《多功能聲控?zé)簟方虒W(xué)設(shè)計(jì)

潘冬云

● 教材與學(xué)生情況分析

《多功能聲控?zé)簟芬徽n是初中信息技術(shù)教材粵教版七年級(jí)下第二章第4節(jié)的內(nèi)容，是智能機(jī)器設(shè)計(jì)制作的發(fā)展階段，經(jīng)過前幾節(jié)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生已對(duì)智能機(jī)器的組成、編程、仿真有了一定的了解，可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的機(jī)器人程序設(shè)計(jì)。教材配套的諾寶機(jī)器人套件多數(shù)學(xué)校沒有配齊，學(xué)生只能進(jìn)行仿真測(cè)試，無法真實(shí)體驗(yàn)智能硬件效果，諾寶RC軟件雖具多個(gè)傳感器模塊，但在運(yùn)算、邏輯控制、變量處理方面還有較多功能欠缺，無法實(shí)現(xiàn)更多復(fù)雜功能。很多初一學(xué)生剛開始接觸智能機(jī)器設(shè)計(jì)，對(duì)智能設(shè)備很有興趣，但僅靠教材的內(nèi)容和仿真實(shí)驗(yàn)無法給學(xué)生留下深刻印象，時(shí)間一長(zhǎng)便失去學(xué)習(xí)興趣。因此，筆者結(jié)合教材內(nèi)容，引入了開源硬件Micro：bit，結(jié)合圖形化編程軟件Mind+，對(duì)本節(jié)的內(nèi)容進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，除讓學(xué)生學(xué)習(xí)原有的變量、直到型循環(huán)、防抖處理等知識(shí)外，還引入了模擬傳感器、變量處理、創(chuàng)意設(shè)計(jì)等內(nèi)容，通過軟硬件結(jié)合的方式，模擬真實(shí)情景，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

● 教學(xué)目標(biāo)

①了解智能機(jī)器程序設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。②通過編寫多功能聲控?zé)舫绦颍懧晻r(shí)LED燈亮，再響時(shí)燈滅，理解變量的引入和作用。③了解軟件防抖的處理方式，學(xué)習(xí)直到型循環(huán)在智能機(jī)器程序設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。④體驗(yàn)交互式智能機(jī)器程序設(shè)計(jì)和調(diào)試的一般過程。⑤激發(fā)對(duì)智能技術(shù)的興趣，啟發(fā)創(chuàng)意思維。

● 教學(xué)重難點(diǎn)

重點(diǎn)：變量的引入及在智能機(jī)器程序設(shè)計(jì)中的作用。

難點(diǎn)：使用聲控開關(guān)燈時(shí)產(chǎn)生抖動(dòng)（閃爍）的原因及軟件防抖處理方法。

● 教學(xué)流程

1.復(fù)習(xí)舊知，引入新課

師：上節(jié)課我們學(xué)習(xí)了樓道感應(yīng)燈，同學(xué)們很好地完成了課后作業(yè)，分別用多分支條件語句和復(fù)合型條件語句制作樓道感應(yīng)燈，上傳了程序截圖和仿真視頻，還有的同學(xué)做出了感應(yīng)風(fēng)扇，值得表揚(yáng)。本節(jié)課，我們不用光線傳感器，只用聲音傳感器，制作聲控?zé)簦曇繇憰r(shí)燈亮，再次響聲時(shí)燈滅，請(qǐng)同學(xué)們觀看演示視頻，想想這個(gè)聲控?zé)羧绾螌?shí)現(xiàn)？（出示課題：多功能聲控?zé)簦?/p>

設(shè)計(jì)意圖：復(fù)習(xí)上節(jié)內(nèi)容為新知學(xué)習(xí)做準(zhǔn)備，展示優(yōu)秀作業(yè)，鼓勵(lì)學(xué)生課后自學(xué)，出示任務(wù)視頻，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

2.教學(xué)新課

（1）選材說明

師：老師選用的實(shí)驗(yàn)器材都是大家最容易找到的，用計(jì)算機(jī)自帶拾音器代替聲音傳感器模塊，用Micro：bit LED燈組及軟件舞臺(tái)畫面實(shí)現(xiàn)燈光效果。

