軟硬件結(jié)合學(xué)編程

野雪蓮

隨著《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》的發(fā)布，人工智能成為了我國(guó)戰(zhàn)略發(fā)展的一項(xiàng)重要內(nèi)容，人工智能的教育應(yīng)用自然也成為教育領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。2017年新修訂的《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》在必修課程中有機(jī)融入了人工智能基礎(chǔ)知識(shí)，在選擇性必修課程中設(shè)置了“人工智能初步”模塊，要求學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)，了解人工智能的發(fā)展歷程及概念，能描述典型人工智能算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，通過(guò)搭建簡(jiǎn)單的人工智能應(yīng)用模塊，親歷設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單智能系統(tǒng)的基本過(guò)程與方法，增強(qiáng)利用智能技術(shù)服務(wù)人類發(fā)展的責(zé)任感。

在純軟件代碼編程的基礎(chǔ)上配合增加開(kāi)源硬件，即可實(shí)現(xiàn)在教育領(lǐng)域讓學(xué)生切身體驗(yàn)、模擬甚至創(chuàng)新看似高深的人工智能應(yīng)用。智能家居作為人工智能的一個(gè)典型應(yīng)用領(lǐng)域之一，是離學(xué)生的學(xué)習(xí)和生活最近的應(yīng)用領(lǐng)域。從這個(gè)角度切入開(kāi)展教學(xué)，可實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)智能家居的可見(jiàn)、可用、可模擬、可創(chuàng)造。以此為指引，我在高一年級(jí)的信息技術(shù)課程中設(shè)計(jì)實(shí)施了“Python與智能生活”單元。

整個(gè)單元借助micro：bit開(kāi)源硬件與Python編程語(yǔ)言，圍繞幾個(gè)生活中常見(jiàn)的智能效果，讓學(xué)生經(jīng)歷用編程解決問(wèn)題的基本過(guò)程，學(xué)會(huì)通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)目標(biāo)需求的一般過(guò)程和方法，從而提高根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的數(shù)字化工具及技術(shù)解決問(wèn)題的信息意識(shí)，鍛煉用編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)問(wèn)題解決的計(jì)算思維能力。具體有如下3個(gè)主題。

·主題1：入戶歡迎效果帶學(xué)生認(rèn)識(shí)開(kāi)源硬件套件中的micro：bit單片機(jī)及溫濕度傳感器，學(xué)習(xí)順序結(jié)構(gòu)，并梳理出解決問(wèn)題的“編程三步法”。

·主題2：無(wú)線通信課題融合了分支結(jié)構(gòu)、列表與隨機(jī)數(shù)的Python編程知識(shí)，以及硬件的按鈕、聲音、顯示等內(nèi)容，在編程實(shí)現(xiàn)功能的過(guò)程中鞏固解決問(wèn)題的編程三步法。

·主題3：流量統(tǒng)計(jì)工具將“家居”拓寬為“社會(huì)生活”，要求學(xué)生應(yīng)用編程三步法實(shí)現(xiàn)效果，在過(guò)程中學(xué)習(xí)循環(huán)結(jié)構(gòu)，鞏固列表和隨機(jī)數(shù)的使用，認(rèn)識(shí)光敏電阻、OLED顯示屏等硬件設(shè)備，拓展學(xué)生對(duì)智能生活的認(rèn)知。

這3個(gè)主題從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，以智能生活的真實(shí)場(chǎng)景為背景，以編程三大結(jié)構(gòu)為主線，以開(kāi)源硬件為實(shí)現(xiàn)抓手，學(xué)生通過(guò)問(wèn)題分析及效果觀察，在實(shí)際應(yīng)用中深入理解三大控制結(jié)構(gòu)及相關(guān)Python知識(shí)，掌握編程解決問(wèn)題的步驟與方法，切實(shí)感受程序設(shè)計(jì)與當(dāng)今智能生活的緊密關(guān)系。

以主題2“無(wú)線通信”的第1節(jié)課時(shí)為例，課程內(nèi)容以鞏固編程解決問(wèn)題的一般過(guò)程及方法——編程三步法為主線，以分支結(jié)構(gòu)、多分支結(jié)構(gòu)中的分支邏輯關(guān)系、列表、隨機(jī)等Python知識(shí)和無(wú)線收發(fā)消息的硬件控制命令為抓手，帶領(lǐng)學(xué)生借助micro：bit的無(wú)線通信功能，通過(guò)發(fā)送端和接收端2種角色共同協(xié)作，實(shí)現(xiàn)消息的發(fā)送、接收及相應(yīng)的控制效果。在此過(guò)程中達(dá)成以下學(xué)習(xí)目標(biāo)。

·通過(guò)實(shí)現(xiàn)發(fā)送端與接收端之間的無(wú)線通信，深入感受編程三步法“分析需求確定結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)功能”的過(guò)程，理解運(yùn)用編程解決實(shí)際問(wèn)題的方法，提升用計(jì)算機(jī)編程求解問(wèn)題的意識(shí)和能力。

·掌握分支結(jié)構(gòu)的含義和使用方法，能夠使用micro：bit的無(wú)線功能及按鈕操作，實(shí)現(xiàn)發(fā)送端或接收端的相應(yīng)功能。

