体验互动技术，提升计算思维——以《机灵的小老鼠》一课为例

仇大成 江苏省滨海县教师发展中心

张海波 江苏省滨海县第二实验小学

随着人工智能、物联网技术的蓬勃发展，开源硬件项目深受中小学生的喜爱。教师在教学中，需要创设有趣、互动的Arduino学习项目，才能够将学生领进“传感器”“智能化”的世界，并使其在规划、拼搭、调试、交流的创意编程过程中体验互动技术，提升计算思维，促进信息素养的达成。计算思维和创意编程的学习是一个多元、互动的融合过程。笔者以《机灵的小老鼠》一课为例，以案例教学法为主线，通过欣赏案例、分析案例、修改案例等方式，引导学生历经“自主探究、连接设备”“对比实验、体验交互”“合理规划、编写脚本”等学习过程，实现与虚拟角色的智能互动，最后适度拓展，认识更多的传感器，更好地进行创新实践。

●魔术激趣，初识开源硬件

课前，教师创设小老鼠进出洞的“魔术”表演情境，以奇激趣，使学生急切地想破解谜底，在趣味中激起强烈的探究开源硬件的欲望。同时，在魔术中渗透光敏传感器对光线的检测，以及小老鼠根据光线进、出洞的原理，使得魔术既有趣又耐人寻味。

●自主探究，连接开源硬件

上课伊始，学生初次接触Arduino主板和传感器等开源硬件，既陌生又好奇，此时教师结合自学教材和有针对性的微视频，让学生能够迅速、精准地了解开源硬件。

活动1：认识Arduino主板和光敏传感器。

①认识：用实物展示光敏传感器、Arduino主板。

②感知：学生自学教材，了解光敏传感器、Arduino主板的知识（同桌之间指一指、认一认）。

③教师播放微视频，帮助学生进一步认识Arduino主板和光敏传感器的作用。（视频内容为：我叫光敏传感器，我身上最重要的东西是感光元件，我可以测量光线的亮度，然后把亮度转换成计算机可用的数字信号。我叫Arduino板，我可以连接很多的传感器，还可以和计算机相连接，把传感器的数字信号传输给计算机）

④交流：要求学生将对Arduino主板和光敏传感器的认识在小组内分享。

设计意图：认识Arduino和传感器的端口和接口，学会连接方法，是后续探究和学习开源硬件的基础。采用微视频、猜想、操作的方法，将零散的问题逐个解决，在自主探究的过程中，使学生的主体性得到充分体现。

活动2：连接光敏传感器与Arduino主板。

①观察：教师按顺序依次介绍光敏传感器的4个端口名称和功能，学生在光敏传感器中找到对应的端口。

②猜想：学生猜想这些端口是做什么用的？

③指导：教师出示光敏传感器与Arduino主板的导线连接图（如图1），并示范光敏传感器与Arduino主板连接，强调连接要点：细心观察、一一对应、注意安全。

图1

④操作：学生连接光敏传感器和Arduino主板。

⑤交流：请完成好的小组介绍连接的心得体会。

活动3：Arduino主板与计算机连接及启动“慧编程”程序。

①尝试：Arduino主板不仅连接传感器，还需要与计算机相连接。学生对照图示，连接Arduino主板和计算机，并观察连接前后Arduino主板上指示灯的不同状态。

②演示：硬件设备都连接好了，还需要有相应的软件。启动“慧编程”程序，了解“慧编程”检测硬件的方法，判断硬件是否处于工作状态。

③实践：启动“慧编程”程序，观察硬件正常工作时，“慧编程”程序舞台区、角色区显示的内容。

④指导：默认的舞台上传感器反馈窗口数值较多，看起来可能觉得混乱，为了便于观察光敏传感器传递的信息，需将模拟口A0控件设置为显示模式。

设计目的：硬件连接和启动“慧编程”系列活动，理论与实践相结合，指导与探究相融合，学生在项目活动中领会理论知识，学习基本的规范操作，进而轻松了解和掌握Arduino开源硬件。

●对比实验，确定交互方式

通过光敏传感器的对比实验，观察并记录光感值，在此基础上引导学生进行数据分析，从而确定最合适的数据。表格设计指向“光感值交互”的活动目标，引导学生在观察记录的过程中发现表格所蕴藏的规律，实现“形式到逻辑”的模式识别。此过程让学生不仅体会到便捷的交互方式，更提升计算思维能力，为他们学习应用其他传感器提供了方法指导。

