《電子骰子2.0》教學(xué)設(shè)計與反思

張祿

教材分析

本節(jié)課是河北教育出版社出版的《Arduino機(jī)器人設(shè)計與制作》第二單元“電子骰子”第二課的內(nèi)容。在第一課中，學(xué)生嘗試制作了“電子骰子1.0”，該作品利用Arduino控制數(shù)碼管實現(xiàn)單個數(shù)字的隨機(jī)顯示，但由于偽隨機(jī)函數(shù)的原因，在數(shù)碼管閃爍固定次數(shù)（如10次）后，顯示的最終數(shù)字會是一個固定值。與1.0版本相比，“電子骰子2.0”更具有交互性、趣味性和實用性，本節(jié)課主要涉及數(shù)碼管和震動傳感器兩個新的元器件的使用。其中，數(shù)碼管是對第一單元的進(jìn)一步深化（第一單元只涉及單個LED或多個LED的簡單組合，本單元涉及的數(shù)碼管本質(zhì)上是多個LED集成在一起的元器件），而傳感器的引入也是第一次，這將為后繼單元的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。本節(jié)課涉及到的主要知識點有數(shù)碼管、選擇結(jié)構(gòu)、隨機(jī)數(shù)、震動傳感器、數(shù)字輸入、子程序等，其中數(shù)碼管、選擇結(jié)構(gòu)、隨機(jī)數(shù)都是上節(jié)課學(xué)過的，震動傳感器、數(shù)字輸入、子程序是新的知識點。

學(xué)情分析

本節(jié)課的授課對象是高一選修課學(xué)生（共40人選修），他們已經(jīng)較熟練地掌握了Arduino中LED的控制，基本掌握了共陰極數(shù)碼管的使用方法，能夠使用數(shù)碼管隨機(jī)顯示數(shù)字。學(xué)生能夠制作出“電子骰子1.0”版本，但由于1.0版本較為簡單，并在交互性、趣味性和實用性方面有所欠缺，因此，學(xué)生對于改進(jìn)電子骰子有著迫切的需求。

教學(xué)目標(biāo)

知識與技能目標(biāo)：了解數(shù)字輸入的概念，掌握數(shù)字震動傳感器的使用方法；掌握子程序的聲明與調(diào)用方法。

過程與方法目標(biāo)：在改進(jìn)電子骰子的過程中，感受從簡單到復(fù)雜的迭代過程；在使用子程序時，理解增加主程序可讀性的簡便方法。

情感態(tài)度與價值觀目標(biāo)：在制作電子骰子的過程中，感受智能產(chǎn)品為生活帶來的樂趣；在改進(jìn)電子骰子的過程中，培養(yǎng)精益求精的工匠精神。

教學(xué)重點、難點

重點：震動傳感器的使用方法，子程序的使用方法。

難點：如何在震動傳感器檢測到震動時獲取一個隨機(jī)數(shù)。

教學(xué)環(huán)境及資源設(shè)備

計算機(jī)教室、Arduino控制板、數(shù)碼管、震動傳感器、ArduBlock軟件。

教學(xué)過程

本節(jié)課劃分了“發(fā)現(xiàn)問題，引入新課（5分鐘）”“分析任務(wù)，明確方案（5分鐘）”“自主學(xué)習(xí)，小試牛刀（8分鐘）”“攻克難點，初達(dá)目標(biāo)（12分鐘）”“優(yōu)化程序，完善作品（7分鐘）”“成果檢驗，課堂總結(jié)（3分鐘）”六個環(huán)節(jié)。

1.發(fā)現(xiàn)問題，引入新課

師：這節(jié)課，讓我們一起來分析一下上節(jié)課的作品——電子骰子1.0的缺點。

學(xué)生通過討論，得出電子骰子1.0的主要缺點：沒有模擬出“擲”的動作，作品缺乏交互性；每次顯示的數(shù)字都是一樣的。

師：這節(jié)課我們就針對這些缺點，在“電子骰子1.0”版本的基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善，制作出更好玩的電子骰子，暫且稱它為2.0版本。（教師出示課題——電子骰子2.0）

