圖形化編程的軟硬之路

2021年度福建省中青年教師教育科研項目（科技類）課題：從軟件走向硬件的圖形化編程教學研究（JAT210692）研究成果

摘" "要：隨著信息技術的飛速發(fā)展，編程教育正逐漸向低齡化和普及化邁進，圖形化編程作為一種直觀、易學的編程方式，已在中小學編程入門教育和科技創(chuàng)新實踐中占據了重要地位。文章深入分析了圖形化編程軟件向硬件領域的擴展，包括編程工具和開源設備的選擇與項目實現，以及這些硬件如何與軟件相結合，為中小學生提供更加有趣的編程體驗，為未來的教育模式和技術創(chuàng)新提供新的視角。

關鍵詞：圖形化編程；游戲化編程；開源硬件

近幾十年，信息技術的高速發(fā)展推動著世界經濟的發(fā)展，移動互聯網和智能終端的發(fā)展更加速了網絡的普及；2006年深度學習算法的提出讓人工智能領域出現實質性的拐點，開始實現項目的落地及應用。社會的發(fā)展、技術的突破，更新、優(yōu)化了原有的知識結構體系，從而使教育教學內容、方法、手段也要隨之改進。在中小學課程改革的各學科新課標中，技術和理論的更新也得到了充分的體現，使之具有鮮明的時代感。在信息技術學科的課改中，課程重點已經從早期的計算機常用軟件基本操作和使用技巧的培養(yǎng)轉向學生信息技術核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，使計算機基礎學科的核心內容得到有效重視。

1" 傳統(tǒng)編程的不足

編程教學是計算機基礎學科的核心內容。早期國內編程教育主要是面向高校計算機專業(yè)的學生，隨著互聯網的發(fā)展，一些培訓機構和興趣小組班開始提供面向中小學生的編程課，編程教育逐漸普及。近幾年，國家層面也出臺更多的政策，將編程教育納入中小學課程體系，推動著編程教育的普及。在探討編程教育的現狀時，需要正視傳統(tǒng)編程方式所面臨的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)構成了編程教育領域的一大困惑。

傳統(tǒng)編程語言，諸如C++、Java，構建在嚴謹的語法規(guī)則之上，充斥著各種抽象符號與邏輯結構，這對于初學者來說，無異于一座難以逾越的認知高峰。這些語言的設計初衷是為了讓人們高效地與機器溝通，卻在不經意間筑起一道厚厚的壁壘，隔離了初探編程世界的新手與計算機邏輯之間的直接聯系。抽象的術語和復雜的結構要求學習者不僅要掌握嚴密的邏輯推理，還需具備將現實世界問題轉化為代碼的能力，對于那些非計算機專業(yè)的學生或是充滿好奇的兒童而言，他們需要花費大量時間和精力去理解和記憶各種語法規(guī)則，這樣容易引發(fā)強烈的挫敗感。復雜性疊加的編程環(huán)境讓初學者難以在短時間內看到顯著的進步，從而削弱了持續(xù)學習的動力，而且，傳統(tǒng)的教學模式更側重于理論講解而忽視實踐操作，這種失衡加劇了學習曲線的陡峭程度，使得不少潛在的編程愛好者在起點處便望而卻步。

傳統(tǒng)編程學習環(huán)境缺乏一個即時反饋和直觀成果展示的平臺。編程不僅僅是一門理論科學，它的魅力和核心價值在于能夠將理論轉化為實踐，將創(chuàng)意轉化為現實。它是連接虛擬世界和現實世界的橋梁，是解決問題的強大工具。當學習者無法立即看到自己編寫的代碼如何影響現實世界時，就會大大降低學習的積極性，很難保持持久的學習熱情。

傳統(tǒng)編程教育的這些不足之處，不僅要求我們在教學方法上尋求創(chuàng)新，呼喚我們探索新的編程學習路徑，以降低入門門檻，同時要求強化理論與現實的結合，確保每位學習者都能在編程之旅中找到樂趣與成就感。正是在這樣的背景下，圖形化編程出現，為編程教育的改革與突破提供了新的可能。

