《基于Arduino的二進(jìn)制編碼體驗(yàn)》 教學(xué)設(shè)計(jì)

萬春彬

● 教學(xué)內(nèi)容分析

二進(jìn)制的概念對(duì)于中學(xué)生來說還是比較難掌握的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，以前我在該模塊的教學(xué)中主要采取的是理論講解法，學(xué)生會(huì)覺得比較枯燥，難以理解。此前，我剛給高二年級(jí)的學(xué)生開過一期《Arduino趣味編程與電子制作》校本選修課，所以在高一《信息技術(shù)基礎(chǔ)》課程該模塊的教學(xué)設(shè)計(jì)上，自然而然地想到了將二者在某些內(nèi)容上進(jìn)行結(jié)合，用生動(dòng)有趣的實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)以提高教學(xué)效率。

本節(jié)課選取《信息技術(shù)基礎(chǔ)》（浙江教育出版社）第一章第二節(jié)《信息的編碼》的部分內(nèi)容，同時(shí)整合了第三章第四節(jié)《信息編程加工》中的部分內(nèi)容。本節(jié)創(chuàng)設(shè)的Arduino環(huán)境可以幫助學(xué)生掌握二進(jìn)制編碼的概念，將二進(jìn)制計(jì)數(shù)器變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，同時(shí)使其對(duì)計(jì)算機(jī)編程產(chǎn)生興趣。

● 學(xué)情分析

按學(xué)校的教學(xué)安排，教學(xué)對(duì)象為高一學(xué)生。他們經(jīng)過初中信息技術(shù)課程的學(xué)習(xí)，掌握了計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)操作，具備了一定的網(wǎng)絡(luò)知識(shí)。但是對(duì)大多數(shù)學(xué)生來說，這是他們第一次編寫計(jì)算機(jī)程序。學(xué)生對(duì)編程加工往往充滿了期待，但是面對(duì)由數(shù)字、符號(hào)組成的程序，他們又有畏難情緒，還可能覺得枯燥。所以本節(jié)課我用看得見、摸得著的軟硬件相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，通過分析代碼引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，了解計(jì)算機(jī)的工作機(jī)制，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

● 教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)與技能目標(biāo)：了解Arduino的編程環(huán)境，初識(shí)C程序代碼；了解二進(jìn)制編碼的概念和二進(jìn)制計(jì)數(shù)系統(tǒng)的特點(diǎn)。

過程與方法目標(biāo)：體驗(yàn)二進(jìn)制編碼的一般過程；引領(lǐng)學(xué)習(xí)與自主學(xué)習(xí)相結(jié)合。

情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)：通過信息的二進(jìn)制編碼與二進(jìn)制計(jì)數(shù)的學(xué)習(xí)講解，進(jìn)一步學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)原理，不斷探究新知，了解科技新領(lǐng)域；培養(yǎng)自主探索、協(xié)作研究的精神，鼓勵(lì)善于發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，并分析、解決問題；初識(shí)編程，感受利用計(jì)算機(jī)解決問題的獨(dú)特魅力，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣。

● 教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn)：體驗(yàn)二進(jìn)制編碼的一般過程；理解二進(jìn)制計(jì)數(shù)的方法。

教學(xué)難點(diǎn)：理解二進(jìn)制計(jì)數(shù)的方法。

● 教學(xué)資源與工具

多媒體教學(xué)網(wǎng)絡(luò)教室，Arduino開發(fā)板以及相應(yīng)的電路元器件；部分源程序代碼文件；Arduino控制的光立方展示作品。

● 教學(xué)過程

1.創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入課題

教師首先將在高二校本選修課《Arduino趣味編程及電子制作》課上制作過的一個(gè)4×4×4矩陣LED光立方作品展示給學(xué)生，他們一下子就被這個(gè)炫彩的光立方吸引了，激發(fā)了進(jìn)一步學(xué)習(xí)的興趣。教師順勢(shì)提出本課問題：這個(gè)光立方是被誰控制的呢？它是怎樣形成復(fù)雜的圖案的？大家想不想做出自己的炫彩矩陣效果燈呢？教師發(fā)出邀請(qǐng)：那就讓我們一起從Arduino控制LED小燈開始吧。

導(dǎo)入課題：揭開光立方的秘密——基于Arduino的二進(jìn)制信息編碼體驗(yàn)。

2.Arduino控制LED小燈初體驗(yàn)

本體驗(yàn)任務(wù)的目標(biāo)是讓學(xué)生了解并掌握利用Arduino編程控制LED燈的過程（如下頁(yè)表1），各項(xiàng)難度指標(biāo)都屬于入門級(jí)，一般學(xué)生都可以完成。

教師首先講解使用到的硬件及其連接方法，然后示范利用Arduino編程控制LED燈的過程，說明注意事項(xiàng)。在互動(dòng)體驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中，教師和學(xué)生一起連接好電路，一起解讀相應(yīng)的代碼，并告訴學(xué)生打開或關(guān)閉LED燈的命令。學(xué)生可以自行修改代碼，選擇打開或者關(guān)閉，然后編譯代碼并上傳到Arduino開發(fā)板，就可以讓程序控制小燈了，同時(shí)提示學(xué)生觀察結(jié)果。

