信息技術實驗的基本方法和基本工具

吳俊杰

主持人手記：本專欄主要介紹信息技術實驗在基礎教育信息技術課當中的典型案例，并期望這些案例能夠促進信息技術課程學科合法性的提升、豐富信息技術課的教學內容、拓展信息技術教師的課程設計視野。對此欄目有任何好的主意或建議，請發送稿件至towujunjie@163.com（主持人）或tougao1@chinaitedu.cn（雜志社）。

信息技術發展至今已經滲透到社會生活的各個領域，信息技術實驗在講授一些信息技術領域的重要過程之前，首先要通過一個單元讓學生掌握一系列的信息技術實驗的基本方法和基本工具，這些基本方法是：用投票、查找數據庫、計算機生成、真實實驗的方法來獲得數據，用求和、平均值、最大值、最小值等方法來分析數據，用畫圖、數學表達式、文字、影片、動畫等手段來表達數據的結論。這些方法都需要通過一個個具體的案例來呈現，在完成案例的過程中，讓學生掌握一些基本的工具。當然，常見的文本編輯、電子表格、影片編輯、動畫制作、網頁生成工具都可以稱為基本工具，但是區別于其他學科應用這些基本工具類型，信息技術實驗應用的最主要的基本工具是程序設計軟件，因此在信息技術實驗開始的初期，應該選用一門編程語言將其編程的基本流程和方法通過一組案例展現給學生，讓學生在初步掌握一門編程語言的基礎上，再繼續學習具有信息技術專業特點的后續實驗內容。

作為信息技術實驗的課程體系的一種嘗試，本學期在北京景山學?！案袦y與控制技術初步”教學實驗的單元教學設計的內容如下，這只是各種可能方案中的一種，權作拋磚引玉，該課程目前選擇的編程語言是Scratch和BYOB，事實上，同樣的課程體系適用于VB、Java和LabView，不同的語言只是在教學難度和與現行的教學內容的接口方式上有差別。

● 第一單元：信息技術實驗的程序基礎

第一單元包括四課，第1課的課題和核心任務是投票計數，投票確定是否應該出于保護環境而禁放煙花爆竹。重要知識與技能是控制角色前進，x坐標表示票數，按鍵輸入，角色設計，橫向柱狀圖?；痉椒ê凸ぞ咭约吧婕暗男畔⒓夹g實驗的核心概念是投票，投票的方法有“最優秀”計數法和“最受歡迎計數法”學習獲取數據的基本方法。

第2課的課題和核心任務是號碼統計，統計手機號碼當中最常用的數字數目及規律，練習撰寫研究報告。重要知識與技能是y坐標增加，導入角色，縱向柱狀圖，學會使用全局變量和局部變量?；痉椒ê凸ぞ咭约吧婕暗男畔⒓夹g實驗的核心概念是通過搜索數據庫來獲取數據，編寫程序作為研究工具。

第3課的課題和核心任務是字母統計，文章中最常見的英文字母有哪些，根據統計結果設計英文鍵盤的排列。重要知識與技能是用角色大小顯示數據結論，鏈表存儲數據，導出鏈表匯總，對數據進行排序?；痉椒ê凸ぞ咭约吧婕暗男畔⒓夹g實驗的核心概念是學會使用電子表格來畫柱狀圖、計算百分比、做數據匯總。樣本的大小對結論的影響。尋找結論中穩定的對應關系。

第4課的課題和核心任務是查找計數，通過編寫通用的查找、計數程序來掌握編程語言的基本結構，達到能夠把編程語言用到具體的信息技術實驗中所需的基本要求。重要知識與技能是重復執行n次，循環變量i，用“提問-回答”實現界面交互，字符串的字符提取，熟練使用如果結構，將txt導入到鏈表。基本方法和工具以及涉及的信息技術實驗的核心概念是使用文字處理軟件中的查找、替換功能，比較其與自編軟件的異同。通過比較中文和英文中各個字母出現的次數，并且通過討論權衡新的鍵盤排布在推廣過程中的訓練成本，比較效率，進行科學決策。

● 第二單元：二值量輸入

第二單元包括三課。第5課的課題和核心任務是單選答題，制作一個單選器。重要知識與技能是與邏輯、或邏輯和非邏輯?；痉椒ê凸ぞ咭约吧婕暗男畔⒓夹g實驗的核心概念是自制一個答題系統，用這個系統收集電子問卷數據，并進行分類分析。

第6課的課題和核心任務是按鍵速度，200俱樂部：看哪位同學能夠在30秒內按200次空格，借以測定“機械反應時間”這一重要的人體參數。重要知識與技能是制作一個有趣的研究工具，在公眾樂于參與的過程中，挖掘過程信息，獲取隱含規律?；痉椒ê凸ぞ咭约吧婕暗男畔⒓夹g實驗的核心概念是用求差的方法獲得機械反應時間，并統計最大值、最小值及平均值。對實驗過程數據的全記錄。正比例關系的線性擬合及解釋。

第7課的課題和核心任務是反應時間，視覺反應時間的研究，聽覺反應時間的研究，視覺反應時間和聽覺反應時間的比較。重要知識與技能是編寫工具完成反應時間的測量并且將結論應用于游戲設計和風險評估當中?；痉椒ê凸ぞ咭约吧婕暗男畔⒓夹g實驗的核心概念是應用平均值和標準差判斷差異，做群體數據的分布柱狀圖，對小概率事件做風險評估。