2" 圖形化編程的優(yōu)勢

圖形化編程是一種全新的編程方式[ 1 ]，它將抽象的編程代碼以積木形式封裝呈現，每個積木代表不同的操作命令，如循環(huán)結構、選擇結構。學生不用記憶復雜的代碼和語法，只要通過拖拽已定義好的積木塊，將它們用搭積木的方式拼接起來，然后輸入相應的參數就可以完成程序設計。整個編程過程不需要逐行輸入代碼，不容易出錯，極大地降低編程的入門難度。

圖形化編程的可視化特點為用戶提供了一個即時反饋機制。學習者可以即時看到他們的操作如何影響程序運行，這讓他們可以嘗試不同的編程思路，并根據反饋進行調整和優(yōu)化。這種試錯和修正過程讓學習者更深入地了解編程概念，激發(fā)編程熱情和潛能，培養(yǎng)他們創(chuàng)新思維，提高解決問題的能力。

圖形化編程平臺提供了豐富的學習資源，學習者可以根據自己的水平和興趣找到詳盡的教程和案例，逐步掌握編程技能。圖形化編程平臺還提供強有力的社區(qū)支持，學習者可以在社區(qū)中分享自己的作品，與其他學習者交流心得，遇到疑惑時尋求幫助。這樣的交流可以增加學習的動力，也拓寬了學習者的視野和思路。

圖形化編程以這些優(yōu)勢，成為編程教育的重要工具。它不僅降低了編程入門難度，而且為學生提供一個充滿樂趣和創(chuàng)造力的學習環(huán)境，為培養(yǎng)未來的技術人才奠定了堅實的基礎。

2.1" 游戲化編程降低入門難度

在圖形化編程教學實施中，游戲化編程[ 2 ]是一種將游戲元素和設計思維應用于編程教育的創(chuàng)新方法。

游戲化編程，教學載體從枯燥的數學問題優(yōu)化成趣味性強的可視化小游戲，通過游戲角色代入、任務設置和闖關升級等手段，可以讓學生對編程產生極大的興趣。游戲化編程創(chuàng)設的游戲情景、角色的移動、造型的變換，都能給學生帶來直接的互動體驗和深刻的視覺感受，使得編程更加輕松愉快。游戲化編程教學通常還會將編程知識按照難易程度進行分級。學生可以從簡單任務開始，再慢慢挑戰(zhàn)更復雜的任務，這樣可以避免一開始遇到復雜的問題失去信心，從而快速入門。

游戲化編程可以培養(yǎng)學習者的邏輯思維能力和解決問題能力。很多學生，在學習初級階段是從制作小游戲、模仿實現現有經典游戲開始嘗試。比如初中學生利用課余時間將流行的手機游戲Flappy Bird“搬”到電腦端，通過網絡搜索游戲圖片素材和自主繪圖相結合的方法完成游戲美工設計，能夠很好地激發(fā)學習者的創(chuàng)造力和想象力，讓學生在實踐中學習和掌握圖形化編程的知識和技能。從編程作品的整體性來看，游戲化編程能夠完美地體現出編程的趣味性和完整性。從整個游戲程序的邏輯性和模塊化來看，學生可以更加深入地理解編程的概念和原理，更好地培養(yǎng)計算思維和編程思維。

2.2" 開源硬件拓展學生學習深度

編程教學不能僅限于技能的傳授和知識的學習上，如何引導學生進行創(chuàng)造性創(chuàng)作，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神，才是編程教育落地實施中最要重視的。教師要引導學生學會思考如何解決現實生活中的實際問題而不僅僅是編程技術，開源硬件的出現很好地解決了這個問題[ 3 ]。