教師巧妙設(shè)計(jì)、分解任務(wù)單，從小的、簡(jiǎn)單的任務(wù)開始，顯性任務(wù)雖然只是簡(jiǎn)單地記錄了小燈的狀態(tài)，但卻為編碼概念的提出作了鋪墊。圖1為連接電路圖及主要程序代碼。

3.自主學(xué)習(xí)：控制兩個(gè)LED燈

教師拋出問題：用一個(gè)LED燈能實(shí)現(xiàn)光立方嗎？這個(gè)問題的答案顯然是否定的。教師繼續(xù)拋出問題：那要不要再增加一個(gè)LED燈，并實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)LED燈的控制（如表2）？教師分發(fā)新的任務(wù)單和實(shí)驗(yàn)材料，一個(gè)電阻、一個(gè)LED燈以及連接用的導(dǎo)線。圖2為連接電路圖及主要程序代碼。

學(xué)生在任務(wù)一的硬件電路基礎(chǔ)上，增加兩個(gè)新的元器件的難度系數(shù)也是適中的，最終輕松地完成了電路的調(diào)整。教師讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)修改任務(wù)一中的程序，使兩個(gè)LED燈亮或者滅，并記錄自己的兩個(gè)LED燈的狀態(tài)。

教師通過電子教室回收并展示學(xué)生的任務(wù)單。有的學(xué)生用中文亮、滅描述，有的學(xué)生用英文on、off描述，有的用數(shù)字1、0描述，這些正是教師預(yù)設(shè)想要的結(jié)果，為講解編碼的概念埋下了伏筆。

教師指出學(xué)生的描述都是正確的，對(duì)狀態(tài)用不同的形式進(jìn)行記錄的過程就是編碼的過程。教師引出本節(jié)課的一個(gè)重要概念：從一種形式或格式轉(zhuǎn)換為另一種形式就是編碼。編碼就是用預(yù)先規(guī)定的方法將文字、數(shù)字或其他對(duì)象編成數(shù)碼，或?qū)⑿畔ⅰ?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成規(guī)定的電脈沖信號(hào)。

雖然每個(gè)人對(duì)于每個(gè)燈的狀態(tài)的描述用到了不同的語言或形式，但每個(gè)人都是只有兩種情況，這和二進(jìn)制只有兩個(gè)基本數(shù)字是一致的，所以學(xué)生進(jìn)行的編碼過程也可以稱為是二進(jìn)制形式的編碼。

數(shù)字化編碼，為了統(tǒng)一編碼結(jié)果的形式，方便交流，對(duì)于每一個(gè)LED燈，滅的狀態(tài)用數(shù)字0表示，亮的狀態(tài)用1表示。請(qǐng)學(xué)生修改自己的任務(wù)單，把結(jié)果數(shù)字化表示。引出本節(jié)課的第二個(gè)重要概念：用數(shù)字0和1表示的編碼就是二進(jìn)制編碼。同時(shí)指出，數(shù)字系統(tǒng)中常用的編碼有兩類，一類是二進(jìn)制編碼，另一類是十進(jìn)制編碼。

再次回收數(shù)字化后的編碼結(jié)果，并和學(xué)生一起進(jìn)行結(jié)果的匯總，將數(shù)字化后的編碼寫在黑板上，最后發(fā)現(xiàn)只有4個(gè)不同的記錄。拋出問題：控制兩個(gè)LED燈，還有沒有其他的不同狀態(tài)？經(jīng)過大家的討論和驗(yàn)證，得出了一致的結(jié)論，兩個(gè)LED燈的亮滅狀態(tài)一共有4種：00、01、10、11。

4.輕松升級(jí)：控制三個(gè)LED燈

看似簡(jiǎn)單而重復(fù)的任務(wù)升級(jí)，但是其作用和意義都是巨大的。教師設(shè)計(jì)這一系列任務(wù)的過程中，始終堅(jiān)持循序漸進(jìn)，逐步深入，最終達(dá)到其義自見的目標(biāo)（如表3）。

至此，學(xué)生們已經(jīng)從現(xiàn)象中很好地掌握了二進(jìn)制編碼的意義與具體實(shí)現(xiàn)方式。本節(jié)課另外一個(gè)重要的教學(xué)內(nèi)容是二進(jìn)制計(jì)數(shù)。之前發(fā)給學(xué)生的任務(wù)二、三表格的最后都預(yù)留了一個(gè)空列。此時(shí)，可以讓學(xué)生一起在最后一列的表頭寫上計(jì)數(shù)，然后請(qǐng)他們將前面的編碼狀態(tài)進(jìn)行計(jì)數(shù)的編號(hào)。

例如，在任務(wù)二中，依次將“00，01，10，11”這4個(gè)狀態(tài)的計(jì)數(shù)值填寫為0、1、2、3，并簡(jiǎn)單解析十進(jìn)制計(jì)數(shù)值的增長(zhǎng)與對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制編碼增長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。任務(wù)三的計(jì)數(shù)要復(fù)雜一些，教師作為課程的設(shè)計(jì)者，在這個(gè)環(huán)節(jié)要有意識(shí)地引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行思考，并對(duì)學(xué)生的操作及時(shí)做出指導(dǎo)，幫助學(xué)生更快地建立起正確的概念。