設(shè)計意圖：通過分析上節(jié)課的作品——電子骰子1.0的缺點，引出本節(jié)課的主要任務(wù)——制作“電子骰子2.0”。

2.分析任務(wù)，明確方案

師：要解決“電子骰子1.0”的兩個主要缺點：一是要使作品能夠“發(fā)現(xiàn)”擲骰子的動作，二是解決隨機(jī)顯示數(shù)字的問題。第一個問題，需要引入震動傳感器檢測“擲”的動作，從而觸發(fā)電子骰子的數(shù)字顯示功能；第二個問題，計算機(jī)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)是由隨機(jī)數(shù)種子決定的，因此“電子骰子1.0”每次顯示一樣的數(shù)字也是由這個偽隨機(jī)數(shù)引起的。那么，我們?nèi)绾谓鉀Q這些問題呢？請大家仔細(xì)觀察老師手里的電子骰子（如圖1），嘗試找出制作“電子骰子2.0”的關(guān)鍵步驟。

教師引導(dǎo)學(xué)生找出關(guān)鍵步驟：一是“擲”的動作，即讓電子骰子檢測到其是否搖晃過（可通過震動傳感器檢測）；二是隨機(jī)顯示，即如果檢測到搖晃，數(shù)碼管要隨機(jī)顯示一個數(shù)字。根據(jù)這一基本思路，學(xué)生小組合作完成電子骰子2.0的設(shè)計方案（如下表）。

設(shè)計意圖：通過分析“電子骰子1.0”的缺點、觀察“電子骰子2.0”實物，引導(dǎo)學(xué)生找出制作“電子骰子2.0”的關(guān)鍵步驟，明確改進(jìn)方案。

3.自主學(xué)習(xí)，小試牛刀

師：根據(jù)上述分析，我們可以把“電子骰子2.0”的實現(xiàn)過程分為兩個部分：任務(wù)一解決“擲”動作的檢測，任務(wù)二實現(xiàn)數(shù)字的隨機(jī)顯示。請各小組同學(xué)充分閱讀“電子骰子2.0”的學(xué)習(xí)資料，自主學(xué)習(xí)“擲”動作的相關(guān)知識（震動傳感器、數(shù)字輸入），并完成任務(wù)一（如果震動傳感器震動，數(shù)碼管顯示5，否則顯示2）。

學(xué)生小組合作，自主學(xué)習(xí)，完成任務(wù)一。

教師需提醒學(xué)生自主學(xué)習(xí)時應(yīng)注意兩個核心概念：什么是傳感器，什么是數(shù)字輸入。

設(shè)計意圖：通過提供學(xué)習(xí)資料向?qū)W生呈現(xiàn)本節(jié)課的學(xué)習(xí)重點，通過搭建“腳手架”幫助學(xué)生解決“擲”動作的任務(wù)（即任務(wù)一）。

4.攻克難點，初達(dá)目標(biāo)

師：通過對學(xué)習(xí)資料的自主學(xué)習(xí)，相信每個小組都能夠輕松完成“擲”的動作了。那么，擲完電子骰子后的隨機(jī)顯示功能如何實現(xiàn)呢？實際上就是用震動傳感器的震動來觸發(fā)隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生（如下頁圖2）。

學(xué)生在1.0版本程序的基礎(chǔ)上修改，完成隨機(jī)顯示程序（如下頁圖2，僅做選框中的修改即可），即弱化版的電子骰子2.0版本（只能顯示1、2、3）。

設(shè)計意圖：通過引導(dǎo)學(xué)生在“電子骰子1.0”基礎(chǔ)上對半成品進(jìn)行加工，以解決難點問題。

5.優(yōu)化程序，完善作品

師：請大家思考一下，如果要隨機(jī)顯示1～6，程序會變得怎樣？

學(xué)生發(fā)現(xiàn)程序會變得很長。

師：其實，我們可以通過使用子程序來簡化程序，請對比“電子骰子1.0”程序的兩種不同寫法（如下頁圖3），其中，主程序較為簡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？請大家自主學(xué)習(xí)子程序部分的學(xué)習(xí)資料。endprint

學(xué)生自主學(xué)習(xí)子程序部分的學(xué)習(xí)資料，并通過小組合作，在上述程序基礎(chǔ)上完成任務(wù)二（電子骰子2.0的制作）。

設(shè)計意圖：引入子程序，希望學(xué)生了解子程序可以使主程序更具可讀性，更簡單，更易修改和維護(hù)，感受結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計思想。

