體驗(yàn)互動技術(shù)，提升計(jì)算思維
——以《機(jī)靈的小老鼠》一課為例

仇大成 江蘇省濱?？h教師發(fā)展中心

張海波 江蘇省濱海縣第二實(shí)驗(yàn)小學(xué)

隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，開源硬件項(xiàng)目深受中小學(xué)生的喜愛。教師在教學(xué)中，需要創(chuàng)設(shè)有趣、互動的Arduino學(xué)習(xí)項(xiàng)目，才能夠?qū)W(xué)生領(lǐng)進(jìn)“傳感器”“智能化”的世界，并使其在規(guī)劃、拼搭、調(diào)試、交流的創(chuàng)意編程過程中體驗(yàn)互動技術(shù)，提升計(jì)算思維，促進(jìn)信息素養(yǎng)的達(dá)成。計(jì)算思維和創(chuàng)意編程的學(xué)習(xí)是一個多元、互動的融合過程。筆者以《機(jī)靈的小老鼠》一課為例，以案例教學(xué)法為主線，通過欣賞案例、分析案例、修改案例等方式，引導(dǎo)學(xué)生歷經(jīng)“自主探究、連接設(shè)備”“對比實(shí)驗(yàn)、體驗(yàn)交互”“合理規(guī)劃、編寫腳本”等學(xué)習(xí)過程，實(shí)現(xiàn)與虛擬角色的智能互動，最后適度拓展，認(rèn)識更多的傳感器，更好地進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐。

●魔術(shù)激趣，初識開源硬件

課前，教師創(chuàng)設(shè)小老鼠進(jìn)出洞的“魔術(shù)”表演情境，以奇激趣，使學(xué)生急切地想破解謎底，在趣味中激起強(qiáng)烈的探究開源硬件的欲望。同時，在魔術(shù)中滲透光敏傳感器對光線的檢測，以及小老鼠根據(jù)光線進(jìn)、出洞的原理，使得魔術(shù)既有趣又耐人尋味。

●自主探究，連接開源硬件

上課伊始，學(xué)生初次接觸Arduino主板和傳感器等開源硬件，既陌生又好奇，此時教師結(jié)合自學(xué)教材和有針對性的微視頻，讓學(xué)生能夠迅速、精準(zhǔn)地了解開源硬件。

活動1：認(rèn)識Arduino主板和光敏傳感器。

①認(rèn)識：用實(shí)物展示光敏傳感器、Arduino主板。

②感知：學(xué)生自學(xué)教材，了解光敏傳感器、Arduino主板的知識（同桌之間指一指、認(rèn)一認(rèn)）。

③教師播放微視頻，幫助學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識Arduino主板和光敏傳感器的作用。（視頻內(nèi)容為：我叫光敏傳感器，我身上最重要的東西是感光元件，我可以測量光線的亮度，然后把亮度轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可用的數(shù)字信號。我叫Arduino板，我可以連接很多的傳感器，還可以和計(jì)算機(jī)相連接，把傳感器的數(shù)字信號傳輸給計(jì)算機(jī)）

④交流：要求學(xué)生將對Arduino主板和光敏傳感器的認(rèn)識在小組內(nèi)分享。

設(shè)計(jì)意圖：認(rèn)識Arduino和傳感器的端口和接口，學(xué)會連接方法，是后續(xù)探究和學(xué)習(xí)開源硬件的基礎(chǔ)。采用微視頻、猜想、操作的方法，將零散的問題逐個解決，在自主探究的過程中，使學(xué)生的主體性得到充分體現(xiàn)。

活動2：連接光敏傳感器與Arduino主板。

①觀察：教師按順序依次介紹光敏傳感器的4個端口名稱和功能，學(xué)生在光敏傳感器中找到對應(yīng)的端口。

②猜想：學(xué)生猜想這些端口是做什么用的？

③指導(dǎo)：教師出示光敏傳感器與Arduino主板的導(dǎo)線連接圖（如圖1），并示范光敏傳感器與Arduino主板連接，強(qiáng)調(diào)連接要點(diǎn)：細(xì)心觀察、一一對應(yīng)、注意安全。

圖1

④操作：學(xué)生連接光敏傳感器和Arduino主板。

⑤交流：請完成好的小組介紹連接的心得體會。

活動3：Arduino主板與計(jì)算機(jī)連接及啟動“慧編程”程序。

①嘗試：Arduino主板不僅連接傳感器，還需要與計(jì)算機(jī)相連接。學(xué)生對照圖示，連接Arduino主板和計(jì)算機(jī)，并觀察連接前后Arduino主板上指示燈的不同狀態(tài)。

