基于開源硬件的初中S4A程序設(shè)計(jì)教學(xué)的探索和思考

李李

【摘要】本文通過(guò)S4A編程平臺(tái)結(jié)合開源硬件制作智能紅外溫控風(fēng)扇的實(shí)例來(lái)探索初中階段程序設(shè)計(jì)教學(xué)的一種思路：重算法和結(jié)構(gòu)，輕代碼和語(yǔ)法，結(jié)合開源硬件將程序結(jié)構(gòu)和算法融入學(xué)生的日常生活實(shí)例中，培養(yǎng)學(xué)生的算法思維，讓學(xué)生真正體驗(yàn)程序設(shè)計(jì)的實(shí)用性和樂(lè)趣。

【關(guān)鍵詞】程序設(shè)計(jì)；S4A 開源硬件；程序結(jié)構(gòu)；算法

【背景】

程序設(shè)計(jì)是蘇科版初中信息技術(shù)8年級(jí)第4章的教學(xué)內(nèi)容。教材選取的是Visual Basic語(yǔ)言。主要教學(xué)內(nèi)容目標(biāo)是了解控制結(jié)構(gòu)（選擇結(jié)構(gòu)、順序結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)）和算法。VB作為一門面向?qū)ο蟮母呒?jí)語(yǔ)言，雖然繼承了Basic的簡(jiǎn)單易學(xué)特點(diǎn)，然而對(duì)于大部分初中學(xué)生來(lái)講，學(xué)習(xí)VB依然有較大的難度。同時(shí)，教材中選取的教學(xué)實(shí)例和編程練習(xí)基本是數(shù)學(xué)問(wèn)題，這就讓學(xué)生（尤其是害怕數(shù)學(xué)的學(xué)生）學(xué)習(xí)時(shí)感嘆程序設(shè)計(jì)就像在做數(shù)學(xué)題——抽象、枯燥。教師很難達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。

義務(wù)教育初中階段的程序設(shè)計(jì)教學(xué)并不是要將學(xué)生都培養(yǎng)成編程高手，《初中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》指出：要讓學(xué)生認(rèn)識(shí)使用信息技術(shù)解決問(wèn)題的意義，掌握運(yùn)用信息技術(shù)解決問(wèn)題的基本過(guò)程，能根據(jù)任務(wù)的需要提出解決問(wèn)題的方案，并能逐步實(shí)現(xiàn)。由此可見，初中階段的程序設(shè)計(jì)是要培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的興趣，不以代碼編寫訓(xùn)練為要義，而以程序設(shè)計(jì)方法和算法思想的體驗(yàn)為旨?xì)w。強(qiáng)調(diào)從生活實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，讓學(xué)生既能體驗(yàn)并熟悉信息技術(shù)環(huán)境的優(yōu)勢(shì)，又能通過(guò)設(shè)計(jì)算法和程序結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，要在程序?qū)W習(xí)中培養(yǎng)學(xué)生利用編程解決問(wèn)題的能力。

如何才能讓學(xué)生對(duì)程序設(shè)計(jì)有興趣，不畏懼？如何才能落實(shí)程序設(shè)計(jì)教學(xué)主旨？

由此，我想到了選修教材里的機(jī)器人和物聯(lián)網(wǎng)模塊?？刹豢梢蕴蕴璙B，選擇基于可視化編程語(yǔ)言Scratch的S4A結(jié)合機(jī)器人和物聯(lián)網(wǎng)傳感器內(nèi)容進(jìn)行程序設(shè)計(jì)教學(xué)呢？

【實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)】

基于開源硬件的智能紅外溫控風(fēng)扇的程序設(shè)計(jì)教學(xué)。預(yù)備完成風(fēng)扇模型組裝，傳感器與編程板鏈接的學(xué)件。課程的設(shè)計(jì)淡化傳感器原理性知識(shí)和數(shù)字模擬接口的參數(shù)設(shè)置的講解。從程序結(jié)構(gòu)和算法出發(fā)，注重通過(guò)程序設(shè)計(jì)的理解解決實(shí)際問(wèn)題。

教學(xué)情境：隨著氣溫的升高，風(fēng)扇又重新回歸我們的生活。生活中的風(fēng)扇總是需要人操作開關(guān)來(lái)設(shè)定它的工作狀態(tài)。有沒(méi)有方法，實(shí)現(xiàn)一個(gè)智能的風(fēng)扇，當(dāng)氣溫達(dá)到一定數(shù)值，有人在的時(shí)候才啟動(dòng)工作狀態(tài)，并能隨著氣溫的變化自動(dòng)調(diào)整風(fēng)速；當(dāng)人離開時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)，節(jié)約能源呢？

教學(xué)目標(biāo)：通過(guò)實(shí)現(xiàn)智能紅外溫控風(fēng)扇程序的編寫和調(diào)試，理解程序的三種基本結(jié)構(gòu)，即順序結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)，并能利用三種結(jié)構(gòu)結(jié)合算法編寫程序解決實(shí)際生活中的問(wèn)題。

