圖形化編程的軟硬之路

2021年度福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目（科技類）課題：從軟件走向硬件的圖形化編程教學(xué)研究（JAT210692）研究成果

摘" "要：隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，編程教育正逐漸向低齡化和普及化邁進(jìn)，圖形化編程作為一種直觀、易學(xué)的編程方式，已在中小學(xué)編程入門教育和科技創(chuàng)新實(shí)踐中占據(jù)了重要地位。文章深入分析了圖形化編程軟件向硬件領(lǐng)域的擴(kuò)展，包括編程工具和開源設(shè)備的選擇與項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)，以及這些硬件如何與軟件相結(jié)合，為中小學(xué)生提供更加有趣的編程體驗(yàn)，為未來的教育模式和技術(shù)創(chuàng)新提供新的視角。

關(guān)鍵詞：圖形化編程；游戲化編程；開源硬件

近幾十年，信息技術(shù)的高速發(fā)展推動(dòng)著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和智能終端的發(fā)展更加速了網(wǎng)絡(luò)的普及；2006年深度學(xué)習(xí)算法的提出讓人工智能領(lǐng)域出現(xiàn)實(shí)質(zhì)性的拐點(diǎn)，開始實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的落地及應(yīng)用。社會(huì)的發(fā)展、技術(shù)的突破，更新、優(yōu)化了原有的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系，從而使教育教學(xué)內(nèi)容、方法、手段也要隨之改進(jìn)。在中小學(xué)課程改革的各學(xué)科新課標(biāo)中，技術(shù)和理論的更新也得到了充分的體現(xiàn)，使之具有鮮明的時(shí)代感。在信息技術(shù)學(xué)科的課改中，課程重點(diǎn)已經(jīng)從早期的計(jì)算機(jī)常用軟件基本操作和使用技巧的培養(yǎng)轉(zhuǎn)向?qū)W生信息技術(shù)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，使計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)學(xué)科的核心內(nèi)容得到有效重視。

1" 傳統(tǒng)編程的不足

編程教學(xué)是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)學(xué)科的核心內(nèi)容。早期國內(nèi)編程教育主要是面向高校計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，一些培訓(xùn)機(jī)構(gòu)和興趣小組班開始提供面向中小學(xué)生的編程課，編程教育逐漸普及。近幾年，國家層面也出臺(tái)更多的政策，將編程教育納入中小學(xué)課程體系，推動(dòng)著編程教育的普及。在探討編程教育的現(xiàn)狀時(shí)，需要正視傳統(tǒng)編程方式所面臨的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)構(gòu)成了編程教育領(lǐng)域的一大困惑。

傳統(tǒng)編程語言，諸如C++、Java，構(gòu)建在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼Z法規(guī)則之上，充斥著各種抽象符號(hào)與邏輯結(jié)構(gòu)，這對(duì)于初學(xué)者來說，無異于一座難以逾越的認(rèn)知高峰。這些語言的設(shè)計(jì)初衷是為了讓人們高效地與機(jī)器溝通，卻在不經(jīng)意間筑起一道厚厚的壁壘，隔離了初探編程世界的新手與計(jì)算機(jī)邏輯之間的直接聯(lián)系。抽象的術(shù)語和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)要求學(xué)習(xí)者不僅要掌握嚴(yán)密的邏輯推理，還需具備將現(xiàn)實(shí)世界問題轉(zhuǎn)化為代碼的能力，對(duì)于那些非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生或是充滿好奇的兒童而言，他們需要花費(fèi)大量時(shí)間和精力去理解和記憶各種語法規(guī)則，這樣容易引發(fā)強(qiáng)烈的挫敗感。復(fù)雜性疊加的編程環(huán)境讓初學(xué)者難以在短時(shí)間內(nèi)看到顯著的進(jìn)步，從而削弱了持續(xù)學(xué)習(xí)的動(dòng)力，而且，傳統(tǒng)的教學(xué)模式更側(cè)重于理論講解而忽視實(shí)踐操作，這種失衡加劇了學(xué)習(xí)曲線的陡峭程度，使得不少潛在的編程愛好者在起點(diǎn)處便望而卻步。

