圖形化編程與炫彩多變的燈珠矩陣

林娟 林建斌

教學背景

當今時代，編程教育逐步走向低齡化，越來越多的青少年較早地與編程和人工智能相關產品深度接觸，這已經是科技發展所形成的不可阻擋的趨勢。而國家對編程教育的低齡化發展也愈加重視，中小學編程教育課程逐漸得到普及，信息技術（含編程）也開始被納入高考范圍。這些無不彰顯著編程教育在我國教育體系中的地位正穩步提高。

青少年學習編程，更多地需要基于興趣這個出發點。在枯燥的代碼書寫中掌握編程的理念與邏輯性，培養青少年的創新創造意識，并不是一件容易的事。針對這個問題，圖形化編程與開源硬件或許是個潛在的突破口。圖形化編程將密密麻麻的英文代碼轉化成一個個積木式的功能模塊，通過模塊的調用與模塊間的穿插組合實現各種代碼功能，使得編程的邏輯性變得顯然，而色彩豐富的界面也讓孩子眼中的編程更加有趣。開源硬件則將原本純軟式的編程轉變為軟硬結合的形式。孩子們在電腦上編寫的程序，都可以在相應的硬件中得到真實可感的呈現，讓編程過程真正成為一個創造性過程。從虛擬界面中的一行行代碼，映射到真實世界里一個個可操作的編程項目，孩子們能在動手創造的過程中體會到編程的樂趣與作用，從而大大提高他們對于編程學習的積極性。

教學主題

本節課基于圖形化編程與micro：bit開源硬件，以“炫彩多變的燈珠矩陣”為主題，引導學生在材料準備與組裝、模塊學習、項目設計與實施的過程中了解圖形化編程的邏輯原理，掌握燈珠控制模塊的使用，利用燈珠矩陣創作出自己的燈光作品。

教學實施

主題引入

每當夜幕降臨，城市的夜晚總是被炫目多彩的霓虹燈光點亮。一些建筑高樓的外墻上還會借助變換的燈光呈現出各種美麗的圖案。不同燈光的點亮和熄滅、各類燈光顏色的變幻，構成了每一座城市獨特的夜景。如何做到精確地控制這些燈光，這其中便是編程在發揮作用。而本節課所要學習的燈珠矩陣，就能夠通過模塊代碼控制各色燈珠的亮滅，創作出一個個精致的燈光項目。

燈珠矩陣（如圖1），顧名思義，就是由一個個可以通過編程控制點亮的燈珠整齊排列形成的方陣。而我們所要講的6×6燈珠矩陣，則是由6行6列，一共36個燈珠組成的方陣。方陣中，每一個燈珠的顏色都由3部分組成：紅色、綠色和藍色。沒錯，這是光的三原色。因為矩陣的每一個燈珠都能夠進行單獨編程精確控制，我們只需要通過調控這3種原色的配比，就可以讓每一個燈珠都能呈現出不同的顏色。36個燈珠的亮滅狀態與炫彩多變的光色結合起來，就可以做出十分豐富而有趣的作品。

材料準備、組裝與硬件測試

材料清單見表1。

材料組裝：將micro：bit下端插入主板的長插槽;將燈板驅動插入主板的插槽A或者插槽B;將6×6燈珠矩陣與燈板驅動相連接;在主板后方的電池槽中裝入電池（如圖2）。

硬件測試：組裝完成后，將主板左側電源開關撥至“on”，右側模塊開關撥至“test”，進行硬件測試。如果燈珠矩陣上的燈珠全部點亮，并不斷變換顏色，表明硬件運行正常。

聲明燈珠位置

組裝完micro：bit和燈珠矩陣，接下來要做的就是控制矩陣中的這些燈珠了。矩陣里有36個燈珠，我們要精確控制每一個燈珠的亮滅與顏色，就必須以某種方法聲明每一個燈珠的位置，也就是告訴計算機，我們現在要控制的是哪一個燈珠。那應該怎樣表達這些燈珠的位置呢？

像素位定位：從矩陣左上角的燈珠開始，按照先從左到右，后從上到下的順序給每一個燈珠編號。左上角的燈珠記為0號，往右依次是1號、2號、……一直到5號;從第2排開始就是6號、7號……以此類推，右下角最后一個燈珠是35號。這些編號，相當于就是每一個燈珠的名字，叫作像素位。按照以上規則完成編號后，我們只需聲明是第x號（x在0～35之間）燈珠，就能確定它的位置（如圖3）。

坐標定位：燈珠的位置還可以用“第幾列”“第幾排”這樣的描述確定。我們將矩陣中的每一列，按從左到右的順序依次標記為第0列、第1列……一直到第5列，一共是6列;再將矩陣中的每一排，按從上到下的順序依次標記為第0排、第1排……一直到第5排，一共是6排。這樣每一個燈珠，我們都能夠說出它所在的是第幾列、第幾排了。但是燈珠數量增多之后，這樣的描述顯然有些繁瑣，不如像素位定位法簡單。所以為了簡化這種描述，我們就將第x列、第y排的燈珠位置，記作（x，y），這就是燈珠的坐標。例如，我們只需聲明燈珠（3，0），別人就能知道我們所說的是第3列、第0排的燈珠（如圖4）。

燈珠的控制方法

解決了燈珠位置的確定問題，燈珠的控制就簡單了許多。在圖形化編程的DinoStick擴展包中的DxK模塊里，通過表2中的幾個功能模塊，就能夠控制燈珠矩陣了。

案例學習

有了以上幾個功能模塊，我們就可以開始控制燈珠做一些有趣的事情了，別看功能模塊不多，但能做到的事情可豐富了，下面我們用2個案例學習一下這些模塊的實際運用。

項目展示

教師挑選具有代表性的學生作品進行展示與評價，其余作品可由學生進行組內分享與討論。作品的挑選與評價可以參考如下幾個方面。

·案例要求的完成度：是否實現了案例描述的基本功能？

·個人創新程度：加入了哪些具有特色的變化？

·是否反映了編程過程中學生普遍存在的問題？

反思與總結

燈珠矩陣將圖形化的編程與炫彩燈光的呈現效果相結合，從生活中絢麗多彩的霓虹燈觸發，用簡潔的功能模塊，與各種不用的代碼邏輯相互碰撞，從而衍生出豐富的成果。五顏六色的實物作品既能讓學生學習到編程的邏輯性和思維模式，又能激發出他們的學習熱情與創新創想。而硬件的組裝與效果展示不僅鍛煉了學生的動手操作能力，更讓他們體會到編程的真實可感，并在展示作品的同時帶來自信心和成就感。這種軟硬結合、寓教于樂的教學模式無論是在提高學生的邏輯思維能力上，還是在為他們未來一步一步走向計算機前沿領域的道路鋪墊中，都是極具前景的方式。

在本節課的實踐當中，也存在一些值得思考與改進的地方。比如，在案例分析環節更多地由教師帶領，學生自主思考的時間較少;在案例的延伸優化與展示環節上，需要給學生更充足的時間進行案例的改進與展示，但課堂時間有限，可以考慮定期開設額外的展示課進行個人項目的展示。