準(zhǔn)備：硬件（風(fēng)扇模型、溫度傳感器、紅外傳感器、開源Arduino編程板）；軟件（Scratch for Arduino）

教學(xué)設(shè)計(jì)基于開源硬件組合使用，從程序基本結(jié)構(gòu)出發(fā)，采取任務(wù)驅(qū)動(dòng)形式。

任務(wù)一：實(shí)現(xiàn)智能風(fēng)扇溫度控制功能

即風(fēng)扇通過(guò)溫度傳感器判定外界氣溫是否滿足風(fēng)扇工作的條件。

學(xué)生拼接溫度感應(yīng)傳感器、直流減速電機(jī)和開源Arduino編程板，使用傳感器采集環(huán)境信息，在S4A（Scratch for Arduino）中編程，用分支（選擇）結(jié)構(gòu)語(yǔ)句設(shè)計(jì)完成智能風(fēng)扇的溫度感應(yīng)功能；用循環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇持續(xù)工作。

任務(wù)二：實(shí)現(xiàn)智能風(fēng)扇溫度紅外控制功能

在任務(wù)一基礎(chǔ)上調(diào)整硬件組合，添加紅外傳感器，用分支嵌套修改程序，完成智能風(fēng)扇的紅外控制功能。

任務(wù)三：實(shí)現(xiàn)智能風(fēng)扇擋位自動(dòng)調(diào)節(jié)。

用順序結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)檔位，用分支嵌套結(jié)構(gòu)在程序中完成隨溫度變化調(diào)節(jié)風(fēng)速擋位功能。

每個(gè)任務(wù)環(huán)節(jié)，請(qǐng)小組展示作品，并交流程序設(shè)計(jì)心得。學(xué)生通過(guò)風(fēng)扇的工作狀態(tài)調(diào)試程序，直觀體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，很好地理解了程序設(shè)計(jì)的三種基本結(jié)構(gòu)。這在過(guò)去用VB教學(xué)是很不容易達(dá)到的。

【思考】

基于開源硬件的程序設(shè)計(jì)教學(xué)，主旨是讓學(xué)生參與程序設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)。以程序設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，以算法為核心。不強(qiáng)調(diào)代碼編寫訓(xùn)練，而以學(xué)生的程序設(shè)計(jì)方法和算法思想的體驗(yàn)為旨?xì)w。強(qiáng)調(diào)從生活實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，讓學(xué)生既能體驗(yàn)并熟悉信息技術(shù)環(huán)境的優(yōu)勢(shì)，又能通過(guò)設(shè)計(jì)算法和程序結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，以感悟理解算法和程序設(shè)計(jì)在解決生活問(wèn)題中的地位和作用。

因此，初中階段普及性的程序設(shè)計(jì)的教學(xué)，筆者認(rèn)為可以從這幾方面入手。

一、選擇合適的程序設(shè)計(jì)平臺(tái)

選擇一款適合義務(wù)教育階段一般學(xué)生心智的程序語(yǔ)言對(duì)于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，順利實(shí)施常態(tài)化程序設(shè)計(jì)教學(xué)尤為重要。選擇S4A（Scratch for Arduino）作為編程平臺(tái)，是因?yàn)镾4A是使Arduino開源硬件平臺(tái)能夠簡(jiǎn)單編程的Scratch修改版?？梢岳斫鉃槟軌蜻B接硬件的Scratch。它的編程界面高度近似于Scratch。S4A（Scratch for Arduino）類似積木的指令操作簡(jiǎn)單、直觀，讓我們找到了程序設(shè)計(jì)教學(xué)的突破口。

1.基于Scratch的S4A是可視化編程

與VB等編程語(yǔ)言相比，S4A以“所見即所得”的編程思想為原則，力圖實(shí)現(xiàn)程序與結(jié)果的同步顯示。編寫的程序執(zhí)行的時(shí)候，直接反應(yīng)在鏈接的硬件上，化抽象為具體，大大提高了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣。

2.基于Scratch的S4A指令模塊化，容易上手

基于Scratch的S4A和Scratch一樣有八大指令模塊，并且具有不同的外形和顏色。初學(xué)者無(wú)須花費(fèi)大量的時(shí)間去記憶枯燥的語(yǔ)法，只需將左側(cè)所需指令塊拖入右側(cè)的腳本區(qū)，如果兩個(gè)指令塊可以合為一體，就說(shuō)明語(yǔ)法正確，否則就代表兩個(gè)指令塊不能直接相連，學(xué)生只需將右側(cè)多余的指令塊拖到左側(cè)指令塊區(qū)即代表刪除。這樣的設(shè)計(jì)，可以讓學(xué)生省去大量的程序調(diào)試時(shí)間，集中精力進(jìn)行結(jié)構(gòu)和算法的優(yōu)化和完善。

3. S4A與外部傳感器無(wú)縫連接，可以有效結(jié)合物聯(lián)生活

Scratch for Arduino （S4A）是Scratch的修改版本，它提供了一系列新的傳感器模塊與輸出模塊，并通過(guò)它們連接Ardunio開發(fā)板，而且它可以連接多塊開發(fā)板并顯示出多個(gè)獨(dú)立的開發(fā)窗口，讓使用者可以輕松搭建與生活實(shí)際緊密聯(lián)系的作品。