5.合作探究：制作簡(jiǎn)單的LED燈二進(jìn)制計(jì)數(shù)器

學(xué)生之前完成的任務(wù)顯示的是固定的某一種狀態(tài)，也可以說顯示的是某個(gè)十進(jìn)制數(shù)的二進(jìn)制形式，如果要改變成用二進(jìn)制形式來顯示，必須修改源程序。提出本節(jié)的一個(gè)提高任務(wù)：依次顯示所有的3位二進(jìn)制數(shù)。實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的功能。

本課采用簡(jiǎn)單的延時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)不同狀態(tài)的顯示，避免涉及更多的C語言知識(shí)，如循環(huán)語句、數(shù)組等。學(xué)生實(shí)現(xiàn)這個(gè)任務(wù)只要用順序結(jié)構(gòu)，在顯示出某個(gè)二進(jìn)制編碼狀態(tài)后，用dalay(1000)命令延時(shí)1秒，然后再顯示下一個(gè)編碼狀態(tài)，重復(fù)這樣的過程即可。程序上沒有新增難度，但是實(shí)現(xiàn)的效果完全不一樣，學(xué)生可以看到跳動(dòng)的LED燈，對(duì)他們來說又是一個(gè)很大的驚喜，同時(shí)對(duì)于二進(jìn)制計(jì)數(shù)、二進(jìn)制加法的理解有很大的幫助。

這個(gè)環(huán)節(jié)，我看到學(xué)生的LED燈的跳動(dòng)方式對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制計(jì)數(shù)有從小到大，也有從大到小，也有些小組的結(jié)果是亂序的。所以這個(gè)環(huán)節(jié)，需要留出足夠的時(shí)間，讓學(xué)生多觀察、多修改自己的代碼，同時(shí)仔細(xì)觀察LED燈跳動(dòng)之間的關(guān)系，充分理解二進(jìn)制計(jì)數(shù)的概念。

6.小組討論：光立方簡(jiǎn)單嗎

學(xué)生在完成三個(gè)任務(wù)后，自然會(huì)思考：光立方該怎么實(shí)現(xiàn)呢？該不會(huì)就這么簡(jiǎn)單吧？確實(shí)沒有這么簡(jiǎn)單。經(jīng)過小組討論，得出制作光立方可能會(huì)存在困難的結(jié)論。因?yàn)锳rduino的接口是有限的，那么可以連接的LED燈數(shù)量也就受到了限制，所以需要用到其他輔助芯片來擴(kuò)展接口，并在程序的代碼實(shí)現(xiàn)上要采取更高效、更便捷的方式。這就需要繼續(xù)學(xué)習(xí)其他的課程內(nèi)容，以激發(fā)學(xué)生繼續(xù)深入學(xué)習(xí)的熱情。

● 教學(xué)反思

本節(jié)課采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法，教師要多從學(xué)生的角度出發(fā)，堅(jiān)持以學(xué)生為本，以學(xué)生為主體，換位思考，多反問自己，精心設(shè)計(jì)任務(wù)，循序漸進(jìn)，對(duì)于每一個(gè)任務(wù)的難度系數(shù)都做充分的考慮，保證梯度上升。設(shè)計(jì)的三個(gè)看似簡(jiǎn)單、重復(fù)的任務(wù)，學(xué)生卻做得興趣十足，學(xué)生在實(shí)踐中主動(dòng)形成自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步體驗(yàn)編程加工的魅力。如果能融入更多動(dòng)手實(shí)踐的環(huán)節(jié)，那么可以進(jìn)一步提高教學(xué)的效果。

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● 教學(xué)內(nèi)容分析

二進(jìn)制的概念對(duì)于中學(xué)生來說還是比較難掌握的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，以前我在該模塊的教學(xué)中主要采取的是理論講解法，學(xué)生會(huì)覺得比較枯燥，難以理解。此前，我剛給高二年級(jí)的學(xué)生開過一期《Arduino趣味編程與電子制作》校本選修課，所以在高一《信息技術(shù)基礎(chǔ)》課程該模塊的教學(xué)設(shè)計(jì)上，自然而然地想到了將二者在某些內(nèi)容上進(jìn)行結(jié)合，用生動(dòng)有趣的實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)以提高教學(xué)效率。

本節(jié)課選取《信息技術(shù)基礎(chǔ)》（浙江教育出版社）第一章第二節(jié)《信息的編碼》的部分內(nèi)容，同時(shí)整合了第三章第四節(jié)《信息編程加工》中的部分內(nèi)容。本節(jié)創(chuàng)設(shè)的Arduino環(huán)境可以幫助學(xué)生掌握二進(jìn)制編碼的概念，將二進(jìn)制計(jì)數(shù)器變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，同時(shí)使其對(duì)計(jì)算機(jī)編程產(chǎn)生興趣。

● 學(xué)情分析

按學(xué)校的教學(xué)安排，教學(xué)對(duì)象為高一學(xué)生。他們經(jīng)過初中信息技術(shù)課程的學(xué)習(xí)，掌握了計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)操作，具備了一定的網(wǎng)絡(luò)知識(shí)。但是對(duì)大多數(shù)學(xué)生來說，這是他們第一次編寫計(jì)算機(jī)程序。學(xué)生對(duì)編程加工往往充滿了期待，但是面對(duì)由數(shù)字、符號(hào)組成的程序，他們又有畏難情緒，還可能覺得枯燥。所以本節(jié)課我用看得見、摸得著的軟硬件相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，通過分析代碼引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，了解計(jì)算機(jī)的工作機(jī)制，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

