《電子骰子2.0》教學設計與反思

張祿

教材分析

本節課是河北教育出版社出版的《Arduino機器人設計與制作》第二單元“電子骰子”第二課的內容。在第一課中，學生嘗試制作了“電子骰子1.0”，該作品利用Arduino控制數碼管實現單個數字的隨機顯示，但由于偽隨機函數的原因，在數碼管閃爍固定次數（如10次）后，顯示的最終數字會是一個固定值。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，本節課主要涉及數碼管和震動傳感器兩個新的元器件的使用。其中，數碼管是對第一單元的進一步深化（第一單元只涉及單個LED或多個LED的簡單組合，本單元涉及的數碼管本質上是多個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習奠定基礎。本節課涉及到的主要知識點有數碼管、選擇結構、隨機數、震動傳感器、數字輸入、子程序等，其中數碼管、選擇結構、隨機數都是上節課學過的，震動傳感器、數字輸入、子程序是新的知識點。

學情分析

本節課的授課對象是高一選修課學生（共40人選修），他們已經較熟練地掌握了Arduino中LED的控制，基本掌握了共陰極數碼管的使用方法，能夠使用數碼管隨機顯示數字。學生能夠制作出“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，學生對于改進電子骰子有著迫切的需求。

教學目標

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

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

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

教學重點、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數。

教學環境及資源設備

計算機教室、Arduino控制板、數碼管、震動傳感器、ArduBlock軟件。

教學過程

本節課劃分了“發現問題，引入新課（5分鐘）”“分析任務，明確方案（5分鐘）”“自主學習，小試牛刀（8分鐘）”“攻克難點，初達目標（12分鐘）”“優化程序，完善作品（7分鐘）”“成果檢驗，課堂總結（3分鐘）”六個環節。

1.發現問題，引入新課

師：這節課，讓我們一起來分析一下上節課的作品——電子骰子1.0的缺點。

學生通過討論，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；每次顯示的數字都是一樣的。

師：這節課我們就針對這些缺點，在“電子骰子1.0”版本的基礎上進一步完善，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）

設計意圖：通過分析上節課的作品——電子骰子1.0的缺點，引出本節課的主要任務——制作“電子骰子2.0”。

2.分析任務，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“發現”擲骰子的動作，二是解決隨機顯示數字的問題。第一個問題，需要引入震動傳感器檢測“擲”的動作，從而觸發電子骰子的數字顯示功能；第二個問題，計算機產生的隨機數是由隨機數種子決定的，因此“電子骰子1.0”每次顯示一樣的數字也是由這個偽隨機數引起的。那么，我們如何解決這些問題呢？請大家仔細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”的關鍵步驟。

教師引導學生找出關鍵步驟：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）；二是隨機顯示，即如果檢測到搖晃，數碼管要隨機顯示一個數字。根據這一基本思路，學生小組合作完成電子骰子2.0的設計方案（如下表）。

設計意圖：通過分析“電子骰子1.0”的缺點、觀察“電子骰子2.0”實物，引導學生找出制作“電子骰子2.0”的關鍵步驟，明確改進方案。

3.自主學習，小試牛刀

師：根據上述分析，我們可以把“電子骰子2.0”的實現過程分為兩個部分：任務一解決“擲”動作的檢測，任務二實現數字的隨機顯示。請各小組同學充分閱讀“電子骰子2.0”的學習資料，自主學習“擲”動作的相關知識（震動傳感器、數字輸入），并完成任務一（如果震動傳感器震動，數碼管顯示5，否則顯示2）。

學生小組合作，自主學習，完成任務一。

教師需提醒學生自主學習時應注意兩個核心概念：什么是傳感器，什么是數字輸入。

設計意圖：通過提供學習資料向學生呈現本節課的學習重點，通過搭建“腳手架”幫助學生解決“擲”動作的任務（即任務一）。

4.攻克難點，初達目標

師：通過對學習資料的自主學習，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顯示功能如何實現呢？實際上就是用震動傳感器的震動來觸發隨機數的產生（如下頁圖2）。

學生在1.0版本程序的基礎上修改，完成隨機顯示程序（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）。

設計意圖：通過引導學生在“電子骰子1.0”基礎上對半成品進行加工，以解決難點問題。

5.優化程序，完善作品

師：請大家思考一下，如果要隨機顯示1～6，程序會變得怎樣？

學生發現程序會變得很長。

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？請大家自主學習子程序部分的學習資料。endprint

學生自主學習子程序部分的學習資料，并通過小組合作，在上述程序基礎上完成任務二（電子骰子2.0的制作）。

設計意圖：引入子程序，希望學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，感受結構化程序設計思想。

6.成果檢驗，課堂總結

師：請一位同學展示一下“電子骰子2.0”的完整程序。

學生展示程序，教師再次強調子程序的使用。

師：本節課，我們學習了震動傳感器、數字輸入、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，使其互動性更好，更具有可玩性。事實上，在設計和制作某一件產品時，都需要經歷從簡單到復雜、從模型制作到產品生產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。

設計意圖：通過展示交流，能了解學生的學習情況，進一步修正學生可能產生的錯誤，鞏固新掌握的知識。

教學反思

本課旨在通過制作“電子骰子2.0”，使學生掌握Arduino的一些基礎知識，包括震動傳感器與子程序的基本使用方法，了解Arduino的數字輸入，為后繼學習打好基礎。從學生的課堂反應來看，學生基本上能夠掌握新的知識點；從任務完成情況來看，絕大多數學生都能完成規定任務。通過本課的學習，學生不僅學到了Arduino機器人的基礎知識，提高了動手能力、團隊合作能力、自主學習能力，而且在制作Arduino機器人創意作品時，有了更明確的思考方向。

在大班教學中，在知識容量較大時，保證教學進度是本節課需要探討的一個方向，但在自主學習中，如何合理地組織小組合作、適時地關注到真正需要幫助的學生，是本課需要改進的地方。

點 評

“電子骰子2.0”是1.0的升級版，較之更加復雜，新增了如數字輸入、震動傳感器、子程序等多種軟硬件知識，內容有一定的難度，對教師來說具有一定的挑戰性。但經過作者的精心設計，不僅教學過程如行云流水般通暢，而且教學難度大大降低了。具體體現在以下幾個方面：

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

第二，轉變了學生的學習方式。在教學中的環節三與環節五，作者通過提供學習資料讓學生進行自主學習、合作學習，并利用任務一和任務二進行驅動，激發學生的學習動力，鞏固學生的學習成果，使學生成為學習的主體，而教師則主要起主導作用。

第三，利用腳手架解決重難點。無論是自主學習階段提供學習資料，還是引導學生在“電子骰子1.0”的基礎上對半成品進行加工，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，在教學過程中，作者不僅關注到學生對Arduino基礎知識與基本技能的掌握，還通過“電子骰子1.0”到2.0的改進過程鼓勵學生，做產品要不斷迭代，做事情要追求精益求精的工匠精神，很好地完成了本節課的教學目標。endprint