S4A作為一款提供傳感器模塊接口的圖形化編程軟件，以此為基礎(chǔ)的程序設(shè)計(jì)教學(xué)既有利于降低學(xué)生的思維難度，又有利于學(xué)生的思維從具體形象逐步發(fā)展過(guò)渡到抽象階段。從無(wú)形中消弭了學(xué)生學(xué)習(xí)的畏難情緒，為程序設(shè)計(jì)教學(xué)奠定了良好的軟件環(huán)境。

學(xué)生結(jié)合硬件和圖形化編程調(diào)試，有效地理解了程序的結(jié)構(gòu)以及算法對(duì)于執(zhí)行結(jié)果的效率。

二、重算法和結(jié)構(gòu)，輕代碼和語(yǔ)法

程序設(shè)計(jì)課程作為信息技術(shù)教學(xué)的一部分，不僅能提高學(xué)生的動(dòng)手能力，也有助于學(xué)生思維能力的培養(yǎng)。過(guò)去教學(xué)一到程序設(shè)計(jì)部分，學(xué)生都倒吸一口冷氣，覺(jué)得好高深，好困難，一堂課下來(lái)，興趣完全缺失。在實(shí)際的教學(xué)中，學(xué)生對(duì)于VB的接受和認(rèn)可度很低。教材中選取的教學(xué)實(shí)例和編程練習(xí)基本是數(shù)學(xué)問(wèn)題，這就讓學(xué)生（尤其是害怕數(shù)學(xué)的學(xué)生）學(xué)習(xí)時(shí)感嘆程序設(shè)計(jì)就像在做數(shù)學(xué)題——抽象、枯燥。的確，VB這款成人化編程軟件由于命令冗長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、邏輯思維抽象等特點(diǎn)，并不太適合義務(wù)教育階段一般的中小學(xué)生學(xué)習(xí)。

義務(wù)教育初中階段信息技術(shù)課程的 “程序設(shè)計(jì)”章節(jié)的基本定位：以程序設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，以算法為核心。不以代碼編寫訓(xùn)練為要義，而以程序設(shè)計(jì)方法和算法思想的體驗(yàn)為旨?xì)w。

因?yàn)橛?jì)算機(jī)語(yǔ)言和開發(fā)平臺(tái)日新月異，很可能現(xiàn)在學(xué)的編程語(yǔ)言等到學(xué)生將來(lái)深造或者工作時(shí)早已淘汰。但萬(wàn)變不離其宗的是算法和結(jié)構(gòu)。義務(wù)教育階段就是一個(gè)基礎(chǔ)教學(xué)階段，是打根基，修內(nèi)功。

算法是程序設(shè)計(jì)的靈魂，程序設(shè)計(jì)教學(xué)首重算法。

算法（Algorithm）是指解題方案的準(zhǔn)確而完整的描述，是一系列解決問(wèn)題的清晰指令，算法代表著用系統(tǒng)的方法描述解決問(wèn)題的策略機(jī)制。程序設(shè)計(jì)教學(xué)中算法的教學(xué)有助于學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)。

在程序設(shè)計(jì)教學(xué)中，讓學(xué)生理解順序結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)三種基本結(jié)構(gòu)。這三種結(jié)構(gòu)將伴隨程序設(shè)計(jì)，學(xué)生能在基于開源硬件的程序設(shè)計(jì)中靈活應(yīng)用，深化理解。

三、程序設(shè)計(jì)實(shí)例趣味化、生活化

新課程倡導(dǎo)學(xué)生要自主、合作、探究學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)的動(dòng)力來(lái)源于興趣驅(qū)動(dòng)，適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)內(nèi)容能最大限度地吸引學(xué)生。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，生活中的智能化產(chǎn)品越來(lái)越多。學(xué)生們?cè)诮蛹{的同時(shí)，內(nèi)心深處其實(shí)隱藏著對(duì)于智能設(shè)備功能實(shí)現(xiàn)的好奇。心理學(xué)研究表明，當(dāng)學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)生熟悉的生活情境越貼近，學(xué)生自覺(jué)接納的程度越高。

例如，本課選擇的智能風(fēng)扇，原型是生活中常見的物品，每個(gè)學(xué)生都使用過(guò)。然而，加上溫控、紅外傳感器，配合程序就能實(shí)現(xiàn)無(wú)須人工干預(yù)的智能化行為。這種直觀顯現(xiàn)能極大地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

生活中還有很多這樣的例子，比如倒車?yán)走_(dá)、自動(dòng)感應(yīng)門、火焰報(bào)警器、聲控樓道燈……

基于開源硬件的程序設(shè)計(jì)，教學(xué)可以將程序結(jié)構(gòu)和算法思維融入學(xué)生的日常生活實(shí)例中，讓學(xué)生自己動(dòng)手解惑、釋疑，體驗(yàn)程序設(shè)計(jì)在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的作用，培養(yǎng)學(xué)生的算法思維，讓學(xué)生真實(shí)體驗(yàn)程序設(shè)計(jì)的樂(lè)趣。

【參考文獻(xiàn)】

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