● 教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)與技能目標(biāo)：了解Arduino的編程環(huán)境，初識(shí)C程序代碼；了解二進(jìn)制編碼的概念和二進(jìn)制計(jì)數(shù)系統(tǒng)的特點(diǎn)。

過程與方法目標(biāo)：體驗(yàn)二進(jìn)制編碼的一般過程；引領(lǐng)學(xué)習(xí)與自主學(xué)習(xí)相結(jié)合。

情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)：通過信息的二進(jìn)制編碼與二進(jìn)制計(jì)數(shù)的學(xué)習(xí)講解，進(jìn)一步學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)原理，不斷探究新知，了解科技新領(lǐng)域；培養(yǎng)自主探索、協(xié)作研究的精神，鼓勵(lì)善于發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，并分析、解決問題；初識(shí)編程，感受利用計(jì)算機(jī)解決問題的獨(dú)特魅力，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣。

● 教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn)：體驗(yàn)二進(jìn)制編碼的一般過程；理解二進(jìn)制計(jì)數(shù)的方法。

教學(xué)難點(diǎn)：理解二進(jìn)制計(jì)數(shù)的方法。

● 教學(xué)資源與工具

多媒體教學(xué)網(wǎng)絡(luò)教室，Arduino開發(fā)板以及相應(yīng)的電路元器件；部分源程序代碼文件；Arduino控制的光立方展示作品。

● 教學(xué)過程

1.創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入課題

教師首先將在高二校本選修課《Arduino趣味編程及電子制作》課上制作過的一個(gè)4×4×4矩陣LED光立方作品展示給學(xué)生，他們一下子就被這個(gè)炫彩的光立方吸引了，激發(fā)了進(jìn)一步學(xué)習(xí)的興趣。教師順勢(shì)提出本課問題：這個(gè)光立方是被誰控制的呢？它是怎樣形成復(fù)雜的圖案的？大家想不想做出自己的炫彩矩陣效果燈呢？教師發(fā)出邀請(qǐng)：那就讓我們一起從Arduino控制LED小燈開始吧。

導(dǎo)入課題：揭開光立方的秘密——基于Arduino的二進(jìn)制信息編碼體驗(yàn)。

2.Arduino控制LED小燈初體驗(yàn)

本體驗(yàn)任務(wù)的目標(biāo)是讓學(xué)生了解并掌握利用Arduino編程控制LED燈的過程（如下頁(yè)表1），各項(xiàng)難度指標(biāo)都屬于入門級(jí)，一般學(xué)生都可以完成。

教師首先講解使用到的硬件及其連接方法，然后示范利用Arduino編程控制LED燈的過程，說明注意事項(xiàng)。在互動(dòng)體驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中，教師和學(xué)生一起連接好電路，一起解讀相應(yīng)的代碼，并告訴學(xué)生打開或關(guān)閉LED燈的命令。學(xué)生可以自行修改代碼，選擇打開或者關(guān)閉，然后編譯代碼并上傳到Arduino開發(fā)板，就可以讓程序控制小燈了，同時(shí)提示學(xué)生觀察結(jié)果。

教師巧妙設(shè)計(jì)、分解任務(wù)單，從小的、簡(jiǎn)單的任務(wù)開始，顯性任務(wù)雖然只是簡(jiǎn)單地記錄了小燈的狀態(tài)，但卻為編碼概念的提出作了鋪墊。圖1為連接電路圖及主要程序代碼。

3.自主學(xué)習(xí)：控制兩個(gè)LED燈

教師拋出問題：用一個(gè)LED燈能實(shí)現(xiàn)光立方嗎？這個(gè)問題的答案顯然是否定的。教師繼續(xù)拋出問題：那要不要再增加一個(gè)LED燈，并實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)LED燈的控制（如表2）？教師分發(fā)新的任務(wù)單和實(shí)驗(yàn)材料，一個(gè)電阻、一個(gè)LED燈以及連接用的導(dǎo)線。圖2為連接電路圖及主要程序代碼。

學(xué)生在任務(wù)一的硬件電路基礎(chǔ)上，增加兩個(gè)新的元器件的難度系數(shù)也是適中的，最終輕松地完成了電路的調(diào)整。教師讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)修改任務(wù)一中的程序，使兩個(gè)LED燈亮或者滅，并記錄自己的兩個(gè)LED燈的狀態(tài)。

教師通過電子教室回收并展示學(xué)生的任務(wù)單。有的學(xué)生用中文亮、滅描述，有的學(xué)生用英文on、off描述，有的用數(shù)字1、0描述，這些正是教師預(yù)設(shè)想要的結(jié)果，為講解編碼的概念埋下了伏筆。

