“百猜百中”的奧秘

吳箏

課程背景

隨著時代的快速發(fā)展，信息技術(shù)正深刻地影響著社會變革。編程已經(jīng)成為學(xué)生適應(yīng)數(shù)字社會的一種技能，提高信息素養(yǎng)也是將“數(shù)字土著”培養(yǎng)成為合格的“數(shù)字公民”的一種途徑。

本案例以小程機(jī)器人為硬件載體，以mBlock5為軟件支撐，采用軟硬結(jié)合的方式，幫助學(xué)生對問題的理解與解決有更為直接和感性的認(rèn)識，引導(dǎo)學(xué)生在活動過程中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題，通過建模與測試、分析、解釋，發(fā)展學(xué)生的思維，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力，感悟偶然性背后的必然性。

教學(xué)目標(biāo)

知識與技能 能說明齒輪電位器讀數(shù)、翻滾角角度的變化規(guī)律;能使用變量解決具體問題;能解釋Python語句的作用。

過程與方法 通過查看設(shè)備不同姿態(tài)下的輸出結(jié)果，推導(dǎo)齒輪電位器讀數(shù)、翻滾角角度的變化規(guī)律，培養(yǎng)觀察、探究、歸納等能力;找出問題與解決方案間的因果關(guān)系，分析判斷設(shè)備不同姿態(tài)的條件設(shè)置，并嘗試編程解決。

情感態(tài)度與價值觀 體驗人機(jī)交互的過程，提升學(xué)習(xí)興趣與創(chuàng)新思維;感悟偶然性背后的必然性。

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn) 推導(dǎo)齒輪電位器讀數(shù)、翻滾角角度的變化規(guī)律;分析判斷設(shè)備不同姿態(tài)的條件設(shè)置。

教學(xué)難點(diǎn) 分析判斷設(shè)備不同姿態(tài)的條件設(shè)置;算法優(yōu)化。

教學(xué)過程

一、情境導(dǎo)入

教師請學(xué)生與小程一起參與游戲：拋硬幣猜正反面。經(jīng)過幾輪游戲，鮮有學(xué)生全部猜對，而小程顯示的結(jié)果全部正確。教師請學(xué)生思考：為什么小程能全部猜對？它是怎樣做到的？

簡短討論后，教師揭開謎底：小程并不是真的未卜先知，它能全部猜對是因為控制它的人看到結(jié)果后，按照事先設(shè)定的規(guī)則調(diào)整小程的姿態(tài)，使其顯示出人看到的結(jié)果。

二、硬幣正反面“百猜百中”的奧秘——齒輪電位器

1.齒輪電位器讀數(shù)的變化規(guī)律

請學(xué)生運(yùn)行簡單程序，撥動齒輪電位器，查看顯示數(shù)據(jù)，可知數(shù)據(jù)變化范圍：0—100，變化規(guī)律：越靠近小程耳朵方向，數(shù)值越大。

2.算法設(shè)計——根據(jù)齒輪電位器讀數(shù)范圍做出判斷

設(shè)備初始狀態(tài)：小程的姿態(tài)為“背面向上”;

設(shè)備終止?fàn)顟B(tài)：小程的姿態(tài)為“正面向上”。

需求分析：根據(jù)硬幣的拋擲情況顯示相應(yīng)的數(shù)字1或者2。

規(guī)則設(shè)定：小程的姿態(tài)變?yōu)椤罢嫦蛏稀睍r，如果齒輪電位器讀數(shù)在0—30，屏幕顯示“1”，即表示硬幣正面朝上;如果齒輪電位器讀數(shù)在70—100，屏幕顯示“2”，即表示硬幣反面朝上。

設(shè)計要點(diǎn)：使用控制模塊下的“重復(fù)執(zhí)行”，實(shí)現(xiàn)對齒輪電位器讀數(shù)的持續(xù)監(jiān)測;使用控制模塊下的“如果……那么……”和運(yùn)算模塊下的“與”運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)對齒輪電位器讀數(shù)的范圍判斷。

具體程序編寫可參考圖1。

學(xué)生編寫程序并下載到小程機(jī)器人，拋硬幣測試效果，發(fā)現(xiàn)該程序存在缺點(diǎn)：游戲時，齒輪電位器必須撥到指定范圍，導(dǎo)致操作者手指動作幅度較大，容易被識破。

3.算法設(shè)計——根據(jù)齒輪電位器撥動方向做出判斷

根據(jù)前文出現(xiàn)的問題，修改算法，重新設(shè)定規(guī)則：小程的姿態(tài)變?yōu)椤罢嫦蛏稀睍r，如果齒輪電位器是向下?lián)軇樱聊伙@示“1”，即表示硬幣正面朝上;如果齒輪電位器是向上撥動，屏幕顯示“2”，即表示硬幣反面朝上。