設(shè)計(jì)意圖：用開源硬件代替諾寶RC，讓盡量多的學(xué)生體驗(yàn)真實(shí)的智能機(jī)器設(shè)計(jì)和制作。需要利用網(wǎng)課平臺(tái)提前為學(xué)生布置預(yù)備任務(wù)，觀看微視頻了解Mind+安裝和Micro：bit連接。

（2）任務(wù)分析

①變量。

師：決定開關(guān)燈的因素有哪些？

生：聲音。

師：聲音可決定開燈，也可以決定關(guān)燈，因此，僅有聲音還不能完成本節(jié)任務(wù)，還需要看什么因素？

生：聽到聲音時(shí)燈是開的還是關(guān)的。

師：對(duì)，還要看燈原來的狀態(tài)，那么由誰來記錄燈原來的狀態(tài)呢？

生：計(jì)算機(jī)。

師：計(jì)算機(jī)中又是用什么來記錄狀態(tài)？

生：……

師：用變量，變量是程序設(shè)計(jì)中非常重要的要素，相當(dāng)于數(shù)據(jù)盒子、數(shù)據(jù)抽屜，用來保存程序運(yùn)行中的數(shù)據(jù)，如輸入信息、得分、成績(jī)、坐標(biāo)等。變量要取有意義的名字，初學(xué)者可以用中文，為本節(jié)中需要用的變量取個(gè)名。另外，還可以引入“響聲次數(shù)”，一是方便調(diào)試程序，二是響聲計(jì)數(shù)和狀態(tài)變量之間也有內(nèi)在關(guān)系。

設(shè)計(jì)意圖：用提問引導(dǎo)的方式講解本課需用到的知識(shí)。

②流程設(shè)計(jì)。

教師活動(dòng)：展示主流程，分析循環(huán)體內(nèi)的處理過程，要求學(xué)生在學(xué)案上繪制循環(huán)體內(nèi)程序處理過程，課堂巡視，并展示學(xué)生繪制的流程圖。

學(xué)生活動(dòng)：在學(xué)案上畫流程圖。學(xué)生代表上臺(tái)繪制流程圖，然后對(duì)設(shè)計(jì)流程和流程圖規(guī)范做講解。

設(shè)計(jì)意圖：強(qiáng)調(diào)在設(shè)計(jì)前繪制流程圖，培養(yǎng)學(xué)生程序設(shè)計(jì)的思維習(xí)慣。

③檢測(cè)聲音方法說明。

教師活動(dòng)：明確Mind+內(nèi)置監(jiān)測(cè)模塊“響度”可顯示計(jì)算機(jī)拾音器采集的音量大小，可用于聲音檢測(cè)，播放響度調(diào)用視頻，聲音檢測(cè)使用“響度>（ ）語句”，同時(shí)提醒學(xué)生觀察記錄拍手后響度的大小。

（3）任務(wù)一：在Mind+打開“聲控?zé)?0.sb3”文件，設(shè)計(jì)響聲時(shí)房間燈亮、再次響聲時(shí)房間燈滅的程序，依據(jù)流程圖編寫聲控?zé)舫绦颍ㄈ鐖D1）

①學(xué)生編寫程序，教師巡查。

②教師及時(shí)提示學(xué)生在編程中出現(xiàn)的常見問題。

③效果測(cè)試。

師：編好程序后做響聲測(cè)試，在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)什么問題？

生：一次拍手后舞臺(tái)背景閃爍，響聲計(jì)數(shù)一次增加多位，響聲結(jié)束后燈的狀態(tài)不確定。

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生試錯(cuò)，發(fā)現(xiàn)實(shí)際問題，思考解決方法。

（4）聲控開關(guān)抖動(dòng)問題及處理

提問：為什么一次響聲后，舞臺(tái)背景閃爍，響聲計(jì)數(shù)一次增加多位，聲音消失后燈光狀態(tài)不確定？

設(shè)計(jì)意圖：對(duì)初學(xué)者來說，沒有設(shè)計(jì)硬件開關(guān)程序的經(jīng)驗(yàn)，此問題需要教師進(jìn)行詳細(xì)分析。

分析：視頻播放一次拍手的響度時(shí)間圖，指出一次拍手過程響聲有一定時(shí)長(zhǎng)，大于設(shè)定的響度值的聲音也有一定時(shí)長(zhǎng)，在這段時(shí)間內(nèi)， 循環(huán)體執(zhí)行了多少次呢？