傳統(tǒng)編程學(xué)習(xí)環(huán)境缺乏一個(gè)即時(shí)反饋和直觀成果展示的平臺(tái)。編程不僅僅是一門理論科學(xué)，它的魅力和核心價(jià)值在于能夠?qū)⒗碚撧D(zhuǎn)化為實(shí)踐，將創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)。它是連接虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界的橋梁，是解決問題的強(qiáng)大工具。當(dāng)學(xué)習(xí)者無法立即看到自己編寫的代碼如何影響現(xiàn)實(shí)世界時(shí)，就會(huì)大大降低學(xué)習(xí)的積極性，很難保持持久的學(xué)習(xí)熱情。

傳統(tǒng)編程教育的這些不足之處，不僅要求我們?cè)诮虒W(xué)方法上尋求創(chuàng)新，呼喚我們探索新的編程學(xué)習(xí)路徑，以降低入門門檻，同時(shí)要求強(qiáng)化理論與現(xiàn)實(shí)的結(jié)合，確保每位學(xué)習(xí)者都能在編程之旅中找到樂趣與成就感。正是在這樣的背景下，圖形化編程出現(xiàn)，為編程教育的改革與突破提供了新的可能。

2" 圖形化編程的優(yōu)勢(shì)

圖形化編程是一種全新的編程方式[ 1 ]，它將抽象的編程代碼以積木形式封裝呈現(xiàn)，每個(gè)積木代表不同的操作命令，如循環(huán)結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)。學(xué)生不用記憶復(fù)雜的代碼和語法，只要通過拖拽已定義好的積木塊，將它們用搭積木的方式拼接起來，然后輸入相應(yīng)的參數(shù)就可以完成程序設(shè)計(jì)。整個(gè)編程過程不需要逐行輸入代碼，不容易出錯(cuò)，極大地降低編程的入門難度。

圖形化編程的可視化特點(diǎn)為用戶提供了一個(gè)即時(shí)反饋機(jī)制。學(xué)習(xí)者可以即時(shí)看到他們的操作如何影響程序運(yùn)行，這讓他們可以嘗試不同的編程思路，并根據(jù)反饋進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。這種試錯(cuò)和修正過程讓學(xué)習(xí)者更深入地了解編程概念，激發(fā)編程熱情和潛能，培養(yǎng)他們創(chuàng)新思維，提高解決問題的能力。

圖形化編程平臺(tái)提供了豐富的學(xué)習(xí)資源，學(xué)習(xí)者可以根據(jù)自己的水平和興趣找到詳盡的教程和案例，逐步掌握編程技能。圖形化編程平臺(tái)還提供強(qiáng)有力的社區(qū)支持，學(xué)習(xí)者可以在社區(qū)中分享自己的作品，與其他學(xué)習(xí)者交流心得，遇到疑惑時(shí)尋求幫助。這樣的交流可以增加學(xué)習(xí)的動(dòng)力，也拓寬了學(xué)習(xí)者的視野和思路。

圖形化編程以這些優(yōu)勢(shì)，成為編程教育的重要工具。它不僅降低了編程入門難度，而且為學(xué)生提供一個(gè)充滿樂趣和創(chuàng)造力的學(xué)習(xí)環(huán)境，為培養(yǎng)未來的技術(shù)人才奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.1" 游戲化編程降低入門難度

在圖形化編程教學(xué)實(shí)施中，游戲化編程[ 2 ]是一種將游戲元素和設(shè)計(jì)思維應(yīng)用于編程教育的創(chuàng)新方法。