·了解Python中列表及隨機(jī)數(shù)的含義和使用方法。

具體教學(xué)設(shè)計(jì)如下文所述。環(huán)節(jié)1：回顧與引入

教師活動(dòng)

·我們從以往的活動(dòng)中總結(jié)出了編程三步法：根據(jù)需求，分析問(wèn)題;理清流程，確定結(jié)構(gòu);對(duì)應(yīng)代碼，實(shí)現(xiàn)功能。今天應(yīng)用這個(gè)方法探索物聯(lián)網(wǎng)中的無(wú)線通信。

·很多同學(xué)有過(guò)用手機(jī)操控家中智能設(shè)備的經(jīng)歷，比如用手機(jī)選擇一種生活模式，如深夜模式、娛樂(lè)模式或者日常模式，智能設(shè)備能夠按照選擇作出反應(yīng)。

·在這個(gè)過(guò)程中，可以很清晰地分析出2個(gè)參與活動(dòng)的角色——發(fā)送端要識(shí)別用戶的選擇，然后發(fā)送出去;接收端要接收消息指令，然后作出反應(yīng)。

·使用micro：bit就可以模擬這種效果，圖2為展示效果。

·我們要編程實(shí)現(xiàn)這種效果，可以按照編程三步法一步步進(jìn)行。

學(xué)生活動(dòng)

·回顧編程三步法。

·結(jié)合生活實(shí)際，理解用戶操控手中的設(shè)備選擇生活模式，智能設(shè)備接收到指定模式作出反應(yīng)這一功能需求。

·從中提煉出發(fā)送端與接收端2個(gè)角色，以及兩端分別做的事情，進(jìn)而知道無(wú)線通信中發(fā)送與接收的過(guò)程。

·觀看視頻，加深對(duì)無(wú)線通信過(guò)程的理解。

設(shè)計(jì)意圖

回顧編程三步法，以此作為本節(jié)課的學(xué)習(xí)主線，帶領(lǐng)學(xué)生快速進(jìn)入主題，從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，結(jié)合自身經(jīng)歷和功能描述，理解無(wú)線通信的發(fā)送與接收過(guò)程，通過(guò)視頻演示加深對(duì)這一效果的認(rèn)知，為后續(xù)三步法中的第一步作好鋪墊。

環(huán)節(jié)2：?jiǎn)栴}解決過(guò)程分析

教師活動(dòng)

結(jié)合編程三步法，分析問(wèn)題解決過(guò)程。

·根據(jù)需求，分析問(wèn)題。詳細(xì)分析發(fā)送端的具體工作過(guò)程，按照接收、判斷、執(zhí)行的過(guò)程，將其梳理為流程圖逐步呈現(xiàn)（圖3）。①選擇：用戶按鍵選擇;②判斷：判斷選擇了哪種模式;⑨發(fā)送：發(fā)送相應(yīng)模式的指令消息。

詳細(xì)分析接收端的具體工作過(guò)程，將這一過(guò)程梳理為流程圖的方式呈現(xiàn)（圖4）。①接收：接收發(fā)送端的模式消息;②判斷：判斷收到的是哪種模式;③執(zhí)行：執(zhí)行該模式的效果。

·理清流程，確定結(jié)構(gòu)。對(duì)照流程圖，講解多分支結(jié)構(gòu)。像這樣有判斷條件，并且不同的判斷結(jié)果執(zhí)行不同的命令，是一種分支結(jié)構(gòu)，有多個(gè)判斷條件即為多分支結(jié)構(gòu)。

·對(duì)應(yīng)代碼，實(shí)現(xiàn)功能?，F(xiàn)在已經(jīng)完成了編程三步法的前兩步，接下來(lái)分別對(duì)應(yīng)按鈕操作、音樂(lè)播放、多分支、發(fā)送及接收消息的語(yǔ)句命令就可以完成編程了。

學(xué)生活動(dòng)

·結(jié)合教師講解和發(fā)送端的工作過(guò)程描述，觀察逐步呈現(xiàn)的流程圖，明晰發(fā)送端的詳細(xì)工作流程。

·結(jié)合接收端的工作過(guò)程描述和流程圖，明晰發(fā)送端的詳細(xì)工作流程。

·學(xué)習(xí)分支結(jié)構(gòu)，通過(guò)教師講解，理清多分支結(jié)構(gòu)中的分支邏輯關(guān)系。

·借助對(duì)這個(gè)實(shí)際問(wèn)題的分析過(guò)程，深入感受用編程解決實(shí)際問(wèn)題的編程三步法。

設(shè)計(jì)意圖

使用編程三步法進(jìn)行發(fā)送端和接收端的功能分析、結(jié)構(gòu)梳理，讓學(xué)生結(jié)合實(shí)例充分體會(huì)運(yùn)用編程三步法解決實(shí)際問(wèn)題，并根據(jù)實(shí)際功能基本理解分支結(jié)構(gòu)及多分支之間的邏輯關(guān)系，同時(shí)給學(xué)生留有一定的空間進(jìn)行自主思考與探究實(shí)踐，感受編程解決實(shí)際需求的樂(lè)趣。