②演示：硬件設(shè)備都連接好了，還需要有相應(yīng)的軟件。啟動“慧編程”程序，了解“慧編程”檢測硬件的方法，判斷硬件是否處于工作狀態(tài)。

③實(shí)踐：啟動“慧編程”程序，觀察硬件正常工作時，“慧編程”程序舞臺區(qū)、角色區(qū)顯示的內(nèi)容。

④指導(dǎo)：默認(rèn)的舞臺上傳感器反饋窗口數(shù)值較多，看起來可能覺得混亂，為了便于觀察光敏傳感器傳遞的信息，需將模擬口A0控件設(shè)置為顯示模式。

設(shè)計(jì)目的：硬件連接和啟動“慧編程”系列活動，理論與實(shí)踐相結(jié)合，指導(dǎo)與探究相融合，學(xué)生在項(xiàng)目活動中領(lǐng)會理論知識，學(xué)習(xí)基本的規(guī)范操作，進(jìn)而輕松了解和掌握Arduino開源硬件。

●對比實(shí)驗(yàn)，確定交互方式

通過光敏傳感器的對比實(shí)驗(yàn)，觀察并記錄光感值，在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而確定最合適的數(shù)據(jù)。表格設(shè)計(jì)指向“光感值交互”的活動目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生在觀察記錄的過程中發(fā)現(xiàn)表格所蘊(yùn)藏的規(guī)律，實(shí)現(xiàn)“形式到邏輯”的模式識別。此過程讓學(xué)生不僅體會到便捷的交互方式，更提升計(jì)算思維能力，為他們學(xué)習(xí)應(yīng)用其他傳感器提供了方法指導(dǎo)。

活動4：更便捷的交互，感受光感值。

①認(rèn)識光感值。

觀察：教師提出問題——舞臺區(qū)A0顯示的數(shù)值，有哪些發(fā)現(xiàn)？如果用手把光敏傳感器遮住，數(shù)值會產(chǎn)生哪些變化？

思考：引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)思考“舞臺區(qū)A0顯示的數(shù)值表示的是什么信息”？（光敏傳感器傳遞的信息）

②記錄光感值。

實(shí)驗(yàn)：小組合作，根據(jù)明亮處、陰暗處兩個類別分3次記錄不同的光感值（如下表）。

交流：分小組匯報(bào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并將結(jié)果在數(shù)軸中標(biāo)記（如圖2）。

圖2

③分析光感值。

觀察：為什么每個小組記錄的光感值都不一樣？

看數(shù)軸中標(biāo)記的點(diǎn)，光線明亮處的光感值在哪一個區(qū)域？陰暗處呢？

思考：用一句話表述光感值和光線強(qiáng)弱之間的關(guān)系。

如果找一個點(diǎn)把它們分開，同學(xué)們覺得在哪兒比較合適？

引導(dǎo)學(xué)生討論：結(jié)合以前學(xué)過的“用聲音控制小貓”的辦法，可以怎樣實(shí)現(xiàn)控制。（超過中間值就……低于中間值就……）

交流：當(dāng)光線強(qiáng)的時候可以讓它執(zhí)行一些動作指令，當(dāng)光線弱的時候可以執(zhí)行另外的一些指令。

設(shè)計(jì)意圖：基于開源硬件學(xué)習(xí)創(chuàng)意編程，要注重項(xiàng)目主題從學(xué)習(xí)生活中挖掘，激發(fā)學(xué)生從經(jīng)典的動畫、游戲的設(shè)計(jì)拓展到交互操作的設(shè)計(jì)。通過實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)光線、聲音、溫度變化與計(jì)算機(jī)互動的神奇效果，深入理解由事件拓展而來的計(jì)算概念，并培養(yǎng)學(xué)生良好的智能設(shè)計(jì)作品的創(chuàng)作習(xí)慣：平時要做一個細(xì)心的人，對傳感器傳遞的信息更要留心觀察、記錄、分析，從而熟悉使用傳感器，根據(jù)傳感器返回?cái)?shù)值的特點(diǎn)，選擇便捷的控制（交互）方式。

●合理規(guī)劃，編寫程序腳本

結(jié)合“魔術(shù)”范例，在比較“如果…”與“如果…否則…”兩個控件的區(qū)別中，進(jìn)一步體驗(yàn)和應(yīng)用光感值。筆者設(shè)計(jì)了“看、改、創(chuàng)”三個遞進(jìn)層次的教學(xué)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在通過分析案例、修改案例的學(xué)習(xí)中，深入理解“運(yùn)用傳感器實(shí)現(xiàn)控制”這一便捷的交互方式，進(jìn)而發(fā)揮想象，運(yùn)用掌握的知識進(jìn)行創(chuàng)作，從而實(shí)現(xiàn)更豐富的互動。