游戲化編程，教學(xué)載體從枯燥的數(shù)學(xué)問題優(yōu)化成趣味性強(qiáng)的可視化小游戲，通過游戲角色代入、任務(wù)設(shè)置和闖關(guān)升級(jí)等手段，可以讓學(xué)生對(duì)編程產(chǎn)生極大的興趣。游戲化編程創(chuàng)設(shè)的游戲情景、角色的移動(dòng)、造型的變換，都能給學(xué)生帶來直接的互動(dòng)體驗(yàn)和深刻的視覺感受，使得編程更加輕松愉快。游戲化編程教學(xué)通常還會(huì)將編程知識(shí)按照難易程度進(jìn)行分級(jí)。學(xué)生可以從簡單任務(wù)開始，再慢慢挑戰(zhàn)更復(fù)雜的任務(wù)，這樣可以避免一開始遇到復(fù)雜的問題失去信心，從而快速入門。

游戲化編程可以培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的邏輯思維能力和解決問題能力。很多學(xué)生，在學(xué)習(xí)初級(jí)階段是從制作小游戲、模仿實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有經(jīng)典游戲開始嘗試。比如初中學(xué)生利用課余時(shí)間將流行的手機(jī)游戲Flappy Bird“搬”到電腦端，通過網(wǎng)絡(luò)搜索游戲圖片素材和自主繪圖相結(jié)合的方法完成游戲美工設(shè)計(jì)，能夠很好地激發(fā)學(xué)習(xí)者的創(chuàng)造力和想象力，讓學(xué)生在實(shí)踐中學(xué)習(xí)和掌握?qǐng)D形化編程的知識(shí)和技能。從編程作品的整體性來看，游戲化編程能夠完美地體現(xiàn)出編程的趣味性和完整性。從整個(gè)游戲程序的邏輯性和模塊化來看，學(xué)生可以更加深入地理解編程的概念和原理，更好地培養(yǎng)計(jì)算思維和編程思維。

2.2" 開源硬件拓展學(xué)生學(xué)習(xí)深度

編程教學(xué)不能僅限于技能的傳授和知識(shí)的學(xué)習(xí)上，如何引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)造性創(chuàng)作，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，才是編程教育落地實(shí)施中最要重視的。教師要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)思考如何解決現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)際問題而不僅僅是編程技術(shù)，開源硬件的出現(xiàn)很好地解決了這個(gè)問題[ 3 ]。

計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展的這幾十年，隨著Arduino、Micro：bit的誕生，開源硬件有了飛躍式進(jìn)步，硬件編程不再那么封閉，更容易實(shí)現(xiàn)。最初Arduino編程還是以代碼編程——C語言為主，實(shí)現(xiàn)主控板與外部傳感器設(shè)備之間的數(shù)據(jù)、控制指令的傳輸，通過代碼編程實(shí)現(xiàn)處理邏輯，通過硬件設(shè)備感知環(huán)境、改變世界。隨著圖形化編程在入門學(xué)習(xí)中占據(jù)極大優(yōu)勢(shì)后，國內(nèi)外眾多優(yōu)秀的教育科技公司用圖形化代替代碼實(shí)現(xiàn)開源硬件的編程，讓硬件編程也可以使用圖形化編程，這樣大大降低了硬件編程的學(xué)習(xí)門檻。這些公司開發(fā)設(shè)計(jì)了很多具有中國特色的開源硬件，如：中國電子學(xué)會(huì)的虛谷號(hào)、童心制物的光環(huán)板、童芯派等。

學(xué)生通過使用開源硬件，將程序與傳感器、執(zhí)行器等物理設(shè)備結(jié)合起來，可以直觀地看到程序如何控制硬件，從而加深對(duì)編程概念的理解，通過編程來控制硬件創(chuàng)造出真正有用的解決方案。開源硬件項(xiàng)目通常都與現(xiàn)實(shí)生活緊密相關(guān)，學(xué)生可以看到自己的成果在實(shí)際生活中的應(yīng)用，這種成就感激發(fā)著學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，讓他們更加熱愛創(chuàng)新和探索。

