《电子骰子2.0》教学设计与反思

张禄

教材分析

本节课是河北教育出版社出版的《Arduino机器人设计与制作》第二单元“电子骰子”第二课的内容。在第一课中，学生尝试制作了“电子骰子1.0”，该作品利用Arduino控制数码管实现单个数字的随机显示，但由于伪随机函数的原因，在数码管闪烁固定次数（如10次）后，显示的最终数字会是一个固定值。与1.0版本相比，“电子骰子2.0”更具有交互性、趣味性和实用性，本节课主要涉及数码管和震动传感器两个新的元器件的使用。其中，数码管是对第一单元的进一步深化（第一单元只涉及单个LED或多个LED的简单组合，本单元涉及的数码管本质上是多个LED集成在一起的元器件），而传感器的引入也是第一次，这将为后继单元的学习奠定基础。本节课涉及到的主要知识点有数码管、选择结构、随机数、震动传感器、数字输入、子程序等，其中数码管、选择结构、随机数都是上节课学过的，震动传感器、数字输入、子程序是新的知识点。

学情分析

本节课的授课对象是高一选修课学生（共40人选修），他们已经较熟练地掌握了Arduino中LED的控制，基本掌握了共阴极数码管的使用方法，能够使用数码管随机显示数字。学生能够制作出“电子骰子1.0”版本，但由于1.0版本较为简单，并在交互性、趣味性和实用性方面有所欠缺，因此，学生对于改进电子骰子有着迫切的需求。

教学目标

知识与技能目标：了解数字输入的概念，掌握数字震动传感器的使用方法；掌握子程序的声明与调用方法。

过程与方法目标：在改进电子骰子的过程中，感受从简单到复杂的迭代过程；在使用子程序时，理解增加主程序可读性的简便方法。

情感态度与价值观目标：在制作电子骰子的过程中，感受智能产品为生活带来的乐趣；在改进电子骰子的过程中，培养精益求精的工匠精神。

教学重点、难点

重点：震动传感器的使用方法，子程序的使用方法。

难点：如何在震动传感器检测到震动时获取一个随机数。

教学环境及资源设备

计算机教室、Arduino控制板、数码管、震动传感器、ArduBlock软件。

教学过程

本节课划分了“发现问题，引入新课（5分钟）”“分析任务，明确方案（5分钟）”“自主学习，小试牛刀（8分钟）”“攻克难点，初达目标（12分钟）”“优化程序，完善作品（7分钟）”“成果检验，课堂总结（3分钟）”六个环节。

1.发现问题，引入新课

师：这节课，让我们一起来分析一下上节课的作品——电子骰子1.0的缺点。

学生通过讨论，得出电子骰子1.0的主要缺点：没有模拟出“掷”的动作，作品缺乏交互性；每次显示的数字都是一样的。

师：这节课我们就针对这些缺点，在“电子骰子1.0”版本的基础上进一步完善，制作出更好玩的电子骰子，暂且称它为2.0版本。（教师出示课题——电子骰子2.0）

设计意图：通过分析上节课的作品——电子骰子1.0的缺点，引出本节课的主要任务——制作“电子骰子2.0”。

2.分析任务，明确方案

师：要解决“电子骰子1.0”的两个主要缺点：一是要使作品能够“发现”掷骰子的动作，二是解决随机显示数字的问题。第一个问题，需要引入震动传感器检测“掷”的动作，从而触发电子骰子的数字显示功能；第二个问题，计算机产生的随机数是由随机数种子决定的，因此“电子骰子1.0”每次显示一样的数字也是由这个伪随機数引起的。那么，我们如何解决这些问题呢？请大家仔细观察老师手里的电子骰子（如图1），尝试找出制作“电子骰子2.0”的关键步骤。

教师引导学生找出关键步骤：一是“掷”的动作，即让电子骰子检测到其是否摇晃过（可通过震动传感器检测）；二是随机显示，即如果检测到摇晃，数码管要随机显示一个数字。根据这一基本思路，学生小组合作完成电子骰子2.0的设计方案（如下表）。

设计意图：通过分析“电子骰子1.0”的缺点、观察“电子骰子2.0”实物，引导学生找出制作“电子骰子2.0”的关键步骤，明确改进方案。

3.自主学习，小试牛刀

师：根据上述分析，我们可以把“电子骰子2.0”的实现过程分为两个部分：任务一解决“掷”动作的检测，任务二实现数字的随机显示。请各小组同学充分阅读“电子骰子2.0”的学习资料，自主学习“掷”动作的相关知识（震动传感器、数字输入），并完成任务一（如果震动传感器震动，数码管显示5，否则显示2）。

