借編程教育培養(yǎng)學(xué)生轉(zhuǎn)換思維
——以“智能音樂盒的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”為例

鮑通 江蘇省蘇州市平江實(shí)驗(yàn)學(xué)校

轉(zhuǎn)換思維是一種多視角思維，它能夠避免思維定式，對發(fā)明創(chuàng)造而言具有重要意義，因?yàn)槊哭D(zhuǎn)換一個(gè)新的視角就會(huì)引發(fā)一個(gè)新發(fā)現(xiàn)或新發(fā)明。其具體方式有目標(biāo)轉(zhuǎn)換、價(jià)值轉(zhuǎn)換、原理轉(zhuǎn)換、材料轉(zhuǎn)換等。下面，筆者以科技實(shí)踐活動(dòng)“智能音樂盒的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”為例，探索轉(zhuǎn)換思維的運(yùn)用。

● 目標(biāo)轉(zhuǎn)換：將整體目標(biāo)分段

目標(biāo)轉(zhuǎn)換是指當(dāng)某一目標(biāo)很難實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以試著通過一個(gè)間接的目標(biāo)來實(shí)現(xiàn)最終的目標(biāo)，或者把目標(biāo)轉(zhuǎn)向另一個(gè)方向。

例如，音樂盒的創(chuàng)作靈感來自對一部機(jī)器人小車的研究。早先的Arduino UNO R3開發(fā)板很難找到與之匹配的擴(kuò)展板，實(shí)驗(yàn)所需的按鍵、發(fā)光二極管、光敏傳感器、蜂鳴器等部件需要借助面包板擴(kuò)充接口與開發(fā)板相連。當(dāng)時(shí)Arduino小車的基本功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，即按一下按鍵，蜂鳴器發(fā)出“嘀”的一聲后馬達(dá)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，小車前進(jìn)。

后來有人提出想法：能否用一種更加簡便的觸發(fā)方式來代替按鍵啟動(dòng)小車？如用手電照一下它就可以前進(jìn)。另外，“嘀”的一聲太單調(diào)，若能變換頻率發(fā)出“123（dol、rai、mi）”的聲音，那就更像一臺(tái)機(jī)器人了。首先，光敏傳感器是一個(gè)不二的選擇，可是，蜂鳴器的頻率問題又該如何解決呢？蜂鳴器分為有源和無源兩種，前者通電就響，使用方便但頻率固定，后者頻率可控，但要用程序編寫音符。為了實(shí)現(xiàn)想法，團(tuán)隊(duì)采購了無源蜂鳴器，與光敏傳感器單獨(dú)搭配進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試（后來有了擴(kuò)展板，就不用面包板了）。就在這時(shí)，新的想法再次出現(xiàn)：既然能編輯123，何不編一首完整的曲目試試看呢？就這樣，制作“智能音樂盒”的想法誕生了，即用光感控制音樂播放。其實(shí)它本是機(jī)器人小車上一個(gè)待優(yōu)化的功能模塊而已。

● 價(jià)值轉(zhuǎn)換：將隱性價(jià)值挖掘

當(dāng)光感控制蜂鳴器播放音頻的功能實(shí)現(xiàn)后，新的問題又來了：音樂盒的外形該如何設(shè)計(jì)呢？它的空間至少可以容得下這套器材，包括主控板、傳感器以及電池盒。在沒有激光切割機(jī)的條件下，用積木式結(jié)構(gòu)件搭建，看起來太死板；用實(shí)驗(yàn)室里的文件盒，難免缺乏浪漫；用紙張折疊，又怕不夠牢固……這時(shí)，筆者看到了丟棄的塑料杯，于是把器材放了進(jìn)去（起初杯子是透明塑料的，遮不住光線影響效果，而且型號有點(diǎn)小，后來改用大號紙杯，并選用了避光的黑色杯蓋），這樣就完成了音樂盒的外觀設(shè)計(jì)，既節(jié)約成本，又不失創(chuàng)意。另外，擅長繪畫的學(xué)生還在紙杯的側(cè)面畫上了自己喜歡的畫，有的還寫上了祝福語，并附上了自己的親筆簽名。

● 視角轉(zhuǎn)換：將單一視角擴(kuò)展

視角轉(zhuǎn)換就是對同一事物或現(xiàn)象，從不同的角度加以觀察和思考，從而獲得新的認(rèn)識和解決問題的新方法的思考方法。

前面提到的紙杯，是因?qū)嶒?yàn)測試急需，到校門口的奶茶店臨時(shí)索取的。當(dāng)時(shí)，第一個(gè)學(xué)生跑到奶茶店向老板要紙杯，他說：“老板，能否給我一個(gè)大號的空紙杯？老師讓我們用來盛放器材。”老板一臉茫然，沒答應(yīng)。第二個(gè)學(xué)生又跑到奶茶店，他向老板說：“能否給我一個(gè)大號的空紙杯？我要用它做實(shí)驗(yàn)展示給同學(xué)們看，上面有奶茶店的名稱，能順便給你們做廣告。”老板聽后，迫不及待地給他拿了好幾個(gè)型號的紙杯，還說了聲謝謝。因此，實(shí)驗(yàn)得以順利進(jìn)行。