6.成果檢驗，課堂總結(jié)

師：請一位同學(xué)展示一下“電子骰子2.0”的完整程序。

學(xué)生展示程序，教師再次強調(diào)子程序的使用。

師：本節(jié)課，我們學(xué)習(xí)了震動傳感器、數(shù)字輸入、子程序等知識，完成了電子骰子從1.0版本向2.0版本的改進(jìn)，使其互動性更好，更具有可玩性。事實上，在設(shè)計和制作某一件產(chǎn)品時，都需要經(jīng)歷從簡單到復(fù)雜、從模型制作到產(chǎn)品生產(chǎn)這樣一個不斷迭代的過程，這要求我們在做任何事的時候都要追求精益求精的工匠精神。

設(shè)計意圖：通過展示交流，能了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，進(jìn)一步修正學(xué)生可能產(chǎn)生的錯誤，鞏固新掌握的知識。

教學(xué)反思

本課旨在通過制作“電子骰子2.0”，使學(xué)生掌握Arduino的一些基礎(chǔ)知識，包括震動傳感器與子程序的基本使用方法，了解Arduino的數(shù)字輸入，為后繼學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。從學(xué)生的課堂反應(yīng)來看，學(xué)生基本上能夠掌握新的知識點；從任務(wù)完成情況來看，絕大多數(shù)學(xué)生都能完成規(guī)定任務(wù)。通過本課的學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅學(xué)到了Arduino機(jī)器人的基礎(chǔ)知識，提高了動手能力、團(tuán)隊合作能力、自主學(xué)習(xí)能力，而且在制作Arduino機(jī)器人創(chuàng)意作品時，有了更明確的思考方向。

在大班教學(xué)中，在知識容量較大時，保證教學(xué)進(jìn)度是本節(jié)課需要探討的一個方向，但在自主學(xué)習(xí)中，如何合理地組織小組合作、適時地關(guān)注到真正需要幫助的學(xué)生，是本課需要改進(jìn)的地方。

點 評

“電子骰子2.0”是1.0的升級版，較之更加復(fù)雜，新增了如數(shù)字輸入、震動傳感器、子程序等多種軟硬件知識，內(nèi)容有一定的難度，對教師來說具有一定的挑戰(zhàn)性。但經(jīng)過作者的精心設(shè)計，不僅教學(xué)過程如行云流水般通暢，而且教學(xué)難度大大降低了。具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

第一，問題貫穿整個教學(xué)過程。作者在教學(xué)中并沒有將要做的作品及要學(xué)的知識直接填塞給學(xué)生，而是通過一個個的問題引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)當(dāng)前階段作品的不足，再去嘗試解決問題。例如，通過發(fā)現(xiàn)并分析“電子骰子1.0”存在的缺點引入該節(jié)課的任務(wù)；通過提出偽隨機(jī)數(shù)難以解決隨機(jī)顯示數(shù)字的問題，引出可以通過硬件（震動傳感器）來解決問題；通過提出隨機(jī)顯示數(shù)字1～6的想法，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)程序變得冗長的問題，引出子程序的使用……

第二，轉(zhuǎn)變了學(xué)生的學(xué)習(xí)方式。在教學(xué)中的環(huán)節(jié)三與環(huán)節(jié)五，作者通過提供學(xué)習(xí)資料讓學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)，并利用任務(wù)一和任務(wù)二進(jìn)行驅(qū)動，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，鞏固學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，使學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體，而教師則主要起主導(dǎo)作用。

第三，利用腳手架解決重難點。無論是自主學(xué)習(xí)階段提供學(xué)習(xí)資料，還是引導(dǎo)學(xué)生在“電子骰子1.0”的基礎(chǔ)上對半成品進(jìn)行加工，作者在解決重難點時都巧妙地利用了“腳手架”，并沒有直接生硬地講授。

另外，在教學(xué)過程中，作者不僅關(guān)注到學(xué)生對Arduino基礎(chǔ)知識與基本技能的掌握，還通過“電子骰子1.0”到2.0的改進(jìn)過程鼓勵學(xué)生，做產(chǎn)品要不斷迭代，做事情要追求精益求精的工匠精神，很好地完成了本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)。endprint