3" 基于圖形化編程的項(xiàng)目實(shí)踐與思維培養(yǎng)

圖形化編程教學(xué)可以將編程學(xué)習(xí)和生活情境緊密地結(jié)合在一起，讓學(xué)生做到學(xué)以致用。教師可以將孩子帶出教室，走進(jìn)生活，去發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。編程興趣小組在學(xué)習(xí)開源硬件以后，教師可以引發(fā)頭腦風(fēng)暴，提出問題：能否通過軟硬件手段幫助學(xué)校解決晚自習(xí)學(xué)生吵鬧的督修提醒問題？通過教師引導(dǎo)、學(xué)生思考，編程興趣小組形成初步方案和可行性分析：能否用聲音傳感器來獲取教室晚自習(xí)期間的噪音，并通過一定的技術(shù)手段判斷噪音大小并確定是否警報(bào)提醒，最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理，以便二次使用。

基于以上的設(shè)想，編程興趣小組與指導(dǎo)教師就方案中硬件設(shè)備選擇、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的可行性進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)與討論，確認(rèn)了“校園晚自習(xí)聲音監(jiān)測云信息系統(tǒng)”實(shí)現(xiàn)的模塊步驟：即“聲音采集→數(shù)據(jù)處理→信息反饋”三部曲。

3.1" 聲音采集

在每個(gè)班級(jí)內(nèi)安裝聲音采集設(shè)備，并將采集到的聲音信息量化為數(shù)據(jù)，然后將聲音數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X終端。整個(gè)系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的步驟就是聲音信息的采集。在傳統(tǒng)的聲音監(jiān)測系統(tǒng)中一般是采取噪聲傳感設(shè)備，通過GPRS傳輸模塊進(jìn)行信號(hào)的傳輸，但這種專業(yè)的設(shè)備價(jià)格比較昂貴，也無法實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理，經(jīng)過多次的測驗(yàn)和實(shí)踐，最終選擇了Makeblock的光環(huán)板（HaloBoard）。光環(huán)板是一塊內(nèi)置Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)的單板計(jì)算機(jī)，它小巧的機(jī)身擁有豐富的電子元件，通過簡單編程就可以實(shí)現(xiàn)各種電子創(chuàng)作，入門新手也能信手拈來。內(nèi)置Wi-Fi天線讓光環(huán)板接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)IoT應(yīng)用，可以創(chuàng)作簡易的智能家居設(shè)備，讓學(xué)生體驗(yàn)萬物互聯(lián)時(shí)代。

在這個(gè)系統(tǒng)中，通過光環(huán)板麥克風(fēng)采集教室噪音響度并進(jìn)行數(shù)字化，通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將聲音的采樣數(shù)據(jù)廣播傳送到慧編程云平臺(tái)上，以便后期的數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)分析。為了防止網(wǎng)絡(luò)和云平臺(tái)的負(fù)載太大，筆者每隔5秒采集一次聲音的樣本數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)通過上述方法采集到的樣本只是一個(gè)即時(shí)的聲音，這個(gè)即時(shí)聲音可能是教室里的一個(gè)咳嗽聲或者桌椅搬動(dòng)的聲音，不能說明教室的噪音太大。為此學(xué)生以取均值方法予以解決，即取最近一段時(shí)間多個(gè)樣本數(shù)的均值。