● 原理轉(zhuǎn)換：將相似原理遷移

原理轉(zhuǎn)換是指當(dāng)遇到問題的時(shí)候，不從常規(guī)的邏輯尋求辦法，而是通過引入與本問題看似不相關(guān)的原理進(jìn)行思考，從而找到解決問題的新方法。

例如，在機(jī)器人小車的避障實(shí)驗(yàn)中，需要將超聲波傳感器搭載舵機(jī)分別轉(zhuǎn)動(dòng)至90°和-90°的位置上進(jìn)行測距，哪邊的返回值大，小車向哪邊拐彎。好比一個(gè)人徑直向前走，當(dāng)遇到障礙物時(shí)分別向左、向右扭一下頭，看看哪邊空間寬敞往哪邊走。這就是運(yùn)用舵機(jī)實(shí)現(xiàn)小車避障的基本原理。目前有了更先進(jìn)的策略，而在當(dāng)時(shí)，學(xué)生為實(shí)現(xiàn)舵機(jī)脫機(jī)這一功能，必須使用Arduino中的C語言，因?yàn)镾ervo庫只在Arduino IDE中存在，圖形化語言編輯器中沒有。總之，若要脫機(jī)運(yùn)行舵機(jī)，就用C語言；若用圖形化語言，只能聯(lián)機(jī)運(yùn)行舵機(jī)。而對于小學(xué)生來說，C語言又確實(shí)不夠友好，只能依賴成品代碼，十分矛盾，這個(gè)問題困擾了筆者很長時(shí)間，一直到接觸用舵機(jī)組合的方法制作機(jī)械臂項(xiàng)目的時(shí)候，才再次關(guān)注起來。如果運(yùn)行機(jī)械臂一定要連著一臺(tái)電腦，那可能是這個(gè)世界上最痛苦的事了。最終，筆者找到了一款能夠支持舵機(jī)脫機(jī)功能的國產(chǎn)圖形化編程仿真軟件，使得機(jī)械臂脫機(jī)問題很快得到了解決（如圖1)，這樣一來，那臺(tái)Arduino機(jī)器人小車也終于可以100%實(shí)現(xiàn)圖形化編程了。引申思考：舵機(jī)是否還可以用于音樂盒呢？比如自動(dòng)控制杯子蓋打開和關(guān)閉，即添加一個(gè)聲音傳感器，一拍手，杯子蓋自動(dòng)打開，光線進(jìn)入，音樂響起，結(jié)束后自動(dòng)關(guān)閉。

圖1

目前音樂盒的基本功能是：當(dāng)手動(dòng)打開杯蓋時(shí)音樂想起，關(guān)閉杯蓋時(shí)音樂暫停；技術(shù)難點(diǎn)（亮點(diǎn)）是：當(dāng)再次打開杯蓋時(shí)，音樂會(huì)繼續(xù)播放，而非重新開始。

以后續(xù)的技術(shù)力量來看，上述功能或許已不再是亮點(diǎn)，但原理轉(zhuǎn)換的方法不過時(shí)。在進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，針對一個(gè)簡單的原理要盡可能多地找到它可能會(huì)發(fā)揮的作用，針對一個(gè)問題也要盡可能多地尋找與之相關(guān)的原理，從而獲得解決問題的更多方案。

● 材料轉(zhuǎn)換：將傳統(tǒng)材料替換

人們可以運(yùn)用材料轉(zhuǎn)換法對構(gòu)成任何物品的材料進(jìn)行大膽地設(shè)想，把常見的材料轉(zhuǎn)換為某種新奇的、獨(dú)特的材料，以提高物品的功能或者給物品帶來新的功能。

隨著科技的進(jìn)步，3D打印機(jī)、激光切割機(jī)已經(jīng)走進(jìn)了校園，物聯(lián)網(wǎng)、人工智能的發(fā)展更是日新月異，這就要求科技實(shí)踐活動(dòng)所選實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目也要緊跟時(shí)代步伐。關(guān)于材料轉(zhuǎn)換，筆者將其分為兩類：一類是“實(shí)體材料”轉(zhuǎn)換，另一類是“虛擬材料”轉(zhuǎn)換。前者作為可視層面的，如音樂盒的外觀造型可模仿蛋糕、書籍、小車，甚至手槍的樣子，采用3D打印或者激光雕刻制作完成（如圖2）。后者作為虛擬層面的，可將“看得見”的音樂盒變成“摸不著”的音樂盒，即數(shù)字音樂盒。它可以成為網(wǎng)絡(luò)空間的一個(gè)元素，借助3D建模技術(shù)支撐它的外觀結(jié)構(gòu)，既能識別人臉，又能聽懂語音，讓“互動(dòng)”成為音樂盒真正的智能特色。“材料”的更新?lián)Q代，必將促進(jìn)作品煥然一新、趨向成熟。

圖2

● 結(jié)束語

筆者認(rèn)為，作品的效果呈現(xiàn)只是一方面，關(guān)鍵要借助科技實(shí)踐活動(dòng)讓學(xué)生多領(lǐng)悟一些思考問題的技巧，使思維變得活躍起來，進(jìn)而能夠更好地應(yīng)對生活中的實(shí)際問題，也讓生活充滿創(chuàng)意的氣息。