● 第三單元：信息的編碼

第三單元包括三課。第8課的課題和核心任務是數字編碼，用4個彼此獨立的二進制輸入量通過編碼輸出0～9的數字。重要知識與技能是按照需求的狀態數，確定需要的二進制輸入編碼容量，確定可能性，可能性和十進制數據一一對應起來。并且實現二進制和十進制的相互轉換。基本方法和工具以及涉及的信息技術實驗的核心概念是編碼映射關系的確立，分階段對軟件進行測試。

第9課的課題和核心任務是電報通訊，用一個開關量按鍵的短按和長按來輸入0～9的數字編碼。重要知識與技能是用按鍵的長、短控制輸入，計時器歸零，調整控制閾值，用聲音作為信息傳遞的工具實現一臺計算機和另一臺計算機之間的通訊?；痉椒ê凸ぞ咭约吧婕暗男畔⒓夹g實驗的核心概念是用映射表來制作通訊協議，調整時間閾值來確定信息發送的密度極限，用于研究通訊的效率。

第10課的課題和核心任務是自制鍵盤，用五個開關量的組合，實現按鍵A到按鍵Z的輸入，并且制作一個“掐算”輸入法。重要知識與技能是介紹標準的二進制和十進制的對應規律，將這個規律用五個開關量實現，并將五個手指設定為開關正極，掌心定義為開關負極，使用五指和掌心相碰作為輸入信息的手段，用這種原理制作一個五指輸入法。基本方法和工具，以及涉及的信息技術實驗的核心概念是設計一個“掐算”輸入法的輸入規則，并且練習使用它。試著評估這種新奇的輸入方式的主觀信息量。

● 第四單元：多值量輸入

第四單元包括四課。第11課的課題和核心任務是滑桿輸入，將傳感器滑桿輸入值表現為差異化的控制結果。重要知識與技能是滑桿作為一個可以在0～100之間變化的多值量，可以用來控制運動、速度、加速度，多數值量轉二值量和層級量?；痉椒ê凸ぞ咭约吧婕暗男畔⒓夹g實驗的核心概念是多值量到二值量和層級量的轉化，體會其中信息量的變化。

第12課的課題和核心任務是滑桿卡尺，用標定實驗找到滑桿滑動距離和輸入值的函數關系，并應用這個關系使用滑桿來測量長度。重要知識與技能是標定實驗的基本方法，最小二乘法的原理，思考用程序來完成算法而非電子表格軟件來完成擬合。基本方法和工具以及涉及的信息技術實驗的核心概念是用兩種方法完成線性擬合，并且知道擬合函數的應用。制作一個基于傳感器擬合關系的測量儀器，并且確定它的量程和最小分度值。

第13課的課題和核心任務是光敏測擺，用光敏電阻等光線傳感器測擺動的周期。重要知識與技能是光敏數值與擺球的擺動是否存在穩定的關系，閾值的確定，數據的全記錄，實驗裝置的簡單搭建?；痉椒ê凸ぞ咭约吧婕暗男畔⒓夹g實驗的核心概念是尋找并應用穩定的對應關系，并且知道如何將這種穩定的關系轉化為待測量。

第14課的課題和核心任務是光敏掃描，掃描屏幕上的不同灰度的色塊進行亮度標定，應用標定結果制作一個掃描儀，將彩色圖像轉化為黑白圖像。重要知識與技能是從黑白掃描儀到灰度掃描儀，掃描儀的灰度階數的設定，并且用掃描儀掃描屏幕上的一個區域來控制另外一個白色區域來“學習”當前區域的灰度，并且比較不同逼近算法的差異?；痉椒ê凸ぞ咭约吧婕暗男畔⒓夹g實驗的核心概念是為了輸出的標準化，將輸出量分層，借以體會灰度編碼的過程。比較不同逼近算法的效率差異。

● 第五單元：輸出設備基礎

第五單元包括兩課。第15課的課題和核心任務是馬達轉動，用多種手段控制馬達的轉速。重要知識與技能是模擬電路中馬達轉速的控制原理，使用傳感器控制機器人中的馬達轉速，將馬達的控制狀態虛擬化出來?；痉椒ê凸ぞ咭约吧婕暗男畔⒓夹g實驗的核心概念是輸出設備的控制機理，交互方式如何做到信息量最大化。

第16課的課題和核心任務是感測控制，在一種應用情境下應用馬達和傳感器板來制作一個能夠使用的裝置完成特定的工程目標。重要知識與技能是綜合應用程序語言來完成應用平臺的界面，控制邏輯的設計，以及簡單的機械裝置的設計，從程序在真實情境下的應用中，全面理解感測與控制全過程?；痉椒ê凸ぞ咭约吧婕暗男畔⒓夹g實驗的核心概念是工程應用入門，如何設計一個工程目標當中各個階段的目標。

目前，《感測與控制技術入門》這門課在我校的初中和高中同時在開設，由我負責的是高中（每周兩課時）和初中大班教學（每周一課時）的教學實驗，毛澄潔老師負責初中選修課程（每周兩課時）的教學實驗，上面介紹的教學內容在高中的教學中可以完成，初中的學生學習起來需要降低難度或者增加課時，作為一種信息技術課的新的嘗試，在本專欄接下來的文章中，將會具體介紹每一節課的教學內容，教學組織形式和教學效果，將由毛澄潔和我聯合主持。