
[6]基于WPF的初中化学仿真实验工具的设计与开发[D]. 玄德.华中师范大学 2014
[7]运用Scratch软件培养中学生计算思维的研究[D]. 赵兰兰.上海师范大学 2013
[8]学前儿童数学互动教学软件设计与开发[D]. 张立龙.华中师范大学 2012
[9]基于超声波定位的机器人路径规划[D]. 孙莹莹.中国海洋大学 2011
[10]学前儿童教育游戏软件设计研究[D]. 孟晓莉.南京师范大学 2011
本文编号：2908939
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