学生小组合作，自主学习，完成任务一。

教师需提醒学生自主学习时应注意两个核心概念：什么是传感器，什么是数字输入。

设计意图：通过提供学习资料向学生呈现本节课的学习重点，通过搭建“脚手架”帮助学生解决“掷”动作的任务（即任务一）。

4.攻克难点，初达目标

师：通过对学习资料的自主学习，相信每个小组都能够轻松完成“掷”的动作了。那么，掷完电子骰子后的随机显示功能如何实现呢？实际上就是用震动传感器的震动来触发随机数的产生（如下页图2）。

学生在1.0版本程序的基础上修改，完成随机显示程序（如下页图2，仅做选框中的修改即可），即弱化版的电子骰子2.0版本（只能显示1、2、3）。

设计意图：通过引导学生在“电子骰子1.0”基础上对半成品进行加工，以解决难点问题。

5.优化程序，完善作品

师：请大家思考一下，如果要随机显示1～6，程序会变得怎样？

学生发现程序会变得很长。

师：其实，我们可以通过使用子程序来简化程序，请对比“电子骰子1.0”程序的两种不同写法（如下页图3），其中，主程序较为简短的程序使用了子程序。那么，什么是子程序呢？子程序如何使用呢？请大家自主学习子程序部分的学习资料。endprint

学生自主学习子程序部分的学习资料，并通过小组合作，在上述程序基础上完成任务二（电子骰子2.0的制作）。

設计意图：引入子程序，希望学生了解子程序可以使主程序更具可读性，更简单，更易修改和维护，感受结构化程序设计思想。

6.成果检验，课堂总结

师：请一位同学展示一下“电子骰子2.0”的完整程序。

学生展示程序，教师再次强调子程序的使用。

师：本节课，我们学习了震动传感器、数字输入、子程序等知识，完成了电子骰子从1.0版本向2.0版本的改进，使其互动性更好，更具有可玩性。事实上，在设计和制作某一件产品时，都需要经历从简单到复杂、从模型制作到产品生产这样一个不断迭代的过程，这要求我们在做任何事的时候都要追求精益求精的工匠精神。

设计意图：通过展示交流，能了解学生的学习情况，进一步修正学生可能产生的错误，巩固新掌握的知识。

教学反思

本课旨在通过制作“电子骰子2.0”，使学生掌握Arduino的一些基础知识，包括震动传感器与子程序的基本使用方法，了解Arduino的数字输入，为后继学习打好基础。从学生的课堂反应来看，学生基本上能够掌握新的知识点；从任务完成情况来看，绝大多数学生都能完成规定任务。通过本课的学习，学生不仅学到了Arduino机器人的基础知识，提高了动手能力、团队合作能力、自主学习能力，而且在制作Arduino机器人创意作品时，有了更明确的思考方向。

在大班教学中，在知识容量较大时，保证教学进度是本节课需要探讨的一个方向，但在自主学习中，如何合理地组织小组合作、适时地关注到真正需要帮助的学生，是本课需要改进的地方。

点 评

“电子骰子2.0”是1.0的升级版，较之更加复杂，新增了如数字输入、震动传感器、子程序等多种软硬件知识，内容有一定的难度，对教师来说具有一定的挑战性。但经过作者的精心设计，不仅教学过程如行云流水般通畅，而且教学难度大大降低了。具体体现在以下几个方面：

第一，问题贯穿整个教学过程。作者在教学中并没有将要做的作品及要学的知识直接填塞给学生，而是通过一个个的问题引导学生发现当前阶段作品的不足，再去尝试解决问题。例如，通过发现并分析“电子骰子1.0”存在的缺点引入该节课的任务；通过提出伪随机数难以解决随机显示数字的问题，引出可以通过硬件（震动传感器）来解决问题；通过提出随机显示数字1～6的想法，引导学生发现程序变得冗长的问题，引出子程序的使用……

第二，转变了学生的学习方式。在教学中的环节三与环节五，作者通过提供学习资料让学生进行自主学习、合作学习，并利用任务一和任务二进行驱动，激发学生的学习动力，巩固学生的学习成果，使学生成为学习的主体，而教师则主要起主导作用。

第三，利用脚手架解决重难点。无论是自主学习阶段提供学习资料，还是引导学生在“电子骰子1.0”的基础上对半成品进行加工，作者在解决重难点时都巧妙地利用了“脚手架”，并没有直接生硬地讲授。

另外，在教学过程中，作者不仅关注到学生对Arduino基础知识与基本技能的掌握，还通过“电子骰子1.0”到2.0的改进过程鼓励学生，做产品要不断迭代，做事情要追求精益求精的工匠精神，很好地完成了本节课的教学目标。endprint