教師指出學(xué)生的描述都是正確的，對(duì)狀態(tài)用不同的形式進(jìn)行記錄的過程就是編碼的過程。教師引出本節(jié)課的一個(gè)重要概念：從一種形式或格式轉(zhuǎn)換為另一種形式就是編碼。編碼就是用預(yù)先規(guī)定的方法將文字、數(shù)字或其他對(duì)象編成數(shù)碼，或?qū)⑿畔ⅰ?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成規(guī)定的電脈沖信號(hào)。

雖然每個(gè)人對(duì)于每個(gè)燈的狀態(tài)的描述用到了不同的語言或形式，但每個(gè)人都是只有兩種情況，這和二進(jìn)制只有兩個(gè)基本數(shù)字是一致的，所以學(xué)生進(jìn)行的編碼過程也可以稱為是二進(jìn)制形式的編碼。

數(shù)字化編碼，為了統(tǒng)一編碼結(jié)果的形式，方便交流，對(duì)于每一個(gè)LED燈，滅的狀態(tài)用數(shù)字0表示，亮的狀態(tài)用1表示。請(qǐng)學(xué)生修改自己的任務(wù)單，把結(jié)果數(shù)字化表示。引出本節(jié)課的第二個(gè)重要概念：用數(shù)字0和1表示的編碼就是二進(jìn)制編碼。同時(shí)指出，數(shù)字系統(tǒng)中常用的編碼有兩類，一類是二進(jìn)制編碼，另一類是十進(jìn)制編碼。

再次回收數(shù)字化后的編碼結(jié)果，并和學(xué)生一起進(jìn)行結(jié)果的匯總，將數(shù)字化后的編碼寫在黑板上，最后發(fā)現(xiàn)只有4個(gè)不同的記錄。拋出問題：控制兩個(gè)LED燈，還有沒有其他的不同狀態(tài)？經(jīng)過大家的討論和驗(yàn)證，得出了一致的結(jié)論，兩個(gè)LED燈的亮滅狀態(tài)一共有4種：00、01、10、11。

4.輕松升級(jí)：控制三個(gè)LED燈

看似簡(jiǎn)單而重復(fù)的任務(wù)升級(jí)，但是其作用和意義都是巨大的。教師設(shè)計(jì)這一系列任務(wù)的過程中，始終堅(jiān)持循序漸進(jìn)，逐步深入，最終達(dá)到其義自見的目標(biāo)（如表3）。

至此，學(xué)生們已經(jīng)從現(xiàn)象中很好地掌握了二進(jìn)制編碼的意義與具體實(shí)現(xiàn)方式。本節(jié)課另外一個(gè)重要的教學(xué)內(nèi)容是二進(jìn)制計(jì)數(shù)。之前發(fā)給學(xué)生的任務(wù)二、三表格的最后都預(yù)留了一個(gè)空列。此時(shí)，可以讓學(xué)生一起在最后一列的表頭寫上計(jì)數(shù)，然后請(qǐng)他們將前面的編碼狀態(tài)進(jìn)行計(jì)數(shù)的編號(hào)。

例如，在任務(wù)二中，依次將“00，01，10，11”這4個(gè)狀態(tài)的計(jì)數(shù)值填寫為0、1、2、3，并簡(jiǎn)單解析十進(jìn)制計(jì)數(shù)值的增長(zhǎng)與對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制編碼增長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。任務(wù)三的計(jì)數(shù)要復(fù)雜一些，教師作為課程的設(shè)計(jì)者，在這個(gè)環(huán)節(jié)要有意識(shí)地引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行思考，并對(duì)學(xué)生的操作及時(shí)做出指導(dǎo)，幫助學(xué)生更快地建立起正確的概念。

5.合作探究：制作簡(jiǎn)單的LED燈二進(jìn)制計(jì)數(shù)器

學(xué)生之前完成的任務(wù)顯示的是固定的某一種狀態(tài)，也可以說顯示的是某個(gè)十進(jìn)制數(shù)的二進(jìn)制形式，如果要改變成用二進(jìn)制形式來顯示，必須修改源程序。提出本節(jié)的一個(gè)提高任務(wù)：依次顯示所有的3位二進(jìn)制數(shù)。實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的功能。

本課采用簡(jiǎn)單的延時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)不同狀態(tài)的顯示，避免涉及更多的C語言知識(shí)，如循環(huán)語句、數(shù)組等。學(xué)生實(shí)現(xiàn)這個(gè)任務(wù)只要用順序結(jié)構(gòu)，在顯示出某個(gè)二進(jìn)制編碼狀態(tài)后，用dalay(1000)命令延時(shí)1秒，然后再顯示下一個(gè)編碼狀態(tài)，重復(fù)這樣的過程即可。程序上沒有新增難度，但是實(shí)現(xiàn)的效果完全不一樣，學(xué)生可以看到跳動(dòng)的LED燈，對(duì)他們來說又是一個(gè)很大的驚喜，同時(shí)對(duì)于二進(jìn)制計(jì)數(shù)、二進(jìn)制加法的理解有很大的幫助。

這個(gè)環(huán)節(jié)，我看到學(xué)生的LED燈的跳動(dòng)方式對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制計(jì)數(shù)有從小到大，也有從大到小，也有些小組的結(jié)果是亂序的。所以這個(gè)環(huán)節(jié)，需要留出足夠的時(shí)間，讓學(xué)生多觀察、多修改自己的代碼，同時(shí)仔細(xì)觀察LED燈跳動(dòng)之間的關(guān)系，充分理解二進(jìn)制計(jì)數(shù)的概念。

