創意編程語言——Processing：聲控音量管理程序

張寧 北京市朝陽區清森學校

●Processing簡要介紹

Processing是一個FLOSS項目（免費/自由/開源軟件），可以免費下載，甚至根據需要修改源代碼以滿足個性化的需要。它是在Java基礎上進一步開發的語言，這兩種語言的語法幾乎相同，但Processing又添加了一些與可視圖形和交互相關的自定義功能，其中與圖形相關的功能是繼承了PostScript（PDF的基礎）和OpenGL（一個3D圖形規范）。

●歷史發展

MIT 媒體實驗室在可視化編程和創意編程領域具有舉足輕重的作用。1967年，西蒙·帕佩特（Seymour Papert）等人開發了Logo編程語言，開啟了圖形化編程的歷史進程。通過簡單指令指揮小烏龜運動，生成幾何圖形和設計圖案，深受中小學生的喜愛。1990年，MIT媒體實驗室的約翰·馬爾德亞（John Maeda）教授發起了一個非常有影響力的編程教學試驗—Design BY Numbers，該項目通過簡潔易用的編程語言，把計算和編程介紹給視覺設計者和藝術家們。他和學生們設計和開發的一款軟件，致力于幫助設計者、藝術家和其他非編碼專業人員學習編程，雖然這款軟件隨著技術的發展，逐漸被遺忘，也不再被使用，但其影響深遠，后續很多相關項目都是在其基礎上生根發芽。其中比較成功的是凱西·瑞爾（Casey Reas）和本·弗萊Ben Fry發起創建的Processing語言。

●程序案例

筆者以可視化聲控課堂音量管理程序為例，進一步講解如何使用Processing實現可視化交互的設計和開發。

1.項目情境

營造安靜的學習環境是高效課堂的必要條件，同時對應《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》中“模塊1：數據與計算”的要求（如表1），用Processing開發一款聲控管理可視化程序，引導學生在短時間內達到課堂音量管理要求。通過Processing編程環境，可以讓學生動手實驗，調用相關的sound庫和方法，探究學習聲音的可視化過程。

表1

2.程序用戶界面

程序應用界面如圖1所示，窗口右邊為音量等級，顏色越淺，音量等級越低，教師可以根據教學活動的需求，選擇合適的音量等級。窗口下面黃色矩形為實時可視化的音量高低，代表音量等級的藍色方塊被觸發后，就會自動從右向左移動。

圖1 聲控音量管理程序界面

3.程序功能

輸入：通過調用sound庫，自動獲取電腦自帶麥克風輸入音量。通過鼠標懸浮在音量等級上面觸發方塊運動。

輸出：通過條形圖的高度可視化顯示音量大小。當右側小方塊連續完成5次成功移動后，就會在屏幕左側顯示笑臉，以慶祝學生們完成了課堂音量要求。

處理：代表音量等級的小方塊被觸發后（鼠標放在小方塊上方，每次僅觸發一個方塊），就會自動從右向左移動。當沒有噪音干擾時，會完成一次成功移動，同時左邊的圓臉會變大。當有噪音干擾，并且超過了選取的音量等級時，小方塊就會重新回到起始位置，重新開始移動，同時成功移動次數也會被清零。

4.程序代碼解析

Processing程序中的void setup（）方法僅運行一次，目的是完成程序變量初始化。void draw（）方法會一直循環執行里面的方法。筆者根據程序功能，把程序拆分為三個模塊，分別為周圍環境音量可視化、音量等級方塊和繪制笑臉。

（1）周圍環境音量的實時可視化

首先需要通過調用processing.sound庫里面的方法，來獲取電腦麥克風的輸入，并通過analyze方法轉化為0～1.0的音量范圍。然后，應用內置的Map方法，把音量大小映射為矩形的高度，進而可以通過繪制矩形，實時獲得音量高低的可視化展示。關鍵程序片段如上頁表2所示，完整程序見文末鏈接。

表2

（2）音量等級方塊

用5個方塊來可視化5個音量等級。考慮到后續對每個音量等級的操作，為了使程序簡潔和易于維護，可以定義一個SoundLevelButton類，細化完成相應的類屬性和方法。其中，overRect方法來判定鼠標選定的是哪個音量等級；move方法在選定音量方塊觸發后，并且在成功移動完成次數小于5時，保持自右向左的移動。具體如表3所示。

表3

（3）笑臉生成

要使代碼結構清晰，可以把笑臉生成單獨封裝為一個方法模塊，這樣也方便后續維護及代碼再次利用。如圖2所示代碼，形式參數x和y控制笑臉的大小，count獲取連續成功搬運的次數，當次數超過5次時，會繪制笑臉，表示聲音音量滿足教學要求。

圖2

●對中小學編程教學的意義

Processing作為一款最初面向藝術家和設計人員的編程語言，先天繼承了可視化編程和創意編程的基因?？梢暬瘜崟r反饋，降低了學習編程的門檻，提高了在給定技能水平下完成任務的趣味性和復雜性。實時可視化反饋和反復調試，促使學生自我思考的過程成為可能，提升了元認知能力水平。程序運行一旦成功會讓學生充滿成就感，使學生獲得學習動力，而如果運行失敗則會訓練學生解決問題的能力，通過把問題拆分為易于解決的小問題，反復測試，進而解決問題。這個過程也培養了學生的耐心和韌性。（本文所有代碼參見網址：https://gitee.com/edumaker/china-informationtechnology）