教師活動(dòng)：在流程圖上作圖，解釋在這段時(shí)間內(nèi)開關(guān)燈動(dòng)作執(zhí)行了多次的過程。

學(xué)生活動(dòng)：理解造成一次響聲多次執(zhí)行開關(guān)燈動(dòng)作的原因。

師：如何解決一次拍手引起多次開關(guān)燈動(dòng)作的問題？（引導(dǎo)回答：每次開燈/關(guān)燈動(dòng)作后，要等待一段時(shí)間，等聲音“完全消失”才進(jìn)行下一次開關(guān)燈的聲音檢測(cè)）

學(xué)生上臺(tái)演示，給出等待（延時(shí)）模塊放入位置。

設(shè)計(jì)意圖：重點(diǎn)幫助學(xué)生理解通過在適當(dāng)位置加入等待模塊，可消除開關(guān)過程中的抖動(dòng)現(xiàn)象。

（5）任務(wù)二：改進(jìn)程序，設(shè)計(jì)更穩(wěn)定的聲控?zé)?/p>

①通過剛才的分析可知，可以在開關(guān)燈動(dòng)作后加入延時(shí)來處理開燈過程中的抖動(dòng)現(xiàn)象，但有時(shí)響聲過長(zhǎng)，不知道設(shè)延時(shí)時(shí)音多長(zhǎng)該如何處理？提示：有沒有辦法做個(gè)等待，聲音高時(shí)一直停在原地等待，直到聲音變小才退出等待？引入直到型循環(huán)的處理過程：重復(fù)檢測(cè)響度值，直到響度小于設(shè)定的“聲音消失”時(shí)響度值。

②參考程序如圖2所示。（將等待聲音消失的直到型循環(huán)加入原程序）

設(shè)計(jì)意圖：用直到型循環(huán)代替普通等待模塊，可以適應(yīng)不同長(zhǎng)度的響聲情況，這是本節(jié)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

③師：測(cè)試程序，制造一些聲音，不管聲音長(zhǎng)短，舞臺(tái)燈光都可以在聲音的控制下穩(wěn)定地開關(guān)了嗎？如果可以，說明你的程序設(shè)計(jì)已經(jīng)達(dá)到任務(wù)要求，較好地消除了聲音開關(guān)抖動(dòng)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了軟件防抖。

④接下來，可在程序中加入硬件模塊（Micro：bit），通過響聲同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件燈光控制（如圖3）。

設(shè)計(jì)意圖：在軟件成功的基礎(chǔ)上，加入硬件模塊，可以降低程序調(diào)試的難度，方便找出問題。

⑤學(xué)生在程序中加入Micro：bit圖案顯示，測(cè)試真實(shí)場(chǎng)景下響聲開關(guān)效果。

⑥教師巡查展示學(xué)生作品，同時(shí)提示：現(xiàn)在同學(xué)們已做出具有兩種功能的聲控?zé)?，還可以繼續(xù)設(shè)計(jì)，做出更多效果、更多功能的聲控?zé)?，如顏色、亮度等效果變化等。有興趣的同學(xué)可以繼續(xù)嘗試。

設(shè)計(jì)意圖：鼓勵(lì)學(xué)有余力的學(xué)生進(jìn)行擴(kuò)展和創(chuàng)作，基礎(chǔ)一般的學(xué)生完成兩種狀態(tài)切換的聲控?zé)艏纯伞?/p>

3.課堂總結(jié)

這節(jié)課學(xué)習(xí)了只用聲音傳感器實(shí)現(xiàn)多種燈光功能控制，在這個(gè)過程中，狀態(tài)變量的引入起了關(guān)鍵作用，根據(jù)狀態(tài)變量的不同值，可設(shè)計(jì)出不同燈光效果。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，聲控?zé)粼陂_關(guān)燈時(shí)會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，這是由于聲音和機(jī)器的特點(diǎn)造成的（在其他類型的開關(guān)上也存在這個(gè)問題，如按鈕），但可以通過軟件防抖技巧來處理，使用直到型循環(huán)就是一種常見的消抖方法。

4.課后任務(wù)