6.小組討論：光立方簡(jiǎn)單嗎

學(xué)生在完成三個(gè)任務(wù)后，自然會(huì)思考：光立方該怎么實(shí)現(xiàn)呢？該不會(huì)就這么簡(jiǎn)單吧？確實(shí)沒有這么簡(jiǎn)單。經(jīng)過小組討論，得出制作光立方可能會(huì)存在困難的結(jié)論。因?yàn)锳rduino的接口是有限的，那么可以連接的LED燈數(shù)量也就受到了限制，所以需要用到其他輔助芯片來擴(kuò)展接口，并在程序的代碼實(shí)現(xiàn)上要采取更高效、更便捷的方式。這就需要繼續(xù)學(xué)習(xí)其他的課程內(nèi)容，以激發(fā)學(xué)生繼續(xù)深入學(xué)習(xí)的熱情。

● 教學(xué)反思

本節(jié)課采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法，教師要多從學(xué)生的角度出發(fā)，堅(jiān)持以學(xué)生為本，以學(xué)生為主體，換位思考，多反問自己，精心設(shè)計(jì)任務(wù)，循序漸進(jìn)，對(duì)于每一個(gè)任務(wù)的難度系數(shù)都做充分的考慮，保證梯度上升。設(shè)計(jì)的三個(gè)看似簡(jiǎn)單、重復(fù)的任務(wù)，學(xué)生卻做得興趣十足，學(xué)生在實(shí)踐中主動(dòng)形成自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步體驗(yàn)編程加工的魅力。如果能融入更多動(dòng)手實(shí)踐的環(huán)節(jié)，那么可以進(jìn)一步提高教學(xué)的效果。

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● 教學(xué)內(nèi)容分析

二進(jìn)制的概念對(duì)于中學(xué)生來說還是比較難掌握的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，以前我在該模塊的教學(xué)中主要采取的是理論講解法，學(xué)生會(huì)覺得比較枯燥，難以理解。此前，我剛給高二年級(jí)的學(xué)生開過一期《Arduino趣味編程與電子制作》校本選修課，所以在高一《信息技術(shù)基礎(chǔ)》課程該模塊的教學(xué)設(shè)計(jì)上，自然而然地想到了將二者在某些內(nèi)容上進(jìn)行結(jié)合，用生動(dòng)有趣的實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)以提高教學(xué)效率。

本節(jié)課選取《信息技術(shù)基礎(chǔ)》（浙江教育出版社）第一章第二節(jié)《信息的編碼》的部分內(nèi)容，同時(shí)整合了第三章第四節(jié)《信息編程加工》中的部分內(nèi)容。本節(jié)創(chuàng)設(shè)的Arduino環(huán)境可以幫助學(xué)生掌握二進(jìn)制編碼的概念，將二進(jìn)制計(jì)數(shù)器變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，同時(shí)使其對(duì)計(jì)算機(jī)編程產(chǎn)生興趣。

● 學(xué)情分析

按學(xué)校的教學(xué)安排，教學(xué)對(duì)象為高一學(xué)生。他們經(jīng)過初中信息技術(shù)課程的學(xué)習(xí)，掌握了計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)操作，具備了一定的網(wǎng)絡(luò)知識(shí)。但是對(duì)大多數(shù)學(xué)生來說，這是他們第一次編寫計(jì)算機(jī)程序。學(xué)生對(duì)編程加工往往充滿了期待，但是面對(duì)由數(shù)字、符號(hào)組成的程序，他們又有畏難情緒，還可能覺得枯燥。所以本節(jié)課我用看得見、摸得著的軟硬件相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，通過分析代碼引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，了解計(jì)算機(jī)的工作機(jī)制，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

● 教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)與技能目標(biāo)：了解Arduino的編程環(huán)境，初識(shí)C程序代碼；了解二進(jìn)制編碼的概念和二進(jìn)制計(jì)數(shù)系統(tǒng)的特點(diǎn)。

過程與方法目標(biāo)：體驗(yàn)二進(jìn)制編碼的一般過程；引領(lǐng)學(xué)習(xí)與自主學(xué)習(xí)相結(jié)合。

情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)：通過信息的二進(jìn)制編碼與二進(jìn)制計(jì)數(shù)的學(xué)習(xí)講解，進(jìn)一步學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)原理，不斷探究新知，了解科技新領(lǐng)域；培養(yǎng)自主探索、協(xié)作研究的精神，鼓勵(lì)善于發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，并分析、解決問題；初識(shí)編程，感受利用計(jì)算機(jī)解決問題的獨(dú)特魅力，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣。

● 教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn)：體驗(yàn)二進(jìn)制編碼的一般過程；理解二進(jìn)制計(jì)數(shù)的方法。

教學(xué)難點(diǎn)：理解二進(jìn)制計(jì)數(shù)的方法。

● 教學(xué)資源與工具

多媒體教學(xué)網(wǎng)絡(luò)教室，Arduino開發(fā)板以及相應(yīng)的電路元器件；部分源程序代碼文件；Arduino控制的光立方展示作品。

