體驗互動技術，提升計算思維
——以《機靈的小老鼠》一課為例

仇大成 江蘇省濱海縣教師發展中心

張海波 江蘇省濱海縣第二實驗小學

隨著人工智能、物聯網技術的蓬勃發展，開源硬件項目深受中小學生的喜愛。教師在教學中，需要創設有趣、互動的Arduino學習項目，才能夠將學生領進“傳感器”“智能化”的世界，并使其在規劃、拼搭、調試、交流的創意編程過程中體驗互動技術，提升計算思維，促進信息素養的達成。計算思維和創意編程的學習是一個多元、互動的融合過程。筆者以《機靈的小老鼠》一課為例，以案例教學法為主線，通過欣賞案例、分析案例、修改案例等方式，引導學生歷經“自主探究、連接設備”“對比實驗、體驗交互”“合理規劃、編寫腳本”等學習過程，實現與虛擬角色的智能互動，最后適度拓展，認識更多的傳感器，更好地進行創新實踐。

●魔術激趣，初識開源硬件

課前，教師創設小老鼠進出洞的“魔術”表演情境，以奇激趣，使學生急切地想破解謎底，在趣味中激起強烈的探究開源硬件的欲望。同時，在魔術中滲透光敏傳感器對光線的檢測，以及小老鼠根據光線進、出洞的原理，使得魔術既有趣又耐人尋味。

●自主探究，連接開源硬件

上課伊始，學生初次接觸Arduino主板和傳感器等開源硬件，既陌生又好奇，此時教師結合自學教材和有針對性的微視頻，讓學生能夠迅速、精準地了解開源硬件。

活動1：認識Arduino主板和光敏傳感器。

①認識：用實物展示光敏傳感器、Arduino主板。

②感知：學生自學教材，了解光敏傳感器、Arduino主板的知識（同桌之間指一指、認一認）。

③教師播放微視頻，幫助學生進一步認識Arduino主板和光敏傳感器的作用。（視頻內容為：我叫光敏傳感器，我身上最重要的東西是感光元件，我可以測量光線的亮度，然后把亮度轉換成計算機可用的數字信號。我叫Arduino板，我可以連接很多的傳感器，還可以和計算機相連接，把傳感器的數字信號傳輸給計算機）

④交流：要求學生將對Arduino主板和光敏傳感器的認識在小組內分享。

設計意圖：認識Arduino和傳感器的端口和接口，學會連接方法，是后續探究和學習開源硬件的基礎。采用微視頻、猜想、操作的方法，將零散的問題逐個解決，在自主探究的過程中，使學生的主體性得到充分體現。

活動2：連接光敏傳感器與Arduino主板。

①觀察：教師按順序依次介紹光敏傳感器的4個端口名稱和功能，學生在光敏傳感器中找到對應的端口。

②猜想：學生猜想這些端口是做什么用的？

③指導：教師出示光敏傳感器與Arduino主板的導線連接圖（如圖1），并示范光敏傳感器與Arduino主板連接，強調連接要點：細心觀察、一一對應、注意安全。

圖1

④操作：學生連接光敏傳感器和Arduino主板。

⑤交流：請完成好的小組介紹連接的心得體會。

活動3：Arduino主板與計算機連接及啟動“慧編程”程序。

①嘗試：Arduino主板不僅連接傳感器，還需要與計算機相連接。學生對照圖示，連接Arduino主板和計算機，并觀察連接前后Arduino主板上指示燈的不同狀態。

②演示：硬件設備都連接好了，還需要有相應的軟件。啟動“慧編程”程序，了解“慧編程”檢測硬件的方法，判斷硬件是否處于工作狀態。

③實踐：啟動“慧編程”程序，觀察硬件正常工作時，“慧編程”程序舞臺區、角色區顯示的內容。

④指導：默認的舞臺上傳感器反饋窗口數值較多，看起來可能覺得混亂，為了便于觀察光敏傳感器傳遞的信息，需將模擬口A0控件設置為顯示模式。

設計目的：硬件連接和啟動“慧編程”系列活動，理論與實踐相結合，指導與探究相融合，學生在項目活動中領會理論知識，學習基本的規范操作，進而輕松了解和掌握Arduino開源硬件。

●對比實驗，確定交互方式

通過光敏傳感器的對比實驗，觀察并記錄光感值，在此基礎上引導學生進行數據分析，從而確定最合適的數據。表格設計指向“光感值交互”的活動目標，引導學生在觀察記錄的過程中發現表格所蘊藏的規律，實現“形式到邏輯”的模式識別。此過程讓學生不僅體會到便捷的交互方式，更提升計算思維能力，為他們學習應用其他傳感器提供了方法指導。

