用“小比特”玩轉聲音

設計依據

《新一代人工智能發展規劃》指出：“實施全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育。”《普通高中信息技術課程標準（2017版）》指出，要“選擇體現時代性和基礎性的課程內容，培育以學習為中心的教育學關系，在問題解決過程中提升信息素養”。

本課借助開源硬件Micro：bit（教學中稱為“小比特”），探索適合初中學生的程序設計課程，從而培養計算思維，落實核心素養。

課例特色

特色1：問題引導，提升學生解決問題的能力。

教學步驟環環相扣，通過關鍵問題，引發學生思考，提升學生解決問題的能力。

例如：“小比特”如何發聲？需要什么設備？——引出蜂鳴器。

20Hz的聲音和20000Hz的聲音你聽過嗎？有什么不同？——引出編程讓“小比特”發聲。

如何實現“小比特”的自由控制？什么是自由控制？——引出傳感器。

獲取到了亮度級別數值，如何用它來控制音調呢？——引出變量的使用。

特色2：關注學生個體差異，分層教學，促進學生思維的螺旋式上升。

由于學生基礎不同、接受能力不同、思維水平不同，本節課在設計時，盡量關注每個學生的最近發展區，在“小試牛刀”和“大展身手”兩個教學環節都設計了學案，設置了選做任務，拉開任務難度，為每個學生打造施展拳腳的舞臺。

特色3：優選編程平臺，激發學習興趣，培養計算思維，落實核心素養。

初中生一般認為學習編程是枯燥無趣的，近些年興起的開源硬件，為中學信息技術課程提供了很好的教學平臺，培養了學生的計算思維，落實了核心素養。本課使用的硬件是Micro：bit，上課時我叫它“小比特”，它的外形小巧，易攜帶，內置了多種傳感器，還可以外接硬件設備。本課使用的軟件是離線漢化版的MakeCode，模塊化的編程方式適合初中學生學習，而且在我校已經實施過一段時間，效果非常好。在這樣的軟硬件平臺下，我們還可以為學生提供更多的項目學習課程，如調速風扇、計步器、遙控小車等。

教學目標

1.了解頻率和音調的關系。

2.知道可以使用傳感器，用“小比特”編程控制輸出設備。

3.掌握使用音樂模塊編制音樂演奏程序的方法。

4.初步理解變量的含義，體驗變量的創建和使用，編程實現光亮控制音調，提升計算思維。

5.在小組合作學習的過程中，學會用學案自主學習、溝通分享，敢于批判和創新。

教學重點與難點

教學重點：音樂模塊的編程方法，變量的使用。

教學難點：編程實現光亮控制音調。

教學過程

一、問題導入

上課一開始，教師連續提出三個問題，與學生互動。

問題1：上節課我們學習了用“小比特”顯示圖案，那么除了顯示圖案，它還能做什么呢？（發聲、放音樂）

問題2：“小比特”如何發聲？需要什么設備？（喇叭、音箱、耳機）

問題3：“小比特”沒有內置的揚聲器，今天老師為同學們提供一個外接設備——蜂鳴器。

今天，讓我們一起用“小比特”玩轉聲音。

二、小試牛刀

1.頻率與音調

師：同學們，人耳能聽到的聲音頻率范圍通常是20Hz～20000Hz。但是，20Hz的聲音和20000Hz的聲音你聽過嗎？我們一起來聽一聽。

教師演示“音樂模塊”的使用，編寫程序，播放20Hz、20000Hz、1000Hz的聲音，讓學生感受。由于機房噪音較大，教師可以讓學生們自己編程試聽。

2.布置任務

（1）參照學案，用鱷魚線將“小比特”和蜂鳴器連接起來。

（2）編寫程序并點擊下載，分別聽一聽20Hz、1000Hz、20000Hz的聲音，思考音調與頻率的關系。

（3）拓展——演奏一段旋律。（選做）

3.階段小結

（1）師：現在，同學們已經掌握了“音樂模塊”的編程方法，其中一個頻率參數就控制了音調的高低，這個參數既可以從鍵盤上選擇音符按鍵，也可以直接輸入數字。（如圖1）

（2）展示學生編制的音樂，或者演奏教師作品《歡樂頌》。

三、大展身手

1.觀看示例，明確學習目標

師：請看，老師給你們變一個小魔術！我能自由控制“小比特”發出的聲音。

思考：（1）“小比特”播放的音調有什么變化？（2）我是用什么來自由控制它發出的音調的？

結論：想要實現自由控制，就要利用傳感器來實現。

2.“小比特”的內置傳感器

“小比特”上有多個傳感器：溫度傳感器、磁力傳感器（指南針）、加速度傳感器、光亮傳感器和按鈕輸入。（如圖2）

3.布置任務

使用光亮傳感器，用同一時刻下的光亮，控制“小比特”的音調隨亮度增加而升高。讓光亮傳感器朝向不同的光亮處，試聽音調的變化。

4.講授用變量記錄當前光亮級別數值

（1）光亮傳感器可以獲取光亮級別數值。播放用程序顯示光亮級別數值的視頻，介紹這個光亮級別數值的范圍是0～255。

（2）使用變量記錄某一時刻的光亮級別數值，控制音調。（如圖3）

5.實踐探究

布置任務，再次強調任務目標，用同一時刻下的光亮，控制“小比特”的音調。拓展：同時使用按鈕或其他傳感器，控制“小比特”發聲。（選做）

四、分享評價

1.請學生們認真填寫課堂自評，課后提交。

2.展示成果，并進行分享。（光控音調作品+拓展作品）

3.給出光亮傳感器、A鍵、B鍵、A+B鍵共同控制“小比特”發聲的程序截圖，簡要分析編程思路。（如圖4）

五、總結提升

1.“小比特”就是一臺小計算機，如果想完成各種工作，必須有硬件（揚聲器）和軟件（程序）。

2.“小比特”可以通過輸出端口外接揚聲器演奏音樂，可不可以利用它控制其他設備完成更多的工作，服務于我們的生活呢？

3.本節課，我們使用了內置的光亮傳感器和按鈕輸入，控制“小比特”發聲，除此之外，還有其他的控制方法嗎？你知道傳感器有哪些其他的應用？

（學生回答問題時如果提到了使用沒有內置在“小比特”上的硬件設備，比如紅外傳感器、超聲波測距等，要提示學生，可以外接硬件設備，實現功能。）

4.展示教師作品（實物）。（如圖5）

5.如果時間允許，可播放拓展資源（視頻）。

教學點評

Micro：bit是英國BBC研發的一款64位ARM掌上計算機，集成了LED顯示、按鈕輸入、溫度、加速度、光亮、磁場等多種傳感器，以及無線、藍牙通信、USB數據傳輸等功能，支持模塊化和代碼式編程。本課用到了外接蜂鳴器，通過內置的光亮傳感器控制音調。教師選擇了離線漢化版軟件MakeCode模塊化編程軟件，上課不依賴因特網，快速一鍵下載程序，低門檻，易操作。這樣的軟硬件學習平臺，適合初中大班教學。教師的教學設計趣味性強，能充分發揮學生的主動性、創造性，在開發學生智力、培養創新精神和實踐能力的同時，充分體現了學習編程的目的——培養計算思維。（點評人：王振強，北京教育科學研究院基礎教育教學研究中心信息技術教研室主任）