● 教學(xué)過程

1.創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入課題

教師首先將在高二校本選修課《Arduino趣味編程及電子制作》課上制作過的一個(gè)4×4×4矩陣LED光立方作品展示給學(xué)生，他們一下子就被這個(gè)炫彩的光立方吸引了，激發(fā)了進(jìn)一步學(xué)習(xí)的興趣。教師順勢(shì)提出本課問題：這個(gè)光立方是被誰控制的呢？它是怎樣形成復(fù)雜的圖案的？大家想不想做出自己的炫彩矩陣效果燈呢？教師發(fā)出邀請(qǐng)：那就讓我們一起從Arduino控制LED小燈開始吧。

導(dǎo)入課題：揭開光立方的秘密——基于Arduino的二進(jìn)制信息編碼體驗(yàn)。

2.Arduino控制LED小燈初體驗(yàn)

本體驗(yàn)任務(wù)的目標(biāo)是讓學(xué)生了解并掌握利用Arduino編程控制LED燈的過程（如下頁(yè)表1），各項(xiàng)難度指標(biāo)都屬于入門級(jí)，一般學(xué)生都可以完成。

教師首先講解使用到的硬件及其連接方法，然后示范利用Arduino編程控制LED燈的過程，說明注意事項(xiàng)。在互動(dòng)體驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中，教師和學(xué)生一起連接好電路，一起解讀相應(yīng)的代碼，并告訴學(xué)生打開或關(guān)閉LED燈的命令。學(xué)生可以自行修改代碼，選擇打開或者關(guān)閉，然后編譯代碼并上傳到Arduino開發(fā)板，就可以讓程序控制小燈了，同時(shí)提示學(xué)生觀察結(jié)果。

教師巧妙設(shè)計(jì)、分解任務(wù)單，從小的、簡(jiǎn)單的任務(wù)開始，顯性任務(wù)雖然只是簡(jiǎn)單地記錄了小燈的狀態(tài)，但卻為編碼概念的提出作了鋪墊。圖1為連接電路圖及主要程序代碼。

3.自主學(xué)習(xí)：控制兩個(gè)LED燈

教師拋出問題：用一個(gè)LED燈能實(shí)現(xiàn)光立方嗎？這個(gè)問題的答案顯然是否定的。教師繼續(xù)拋出問題：那要不要再增加一個(gè)LED燈，并實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)LED燈的控制（如表2）？教師分發(fā)新的任務(wù)單和實(shí)驗(yàn)材料，一個(gè)電阻、一個(gè)LED燈以及連接用的導(dǎo)線。圖2為連接電路圖及主要程序代碼。

學(xué)生在任務(wù)一的硬件電路基礎(chǔ)上，增加兩個(gè)新的元器件的難度系數(shù)也是適中的，最終輕松地完成了電路的調(diào)整。教師讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)修改任務(wù)一中的程序，使兩個(gè)LED燈亮或者滅，并記錄自己的兩個(gè)LED燈的狀態(tài)。

教師通過電子教室回收并展示學(xué)生的任務(wù)單。有的學(xué)生用中文亮、滅描述，有的學(xué)生用英文on、off描述，有的用數(shù)字1、0描述，這些正是教師預(yù)設(shè)想要的結(jié)果，為講解編碼的概念埋下了伏筆。

教師指出學(xué)生的描述都是正確的，對(duì)狀態(tài)用不同的形式進(jìn)行記錄的過程就是編碼的過程。教師引出本節(jié)課的一個(gè)重要概念：從一種形式或格式轉(zhuǎn)換為另一種形式就是編碼。編碼就是用預(yù)先規(guī)定的方法將文字、數(shù)字或其他對(duì)象編成數(shù)碼，或?qū)⑿畔ⅰ?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成規(guī)定的電脈沖信號(hào)。

雖然每個(gè)人對(duì)于每個(gè)燈的狀態(tài)的描述用到了不同的語言或形式，但每個(gè)人都是只有兩種情況，這和二進(jìn)制只有兩個(gè)基本數(shù)字是一致的，所以學(xué)生進(jìn)行的編碼過程也可以稱為是二進(jìn)制形式的編碼。

數(shù)字化編碼，為了統(tǒng)一編碼結(jié)果的形式，方便交流，對(duì)于每一個(gè)LED燈，滅的狀態(tài)用數(shù)字0表示，亮的狀態(tài)用1表示。請(qǐng)學(xué)生修改自己的任務(wù)單，把結(jié)果數(shù)字化表示。引出本節(jié)課的第二個(gè)重要概念：用數(shù)字0和1表示的編碼就是二進(jìn)制編碼。同時(shí)指出，數(shù)字系統(tǒng)中常用的編碼有兩類，一類是二進(jìn)制編碼，另一類是十進(jìn)制編碼。

再次回收數(shù)字化后的編碼結(jié)果，并和學(xué)生一起進(jìn)行結(jié)果的匯總，將數(shù)字化后的編碼寫在黑板上，最后發(fā)現(xiàn)只有4個(gè)不同的記錄。拋出問題：控制兩個(gè)LED燈，還有沒有其他的不同狀態(tài)？經(jīng)過大家的討論和驗(yàn)證，得出了一致的結(jié)論，兩個(gè)LED燈的亮滅狀態(tài)一共有4種：00、01、10、11。