活动4：更便捷的交互，感受光感值。

①认识光感值。

观察：教师提出问题——舞台区A0显示的数值，有哪些发现？如果用手把光敏传感器遮住，数值会产生哪些变化？

思考：引导学生继续思考“舞台区A0显示的数值表示的是什么信息”？（光敏传感器传递的信息）

②记录光感值。

实验：小组合作，根据明亮处、阴暗处两个类别分3次记录不同的光感值（如下表）。

交流：分小组汇报实验结果，并将结果在数轴中标记（如图2）。

图2

③分析光感值。

观察：为什么每个小组记录的光感值都不一样？

看数轴中标记的点，光线明亮处的光感值在哪一个区域？阴暗处呢？

思考：用一句话表述光感值和光线强弱之间的关系。

如果找一个点把它们分开，同学们觉得在哪儿比较合适？

引导学生讨论：结合以前学过的“用声音控制小猫”的办法，可以怎样实现控制。（超过中间值就……低于中间值就……）

交流：当光线强的时候可以让它执行一些动作指令，当光线弱的时候可以执行另外的一些指令。

设计意图：基于开源硬件学习创意编程，要注重项目主题从学习生活中挖掘，激发学生从经典的动画、游戏的设计拓展到交互操作的设计。通过实验体验光线、声音、温度变化与计算机互动的神奇效果，深入理解由事件拓展而来的计算概念，并培养学生良好的智能设计作品的创作习惯：平时要做一个细心的人，对传感器传递的信息更要留心观察、记录、分析，从而熟悉使用传感器，根据传感器返回数值的特点，选择便捷的控制（交互）方式。

●合理规划，编写程序脚本

结合“魔术”范例，在比较“如果…”与“如果…否则…”两个控件的区别中，进一步体验和应用光感值。笔者设计了“看、改、创”三个递进层次的教学环节，让学生在通过分析案例、修改案例的学习中，深入理解“运用传感器实现控制”这一便捷的交互方式，进而发挥想象，运用掌握的知识进行创作，从而实现更丰富的互动。

活动5：更有趣的脚本，应用光感值。

①摆弄程序，体验光感值。

实践：运行“机灵的小老鼠” 脚本程序，自己玩魔术。

观察：脚本中控制小老鼠控制活动的是什么指令? 指令中的数值代表什么？

交流：说一说对“如果…否则…”控件的理解。

尝试：试试将数值修改为前面确定的中间值或其他值，观察变化。

②修改程序，应用光感值。

实践：展开想象，运用光感值为魔术程序增加角色和指令，使程序功能更丰富、更有趣。

操作提示：多思考，使程序更好玩；多选择，使指令更丰富；多测试，使运行更稳定。

展示交流：展示学生改编的魔术，分享创意、小技巧与心得体会。

设计意图：本环节重在掌握更多条件组合的编程方法，学会合理设置参数改变开源硬件输出设备的状态。通过运用光感值为“魔术”程序增加角色和指令，理清思路，修改原有方案，为条件嵌套编程提供支架。学生前期学习时已经掌握修改参数的方法，通过设计小组团队活动，学生自主协商分配角色，再构智能场景，在不断试误、调整、优化中，完善作品，拓展程序的功能。

●拓展应用，认识其他传感器

联系日常生活中的传感器应用案例，运用实物和课件展示多种传感器，不仅开阔学生视野，而且激发了学生学习Arduino和传感器的兴趣。学生可以根据本课所学习的知识，课后以“机灵的×××”为主题，自由地发挥想象，从而创作出更多优秀的程序。这样不仅能够让学生巩固已学知识，还能培养学生的创新能力。学生在课后交流展示自己的作品，通过同学之间的交流，在比较和反思中取长补短，能够得到更全面的提高。

●反思总结

本节课基于计算思维的理念，重点围绕Arduino开源硬件和光敏传感器的学习应用，将学生领进“智能设计”的世界，在虚拟与现实之间架设桥梁，体验、了解一种新的交互方式——智能控制。

关注信息处理，交互更合理。在光敏传感器实验环节，为了能更好地引导发现规律，笔者设计活动记录单等数据输入支架，以表格式替换了文本式，加上数轴，便于学生分析理解中间值。

调试修改程序，交互更自然。在学习过程中，开源硬件出现数据异常或运行异常，可能是软件配置的问题，也可能是硬件兼容性产生的问题，此时需要发挥勇于探索的精神，教师不能草率否定学生的无效探究，也不能强求学生调试的方式、路径与预设的一致。

创设实践环境，交互更丰富。基于开源硬件的创意编程，主控板还包括掌控板、树莓派等，传感器还包括声音、温度、陀螺仪、红外、灰度等。可结合学生的年龄特点和学习需求，倡导应用计算参与的策略来设计学习活动，提供多种实践环境和开源硬件器材设备，实现更丰富的互动，实现学习创意编程的目标。