活動4：更便捷的交互，感受光感值。

①認識光感值。

觀察：教師提出問題——舞臺區A0顯示的數值，有哪些發現？如果用手把光敏傳感器遮住，數值會產生哪些變化？

思考：引導學生繼續思考“舞臺區A0顯示的數值表示的是什么信息”？（光敏傳感器傳遞的信息）

②記錄光感值。

實驗：小組合作，根據明亮處、陰暗處兩個類別分3次記錄不同的光感值（如下表）。

交流：分小組匯報實驗結果，并將結果在數軸中標記（如圖2）。

圖2

③分析光感值。

觀察：為什么每個小組記錄的光感值都不一樣？

看數軸中標記的點，光線明亮處的光感值在哪一個區域？陰暗處呢？

思考：用一句話表述光感值和光線強弱之間的關系。

如果找一個點把它們分開，同學們覺得在哪兒比較合適？

引導學生討論：結合以前學過的“用聲音控制小貓”的辦法，可以怎樣實現控制。（超過中間值就……低于中間值就……）

交流：當光線強的時候可以讓它執行一些動作指令，當光線弱的時候可以執行另外的一些指令。

設計意圖：基于開源硬件學習創意編程，要注重項目主題從學習生活中挖掘，激發學生從經典的動畫、游戲的設計拓展到交互操作的設計。通過實驗體驗光線、聲音、溫度變化與計算機互動的神奇效果，深入理解由事件拓展而來的計算概念，并培養學生良好的智能設計作品的創作習慣：平時要做一個細心的人，對傳感器傳遞的信息更要留心觀察、記錄、分析，從而熟悉使用傳感器，根據傳感器返回數值的特點，選擇便捷的控制（交互）方式。

●合理規劃，編寫程序腳本

結合“魔術”范例，在比較“如果…”與“如果…否則…”兩個控件的區別中，進一步體驗和應用光感值。筆者設計了“看、改、創”三個遞進層次的教學環節，讓學生在通過分析案例、修改案例的學習中，深入理解“運用傳感器實現控制”這一便捷的交互方式，進而發揮想象，運用掌握的知識進行創作，從而實現更豐富的互動。

活動5：更有趣的腳本，應用光感值。

①擺弄程序，體驗光感值。

實踐：運行“機靈的小老鼠” 腳本程序，自己玩魔術。

觀察：腳本中控制小老鼠控制活動的是什么指令? 指令中的數值代表什么？

交流：說一說對“如果…否則…”控件的理解。

嘗試：試試將數值修改為前面確定的中間值或其他值，觀察變化。

②修改程序，應用光感值。

實踐：展開想象，運用光感值為魔術程序增加角色和指令，使程序功能更豐富、更有趣。

操作提示：多思考，使程序更好玩；多選擇，使指令更豐富；多測試，使運行更穩定。

展示交流：展示學生改編的魔術，分享創意、小技巧與心得體會。

設計意圖：本環節重在掌握更多條件組合的編程方法，學會合理設置參數改變開源硬件輸出設備的狀態。通過運用光感值為“魔術”程序增加角色和指令，理清思路，修改原有方案，為條件嵌套編程提供支架。學生前期學習時已經掌握修改參數的方法，通過設計小組團隊活動，學生自主協商分配角色，再構智能場景，在不斷試誤、調整、優化中，完善作品，拓展程序的功能。

●拓展應用，認識其他傳感器

聯系日常生活中的傳感器應用案例，運用實物和課件展示多種傳感器，不僅開闊學生視野，而且激發了學生學習Arduino和傳感器的興趣。學生可以根據本課所學習的知識，課后以“機靈的×××”為主題，自由地發揮想象，從而創作出更多優秀的程序。這樣不僅能夠讓學生鞏固已學知識，還能培養學生的創新能力。學生在課后交流展示自己的作品，通過同學之間的交流，在比較和反思中取長補短，能夠得到更全面的提高。

●反思總結

本節課基于計算思維的理念，重點圍繞Arduino開源硬件和光敏傳感器的學習應用，將學生領進“智能設計”的世界，在虛擬與現實之間架設橋梁，體驗、了解一種新的交互方式——智能控制。

關注信息處理，交互更合理。在光敏傳感器實驗環節，為了能更好地引導發現規律，筆者設計活動記錄單等數據輸入支架，以表格式替換了文本式，加上數軸，便于學生分析理解中間值。

調試修改程序，交互更自然。在學習過程中，開源硬件出現數據異常或運行異常，可能是軟件配置的問題，也可能是硬件兼容性產生的問題，此時需要發揮勇于探索的精神，教師不能草率否定學生的無效探究，也不能強求學生調試的方式、路徑與預設的一致。

創設實踐環境，交互更豐富。基于開源硬件的創意編程，主控板還包括掌控板、樹莓派等，傳感器還包括聲音、溫度、陀螺儀、紅外、灰度等。可結合學生的年齡特點和學習需求，倡導應用計算參與的策略來設計學習活動，提供多種實踐環境和開源硬件器材設備，實現更豐富的互動，實現學習創意編程的目標。