計算機技術快速發(fā)展的這幾十年，隨著Arduino、Micro：bit的誕生，開源硬件有了飛躍式進步，硬件編程不再那么封閉，更容易實現。最初Arduino編程還是以代碼編程——C語言為主，實現主控板與外部傳感器設備之間的數據、控制指令的傳輸，通過代碼編程實現處理邏輯，通過硬件設備感知環(huán)境、改變世界。隨著圖形化編程在入門學習中占據極大優(yōu)勢后，國內外眾多優(yōu)秀的教育科技公司用圖形化代替代碼實現開源硬件的編程，讓硬件編程也可以使用圖形化編程，這樣大大降低了硬件編程的學習門檻。這些公司開發(fā)設計了很多具有中國特色的開源硬件，如：中國電子學會的虛谷號、童心制物的光環(huán)板、童芯派等。

學生通過使用開源硬件，將程序與傳感器、執(zhí)行器等物理設備結合起來，可以直觀地看到程序如何控制硬件，從而加深對編程概念的理解，通過編程來控制硬件創(chuàng)造出真正有用的解決方案。開源硬件項目通常都與現實生活緊密相關，學生可以看到自己的成果在實際生活中的應用，這種成就感激發(fā)著學生的學習熱情，讓他們更加熱愛創(chuàng)新和探索。

3" 基于圖形化編程的項目實踐與思維培養(yǎng)

圖形化編程教學可以將編程學習和生活情境緊密地結合在一起，讓學生做到學以致用。教師可以將孩子帶出教室，走進生活，去發(fā)現問題，解決問題。編程興趣小組在學習開源硬件以后，教師可以引發(fā)頭腦風暴，提出問題：能否通過軟硬件手段幫助學校解決晚自習學生吵鬧的督修提醒問題？通過教師引導、學生思考，編程興趣小組形成初步方案和可行性分析：能否用聲音傳感器來獲取教室晚自習期間的噪音，并通過一定的技術手段判斷噪音大小并確定是否警報提醒，最后對數據進行收集、整理，以便二次使用。

基于以上的設想，編程興趣小組與指導教師就方案中硬件設備選擇、系統(tǒng)實現的可行性進行詳細的設計與討論，確認了“校園晚自習聲音監(jiān)測云信息系統(tǒng)”實現的模塊步驟：即“聲音采集→數據處理→信息反饋”三部曲。

3.1" 聲音采集

在每個班級內安裝聲音采集設備，并將采集到的聲音信息量化為數據，然后將聲音數據傳輸到電腦終端。整個系統(tǒng)中最基礎的步驟就是聲音信息的采集。在傳統(tǒng)的聲音監(jiān)測系統(tǒng)中一般是采取噪聲傳感設備，通過GPRS傳輸模塊進行信號的傳輸，但這種專業(yè)的設備價格比較昂貴，也無法實現云平臺的數據處理，經過多次的測驗和實踐，最終選擇了Makeblock的光環(huán)板（HaloBoard）。光環(huán)板是一塊內置Wi-Fi聯網的單板計算機，它小巧的機身擁有豐富的電子元件，通過簡單編程就可以實現各種電子創(chuàng)作，入門新手也能信手拈來。內置Wi-Fi天線讓光環(huán)板接入互聯網，實現IoT應用，可以創(chuàng)作簡易的智能家居設備，讓學生體驗萬物互聯時代。

在這個系統(tǒng)中，通過光環(huán)板麥克風采集教室噪音響度并進行數字化，通過無線網絡進行數據傳輸，將聲音的采樣數據廣播傳送到慧編程云平臺上，以便后期的數據處理與數據分析。為了防止網絡和云平臺的負載太大，筆者每隔5秒采集一次聲音的樣本數據。在實驗過程中，學生發(fā)現通過上述方法采集到的樣本只是一個即時的聲音，這個即時聲音可能是教室里的一個咳嗽聲或者桌椅搬動的聲音，不能說明教室的噪音太大。為此學生以取均值方法予以解決，即取最近一段時間多個樣本數的均值。