①在家完成一個(gè)多功能聲控?zé)舫绦?，上傳測(cè)試視頻。

②思考響聲次數(shù)的狀態(tài)變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，進(jìn)一步優(yōu)化程序。

③可以采購(gòu)硬件，利用簡(jiǎn)單事物，做出創(chuàng)意作品。

● 教學(xué)反思

本課作為一節(jié)信息技術(shù)研討課，旨在研究和探討如何使用身邊的軟件和器材更新教材內(nèi)容，上好智能機(jī)器設(shè)計(jì)與制作課。學(xué)生經(jīng)歷了新冠疫情期間的網(wǎng)課學(xué)習(xí)，已具備一定的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)能力，所以筆者可以充分利用網(wǎng)課平臺(tái)繼續(xù)開展線上教學(xué)。因此，課前筆者準(zhǔn)備和制作了學(xué)習(xí)資料，通過雨課堂平臺(tái)下發(fā)任務(wù)，讓學(xué)生在家先進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，將學(xué)習(xí)延伸到課外。另外，在學(xué)習(xí)器材的選擇上，不局限于教材使用的軟硬件，引入了流行的開源硬件，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容對(duì)課堂內(nèi)容進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，既保留了原有的知識(shí)點(diǎn)，又能讓每個(gè)學(xué)生用實(shí)物進(jìn)行操作，體驗(yàn)真實(shí)效果，提升了學(xué)習(xí)興趣。課堂上重點(diǎn)講解智能設(shè)備工作特點(diǎn)、遇到問題的處理方法、軟硬件的編程調(diào)試，展示更多功能，擴(kuò)展程序思路，讓學(xué)生體會(huì)智能設(shè)備編程的魅力。在課堂上，使用了隨機(jī)點(diǎn)名、學(xué)案教學(xué)、繪制流程，交互白板操作、手機(jī)投屏、小組協(xié)作、共同測(cè)試等方式，活躍了教學(xué)氣氛，激發(fā)了學(xué)生興趣。經(jīng)課后反饋可知，很多學(xué)生完成了自己的創(chuàng)意設(shè)計(jì)，利用聲音或按鈕作為開關(guān)，實(shí)現(xiàn)多功能軟硬件控制。

本課需要完善的地方在于：教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)需要更加精簡(jiǎn)和連貫，注意內(nèi)容的取舍，不要面面俱到;語言表達(dá)還可以更精練;課堂時(shí)間的把控需要加強(qiáng)，應(yīng)花更多的時(shí)間來擴(kuò)展學(xué)生思路，指導(dǎo)學(xué)生編程和糾錯(cuò)。

點(diǎn)評(píng)

新冠疫情改變了信息技術(shù)課常在計(jì)算機(jī)室上課的模式，如何在新形勢(shì)下上好信息技術(shù)課？潘老師做了很好的示范：①錄微課，做翻轉(zhuǎn)。將本節(jié)課要學(xué)的知識(shí)點(diǎn)以微課的形式提前錄制下來，用線上平臺(tái)推送給學(xué)生，讓學(xué)生對(duì)新課的內(nèi)容有所準(zhǔn)備。②利用學(xué)案，任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)。目標(biāo)明確，環(huán)環(huán)相扣，層層推進(jìn)。③課堂上著重講解本節(jié)課的重難點(diǎn)，加深學(xué)生對(duì)重難點(diǎn)的理解。④實(shí)驗(yàn)操作與演示，利用現(xiàn)有器材，以2人小組為單位，讓每個(gè)學(xué)生都參與操作和實(shí)踐，在真實(shí)環(huán)境中發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。⑤利用教學(xué)平臺(tái)布置課后任務(wù)，教師線上批改加課堂點(diǎn)評(píng)，將學(xué)習(xí)延伸到課外，彌補(bǔ)信息課教學(xué)時(shí)間的不足，選拔優(yōu)秀的學(xué)生苗子。

在信息技術(shù)課上，如何調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性是一個(gè)需要關(guān)注的問題，教師可在上課前展示與本節(jié)課有關(guān)的小程序或者小活動(dòng)，以此來調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，讓他們對(duì)本節(jié)課的學(xué)習(xí)更感興趣。

（點(diǎn)評(píng)人：廣東省深圳市寶安區(qū)初中信息技術(shù)兼職教研員 李佳琦）