活動5：更有趣的腳本，應(yīng)用光感值。

①擺弄程序，體驗(yàn)光感值。

實(shí)踐：運(yùn)行“機(jī)靈的小老鼠” 腳本程序，自己玩魔術(shù)。

觀察：腳本中控制小老鼠控制活動的是什么指令? 指令中的數(shù)值代表什么？

交流：說一說對“如果…否則…”控件的理解。

嘗試：試試將數(shù)值修改為前面確定的中間值或其他值，觀察變化。

②修改程序，應(yīng)用光感值。

實(shí)踐：展開想象，運(yùn)用光感值為魔術(shù)程序增加角色和指令，使程序功能更豐富、更有趣。

操作提示：多思考，使程序更好玩；多選擇，使指令更豐富；多測試，使運(yùn)行更穩(wěn)定。

展示交流：展示學(xué)生改編的魔術(shù)，分享創(chuàng)意、小技巧與心得體會。

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)重在掌握更多條件組合的編程方法，學(xué)會合理設(shè)置參數(shù)改變開源硬件輸出設(shè)備的狀態(tài)。通過運(yùn)用光感值為“魔術(shù)”程序增加角色和指令，理清思路，修改原有方案，為條件嵌套編程提供支架。學(xué)生前期學(xué)習(xí)時已經(jīng)掌握修改參數(shù)的方法，通過設(shè)計(jì)小組團(tuán)隊(duì)活動，學(xué)生自主協(xié)商分配角色，再構(gòu)智能場景，在不斷試誤、調(diào)整、優(yōu)化中，完善作品，拓展程序的功能。

●拓展應(yīng)用，認(rèn)識其他傳感器

聯(lián)系日常生活中的傳感器應(yīng)用案例，運(yùn)用實(shí)物和課件展示多種傳感器，不僅開闊學(xué)生視野，而且激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)Arduino和傳感器的興趣。學(xué)生可以根據(jù)本課所學(xué)習(xí)的知識，課后以“機(jī)靈的×××”為主題，自由地發(fā)揮想象，從而創(chuàng)作出更多優(yōu)秀的程序。這樣不僅能夠讓學(xué)生鞏固已學(xué)知識，還能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。學(xué)生在課后交流展示自己的作品，通過同學(xué)之間的交流，在比較和反思中取長補(bǔ)短，能夠得到更全面的提高。

●反思總結(jié)

本節(jié)課基于計(jì)算思維的理念，重點(diǎn)圍繞Arduino開源硬件和光敏傳感器的學(xué)習(xí)應(yīng)用，將學(xué)生領(lǐng)進(jìn)“智能設(shè)計(jì)”的世界，在虛擬與現(xiàn)實(shí)之間架設(shè)橋梁，體驗(yàn)、了解一種新的交互方式——智能控制。

關(guān)注信息處理，交互更合理。在光敏傳感器實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，為了能更好地引導(dǎo)發(fā)現(xiàn)規(guī)律，筆者設(shè)計(jì)活動記錄單等數(shù)據(jù)輸入支架，以表格式替換了文本式，加上數(shù)軸，便于學(xué)生分析理解中間值。

調(diào)試修改程序，交互更自然。在學(xué)習(xí)過程中，開源硬件出現(xiàn)數(shù)據(jù)異?；蜻\(yùn)行異常，可能是軟件配置的問題，也可能是硬件兼容性產(chǎn)生的問題，此時需要發(fā)揮勇于探索的精神，教師不能草率否定學(xué)生的無效探究，也不能強(qiáng)求學(xué)生調(diào)試的方式、路徑與預(yù)設(shè)的一致。

創(chuàng)設(shè)實(shí)踐環(huán)境，交互更豐富?；陂_源硬件的創(chuàng)意編程，主控板還包括掌控板、樹莓派等，傳感器還包括聲音、溫度、陀螺儀、紅外、灰度等?？山Y(jié)合學(xué)生的年齡特點(diǎn)和學(xué)習(xí)需求，倡導(dǎo)應(yīng)用計(jì)算參與的策略來設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)活動，提供多種實(shí)踐環(huán)境和開源硬件器材設(shè)備，實(shí)現(xiàn)更豐富的互動，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)創(chuàng)意編程的目標(biāo)。