4.輕松升級(jí)：控制三個(gè)LED燈

看似簡(jiǎn)單而重復(fù)的任務(wù)升級(jí)，但是其作用和意義都是巨大的。教師設(shè)計(jì)這一系列任務(wù)的過程中，始終堅(jiān)持循序漸進(jìn)，逐步深入，最終達(dá)到其義自見的目標(biāo)（如表3）。

至此，學(xué)生們已經(jīng)從現(xiàn)象中很好地掌握了二進(jìn)制編碼的意義與具體實(shí)現(xiàn)方式。本節(jié)課另外一個(gè)重要的教學(xué)內(nèi)容是二進(jìn)制計(jì)數(shù)。之前發(fā)給學(xué)生的任務(wù)二、三表格的最后都預(yù)留了一個(gè)空列。此時(shí)，可以讓學(xué)生一起在最后一列的表頭寫上計(jì)數(shù)，然后請(qǐng)他們將前面的編碼狀態(tài)進(jìn)行計(jì)數(shù)的編號(hào)。

例如，在任務(wù)二中，依次將“00，01，10，11”這4個(gè)狀態(tài)的計(jì)數(shù)值填寫為0、1、2、3，并簡(jiǎn)單解析十進(jìn)制計(jì)數(shù)值的增長(zhǎng)與對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制編碼增長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。任務(wù)三的計(jì)數(shù)要復(fù)雜一些，教師作為課程的設(shè)計(jì)者，在這個(gè)環(huán)節(jié)要有意識(shí)地引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行思考，并對(duì)學(xué)生的操作及時(shí)做出指導(dǎo)，幫助學(xué)生更快地建立起正確的概念。

5.合作探究：制作簡(jiǎn)單的LED燈二進(jìn)制計(jì)數(shù)器

學(xué)生之前完成的任務(wù)顯示的是固定的某一種狀態(tài)，也可以說顯示的是某個(gè)十進(jìn)制數(shù)的二進(jìn)制形式，如果要改變成用二進(jìn)制形式來顯示，必須修改源程序。提出本節(jié)的一個(gè)提高任務(wù)：依次顯示所有的3位二進(jìn)制數(shù)。實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的功能。

本課采用簡(jiǎn)單的延時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)不同狀態(tài)的顯示，避免涉及更多的C語言知識(shí)，如循環(huán)語句、數(shù)組等。學(xué)生實(shí)現(xiàn)這個(gè)任務(wù)只要用順序結(jié)構(gòu)，在顯示出某個(gè)二進(jìn)制編碼狀態(tài)后，用dalay(1000)命令延時(shí)1秒，然后再顯示下一個(gè)編碼狀態(tài)，重復(fù)這樣的過程即可。程序上沒有新增難度，但是實(shí)現(xiàn)的效果完全不一樣，學(xué)生可以看到跳動(dòng)的LED燈，對(duì)他們來說又是一個(gè)很大的驚喜，同時(shí)對(duì)于二進(jìn)制計(jì)數(shù)、二進(jìn)制加法的理解有很大的幫助。

這個(gè)環(huán)節(jié)，我看到學(xué)生的LED燈的跳動(dòng)方式對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制計(jì)數(shù)有從小到大，也有從大到小，也有些小組的結(jié)果是亂序的。所以這個(gè)環(huán)節(jié)，需要留出足夠的時(shí)間，讓學(xué)生多觀察、多修改自己的代碼，同時(shí)仔細(xì)觀察LED燈跳動(dòng)之間的關(guān)系，充分理解二進(jìn)制計(jì)數(shù)的概念。

6.小組討論：光立方簡(jiǎn)單嗎

學(xué)生在完成三個(gè)任務(wù)后，自然會(huì)思考：光立方該怎么實(shí)現(xiàn)呢？該不會(huì)就這么簡(jiǎn)單吧？確實(shí)沒有這么簡(jiǎn)單。經(jīng)過小組討論，得出制作光立方可能會(huì)存在困難的結(jié)論。因?yàn)锳rduino的接口是有限的，那么可以連接的LED燈數(shù)量也就受到了限制，所以需要用到其他輔助芯片來擴(kuò)展接口，并在程序的代碼實(shí)現(xiàn)上要采取更高效、更便捷的方式。這就需要繼續(xù)學(xué)習(xí)其他的課程內(nèi)容，以激發(fā)學(xué)生繼續(xù)深入學(xué)習(xí)的熱情。

● 教學(xué)反思

本節(jié)課采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法，教師要多從學(xué)生的角度出發(fā)，堅(jiān)持以學(xué)生為本，以學(xué)生為主體，換位思考，多反問自己，精心設(shè)計(jì)任務(wù)，循序漸進(jìn)，對(duì)于每一個(gè)任務(wù)的難度系數(shù)都做充分的考慮，保證梯度上升。設(shè)計(jì)的三個(gè)看似簡(jiǎn)單、重復(fù)的任務(wù)，學(xué)生卻做得興趣十足，學(xué)生在實(shí)踐中主動(dòng)形成自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步體驗(yàn)編程加工的魅力。如果能融入更多動(dòng)手實(shí)踐的環(huán)節(jié)，那么可以進(jìn)一步提高教學(xué)的效果。

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