3.2" 數據處理

電腦終端接收數據信息，并通過慧編程程序進行數據處理。學生將光環(huán)板安裝在教室中進行聲音的采集，并把采集的數據通過網絡云廣播的方式傳輸到慧編程云平臺上。軟件程序在電腦端的程序中完成數據的接收、存儲、處理。單個樣本數據使用起來缺陷太多，學生每5秒采集一次數據，每存儲30個樣本數據，即2分多鐘的聲音數據，就進行后期聲音樣本數據的平均值操作。變量中的列表可以存放一組數據，學生將這30個樣本數據存放在列表中，并使用循環(huán)方式進行數據存儲。將聲音數據循環(huán)存儲在噪音列表中后，就可以很方便地對列表中的30個聲音數據取平均值得到“平均噪音”這個數據。這個“平均噪音”能夠足夠體現教室的噪音吵鬧程度。為方便數據的回看和其他處理需要，學生同時也將“平均噪音”數據進行存儲。

3.3" 信息反饋

處理后的數據可以以可視化圖表的方式反饋至年段室終端，并通過燈光信號反饋方式在教室實時提醒。在教室中，通過光環(huán)板上的LED燈（紅色和綠色）顯示，以警示同學們的噪音程度，綠燈表示一般噪音，紅燈表示嚴重噪音。在教師電腦終端上進行數據反饋和數據可視化，通過噪音實時柱狀圖顯示，可以一目了然觀察到各班級當前時刻教室噪音情況。為了讓教師可以觀察到各班級近段時間的噪音情況，程序可將“平均噪音”采用拆線圖的方式展示出來，這樣教師就能看到晚自習期間每個班級的表現，并根據信息反饋的情況有針對性地進行提醒和干預。

基于“校園晚自習聲音監(jiān)測云信息系統(tǒng)”通過光環(huán)板和電腦終端程序的搭配，可以很好地實現集數據采集、處理、分析、反饋于一體的校園晚自習聲音監(jiān)測云信息系統(tǒng)。它可以代替人工提醒的模式，節(jié)省教師、學生的時間，提高學生的晚自習和教師晚自習輔導的效率，使班級管理變得更加方便、及時、高效。

“校園晚自習聲音監(jiān)測云信息系統(tǒng)”整個項目的每個環(huán)節(jié)全程由學生參與和主導，包括問題提出、項目分析、方案設計、硬件搭建、編程實現、調試運行、投入使用等環(huán)節(jié)。教師只是在項目可行性分析、開源硬件選擇、技術難點攻關時起到引導作用。這種教學方法不僅可以提高學生的編程技能，還培養(yǎng)了他們的跨學科學習能力、創(chuàng)新思維和問題解決能力。通過實踐項目，學生能夠將理論知識應用于現實世界，體驗到創(chuàng)造的樂趣，同時也為他們未來發(fā)展奠定堅實的基礎。

4" 結束語

圖形化編程的初級階段學習，通常以游戲為載體，到了高級階段，學生更想去實現一些與現實生活息息相關的事，圖形化的開源硬件編程為學生提供一個實踐的平臺，使他們能夠將編程知識應用于真實的物理世界中。通過設計和實現開源硬件，學生不僅能夠學習到編程語言的語法和結構，還能夠理解電子電路的設計原理，掌握傳感器的使用方法，以及如何將軟件與硬件相結合來解決實際問題。開源硬件的靈活性和可定制性為學生提供廣闊的創(chuàng)造空間。他們可以根據項目需求設計電路、選擇傳感器、編寫控制程序，甚至制作3D打印的機械結構。這種從零開始的設計和實現過程，極大地鍛煉了學生的動手能力和創(chuàng)新思維。通過以上案例的詳細剖析可以看到圖形化編程與開源硬件相結合在編程教育中的巨大潛力。

參考文獻：

［1］ 曾夢霞，胡畔，劉凌波，等. 可視化工具在小學圖形化編程教學中的應用：以Kitten圖形化編程課“白衣英雄”為例[J]. 教育信息技術，2022（6）：55-59.

［2］ 紀鑫琰，李鴻科，趙瑞.游戲化編程提升學生計算思維能力的實踐路徑研究[J]. 軟件導刊，2023（2）： 208-211.

［3］ 劉瑩昕，牛寶裕，石偉，等.基于計算思維培養(yǎng)的中小學開源硬件課程開發(fā)探究[J]. 中國教育信息化，2020（18）：75-79.