軟硬件結合學編程

野雪蓮

隨著《新一代人工智能發展規劃》的發布，人工智能成為了我國戰略發展的一項重要內容，人工智能的教育應用自然也成為教育領域關注的重點。2017年新修訂的《普通高中信息技術課程標準》在必修課程中有機融入了人工智能基礎知識，在選擇性必修課程中設置了“人工智能初步”模塊，要求學生通過學習，了解人工智能的發展歷程及概念，能描述典型人工智能算法的實現過程，通過搭建簡單的人工智能應用模塊，親歷設計與實現簡單智能系統的基本過程與方法，增強利用智能技術服務人類發展的責任感。

在純軟件代碼編程的基礎上配合增加開源硬件，即可實現在教育領域讓學生切身體驗、模擬甚至創新看似高深的人工智能應用。智能家居作為人工智能的一個典型應用領域之一，是離學生的學習和生活最近的應用領域。從這個角度切入開展教學，可實現學生對智能家居的可見、可用、可模擬、可創造。以此為指引，我在高一年級的信息技術課程中設計實施了“Python與智能生活”單元。

整個單元借助micro：bit開源硬件與Python編程語言，圍繞幾個生活中常見的智能效果，讓學生經歷用編程解決問題的基本過程，學會通過編程實現目標需求的一般過程和方法，從而提高根據實際需要選擇合適的數字化工具及技術解決問題的信息意識，鍛煉用編程語言實現問題解決的計算思維能力。具體有如下3個主題。

·主題1：入戶歡迎效果帶學生認識開源硬件套件中的micro：bit單片機及溫濕度傳感器，學習順序結構，并梳理出解決問題的“編程三步法”。

·主題2：無線通信課題融合了分支結構、列表與隨機數的Python編程知識，以及硬件的按鈕、聲音、顯示等內容，在編程實現功能的過程中鞏固解決問題的編程三步法。

·主題3：流量統計工具將“家居”拓寬為“社會生活”，要求學生應用編程三步法實現效果，在過程中學習循環結構，鞏固列表和隨機數的使用，認識光敏電阻、OLED顯示屏等硬件設備，拓展學生對智能生活的認知。

這3個主題從簡單到復雜，以智能生活的真實場景為背景，以編程三大結構為主線，以開源硬件為實現抓手，學生通過問題分析及效果觀察，在實際應用中深入理解三大控制結構及相關Python知識，掌握編程解決問題的步驟與方法，切實感受程序設計與當今智能生活的緊密關系。

以主題2“無線通信”的第1節課時為例，課程內容以鞏固編程解決問題的一般過程及方法——編程三步法為主線，以分支結構、多分支結構中的分支邏輯關系、列表、隨機等Python知識和無線收發消息的硬件控制命令為抓手，帶領學生借助micro：bit的無線通信功能，通過發送端和接收端2種角色共同協作，實現消息的發送、接收及相應的控制效果。在此過程中達成以下學習目標。

·通過實現發送端與接收端之間的無線通信，深入感受編程三步法“分析需求確定結構實現功能”的過程，理解運用編程解決實際問題的方法，提升用計算機編程求解問題的意識和能力。

·掌握分支結構的含義和使用方法，能夠使用micro：bit的無線功能及按鈕操作，實現發送端或接收端的相應功能。

·了解Python中列表及隨機數的含義和使用方法。

具體教學設計如下文所述。環節1：回顧與引入

教師活動

·我們從以往的活動中總結出了編程三步法：根據需求，分析問題;理清流程，確定結構;對應代碼，實現功能。今天應用這個方法探索物聯網中的無線通信。

·很多同學有過用手機操控家中智能設備的經歷，比如用手機選擇一種生活模式，如深夜模式、娛樂模式或者日常模式，智能設備能夠按照選擇作出反應。

·在這個過程中，可以很清晰地分析出2個參與活動的角色——發送端要識別用戶的選擇，然后發送出去;接收端要接收消息指令，然后作出反應。

·使用micro：bit就可以模擬這種效果，圖2為展示效果。

·我們要編程實現這種效果，可以按照編程三步法一步步進行。

學生活動

·回顧編程三步法。

·結合生活實際，理解用戶操控手中的設備選擇生活模式，智能設備接收到指定模式作出反應這一功能需求。

·從中提煉出發送端與接收端2個角色，以及兩端分別做的事情，進而知道無線通信中發送與接收的過程。

·觀看視頻，加深對無線通信過程的理解。

設計意圖

回顧編程三步法，以此作為本節課的學習主線，帶領學生快速進入主題，從實際應用的角度出發，結合自身經歷和功能描述，理解無線通信的發送與接收過程，通過視頻演示加深對這一效果的認知，為后續三步法中的第一步作好鋪墊。

環節2：問題解決過程分析

教師活動

結合編程三步法，分析問題解決過程。

·根據需求，分析問題。詳細分析發送端的具體工作過程，按照接收、判斷、執行的過程，將其梳理為流程圖逐步呈現（圖3）。①選擇：用戶按鍵選擇;②判斷：判斷選擇了哪種模式;⑨發送：發送相應模式的指令消息。

詳細分析接收端的具體工作過程，將這一過程梳理為流程圖的方式呈現（圖4）。①接收：接收發送端的模式消息;②判斷：判斷收到的是哪種模式;③執行：執行該模式的效果。

·理清流程，確定結構。對照流程圖，講解多分支結構。像這樣有判斷條件，并且不同的判斷結果執行不同的命令，是一種分支結構，有多個判斷條件即為多分支結構。

·對應代碼，實現功能?，F在已經完成了編程三步法的前兩步，接下來分別對應按鈕操作、音樂播放、多分支、發送及接收消息的語句命令就可以完成編程了。

學生活動

·結合教師講解和發送端的工作過程描述，觀察逐步呈現的流程圖，明晰發送端的詳細工作流程。

·結合接收端的工作過程描述和流程圖，明晰發送端的詳細工作流程。

·學習分支結構，通過教師講解，理清多分支結構中的分支邏輯關系。

·借助對這個實際問題的分析過程，深入感受用編程解決實際問題的編程三步法。

設計意圖

使用編程三步法進行發送端和接收端的功能分析、結構梳理，讓學生結合實例充分體會運用編程三步法解決實際問題，并根據實際功能基本理解分支結構及多分支之間的邏輯關系，同時給學生留有一定的空間進行自主思考與探究實踐，感受編程解決實際需求的樂趣。