設(shè)計要點(diǎn)：使用控制模塊下的“重復(fù)執(zhí)行”實(shí)現(xiàn)對齒輪電位器讀數(shù)與小程的姿態(tài)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測;使用兩個變量分別記錄小程的姿態(tài)為“背面向上”和“正面向上”時，齒輪電位器的讀數(shù);使用控制模塊下的“如果……那么……”和運(yùn)算模塊下的相應(yīng)運(yùn)算比較兩個變量的值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對齒輪電位器撥動方向的判斷——如果“背面向上”時的讀數(shù)小于“正面向上”時的讀數(shù)，說明是向上撥動齒輪電位器，反之則說明是向下?lián)軇育X輪電位器。

具體程序編寫如圖2。

三、骰子“百猜百中”的奧秘——齒輪電位器、翻滾角角度

1.翻滾角角度的變化規(guī)律

請學(xué)生運(yùn)行簡單程序，調(diào)整小程的姿態(tài)，查看顯示數(shù)據(jù)，可知數(shù)據(jù)變化范圍：-90—0—90。數(shù)據(jù)變化規(guī)律：從齒輪電位器那一面朝下翻滾到正面向上，數(shù)值越來越大（-90→0）;從開關(guān)那一面朝下翻滾到正面向上，數(shù)值越來越小（90→0）;其他姿態(tài)的翻滾角角度為0。

2.算法設(shè)計

設(shè)備初始狀態(tài)：小程的姿態(tài)為“背面向上”;

設(shè)備終止?fàn)顟B(tài)：小程的姿態(tài)為“正面向上”。

需求分析：根據(jù)骰子的點(diǎn)數(shù)顯示相應(yīng)的數(shù)字1—6。根據(jù)討論，教師引導(dǎo)學(xué)生對小程的姿態(tài)變化進(jìn)行分析。

規(guī)則設(shè)定：參考圖3，詳見下表。

設(shè)計要點(diǎn)：使用控制模塊下的“重復(fù)執(zhí)行”，實(shí)現(xiàn)對齒輪電位器讀數(shù)、翻滾角角度進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測;使用控制模塊下的“如果……那么……否則……”與“如果……那么……”的嵌套，實(shí)現(xiàn)對六種情況的甄別。

通過齒輪電位器的讀數(shù)變化區(qū)分1、2兩種情況。通過對翻滾角角度數(shù)值進(jìn)行判斷，區(qū)分3、4兩種情況：如果翻滾角角度大于50，說明小程經(jīng)歷過以A邊為軸，水平向左翻面的過程;如果翻滾角角度小于-50，說明小程經(jīng)歷過以C邊為軸，水平向右翻面的過程。通過對小程“耳朵向下”傾斜與小程的姿態(tài)為“直立在桌面”進(jìn)行判斷，區(qū)分5、6兩種情況：如果小程“耳朵向下”傾斜，說明小程經(jīng)歷過以B邊為軸，垂直向上翻面的過程;如果小程的姿態(tài)為“直立在桌面”，說明小程經(jīng)歷過以D邊為軸，垂直向下翻面的過程。程序編寫如圖4。

程序缺點(diǎn)：由于是通過一些特定范圍的值來鑒別小程的姿態(tài)，因此翻面的速度、手勢與傳感器的精度等都可能影響對姿態(tài)的判斷。

四、Python學(xué)習(xí)

借助mBlock5軟件的代碼轉(zhuǎn)換功能，將模塊代碼轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的Python語句代碼，請學(xué)生進(jìn)行簡單解釋。基于模塊代碼，學(xué)生可以識別出“重復(fù)執(zhí)行”“如果……那么……否則……”“如果……那么……”在Python中不同的語句格式，并進(jìn)行簡單的代碼解釋。

五、思維拓展

作品展示交流后，給學(xué)生一些時間梳理設(shè)計思路、完善提升作品。教師可以繼續(xù)與學(xué)生探討情況甄別的其他思路，引導(dǎo)學(xué)生對作品進(jìn)行進(jìn)一步完善和創(chuàng)新。

教學(xué)反思

不管是硬幣還是骰子，小程可以“百猜百中”。看似很神秘，其實(shí)它的背后是由算法所支撐的，真正厲害的是那個設(shè)計算法的人。通過這個作品的設(shè)計，學(xué)生可以進(jìn)一步體會算法在生活中的應(yīng)用，透過現(xiàn)象看本質(zhì)，激發(fā)主動學(xué)習(xí)思維，提升實(shí)踐創(chuàng)新能力。另外，學(xué)生體驗了從不同層面、不同角度分析問題，自主探究解決問題的過程，也培養(yǎng)了他們問題解決的能力。