3.2" 數(shù)據(jù)處理

電腦終端接收數(shù)據(jù)信息，并通過慧編程程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。學(xué)生將光環(huán)板安裝在教室中進(jìn)行聲音的采集，并把采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)云廣播的方式傳輸?shù)交劬幊淘破脚_(tái)上。軟件程序在電腦端的程序中完成數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)、處理。單個(gè)樣本數(shù)據(jù)使用起來缺陷太多，學(xué)生每5秒采集一次數(shù)據(jù)，每存儲(chǔ)30個(gè)樣本數(shù)據(jù)，即2分多鐘的聲音數(shù)據(jù)，就進(jìn)行后期聲音樣本數(shù)據(jù)的平均值操作。變量中的列表可以存放一組數(shù)據(jù)，學(xué)生將這30個(gè)樣本數(shù)據(jù)存放在列表中，并使用循環(huán)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。將聲音數(shù)據(jù)循環(huán)存儲(chǔ)在噪音列表中后，就可以很方便地對(duì)列表中的30個(gè)聲音數(shù)據(jù)取平均值得到“平均噪音”這個(gè)數(shù)據(jù)。這個(gè)“平均噪音”能夠足夠體現(xiàn)教室的噪音吵鬧程度。為方便數(shù)據(jù)的回看和其他處理需要，學(xué)生同時(shí)也將“平均噪音”數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

3.3" 信息反饋

處理后的數(shù)據(jù)可以以可視化圖表的方式反饋至年段室終端，并通過燈光信號(hào)反饋方式在教室實(shí)時(shí)提醒。在教室中，通過光環(huán)板上的LED燈（紅色和綠色）顯示，以警示同學(xué)們的噪音程度，綠燈表示一般噪音，紅燈表示嚴(yán)重噪音。在教師電腦終端上進(jìn)行數(shù)據(jù)反饋和數(shù)據(jù)可視化，通過噪音實(shí)時(shí)柱狀圖顯示，可以一目了然觀察到各班級(jí)當(dāng)前時(shí)刻教室噪音情況。為了讓教師可以觀察到各班級(jí)近段時(shí)間的噪音情況，程序可將“平均噪音”采用拆線圖的方式展示出來，這樣教師就能看到晚自習(xí)期間每個(gè)班級(jí)的表現(xiàn)，并根據(jù)信息反饋的情況有針對(duì)性地進(jìn)行提醒和干預(yù)。

基于“校園晚自習(xí)聲音監(jiān)測云信息系統(tǒng)”通過光環(huán)板和電腦終端程序的搭配，可以很好地實(shí)現(xiàn)集數(shù)據(jù)采集、處理、分析、反饋于一體的校園晚自習(xí)聲音監(jiān)測云信息系統(tǒng)。它可以代替人工提醒的模式，節(jié)省教師、學(xué)生的時(shí)間，提高學(xué)生的晚自習(xí)和教師晚自習(xí)輔導(dǎo)的效率，使班級(jí)管理變得更加方便、及時(shí)、高效。

“校園晚自習(xí)聲音監(jiān)測云信息系統(tǒng)”整個(gè)項(xiàng)目的每個(gè)環(huán)節(jié)全程由學(xué)生參與和主導(dǎo)，包括問題提出、項(xiàng)目分析、方案設(shè)計(jì)、硬件搭建、編程實(shí)現(xiàn)、調(diào)試運(yùn)行、投入使用等環(huán)節(jié)。教師只是在項(xiàng)目可行性分析、開源硬件選擇、技術(shù)難點(diǎn)攻關(guān)時(shí)起到引導(dǎo)作用。這種教學(xué)方法不僅可以提高學(xué)生的編程技能，還培養(yǎng)了他們的跨學(xué)科學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新思維和問題解決能力。通過實(shí)踐項(xiàng)目，學(xué)生能夠?qū)⒗碚撝R(shí)應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)世界，體驗(yàn)到創(chuàng)造的樂趣，同時(shí)也為他們未來發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4" 結(jié)束語

圖形化編程的初級(jí)階段學(xué)習(xí)，通常以游戲?yàn)檩d體，到了高級(jí)階段，學(xué)生更想去實(shí)現(xiàn)一些與現(xiàn)實(shí)生活息息相關(guān)的事，圖形化的開源硬件編程為學(xué)生提供一個(gè)實(shí)踐的平臺(tái)，使他們能夠?qū)⒕幊讨R(shí)應(yīng)用于真實(shí)的物理世界中。通過設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)開源硬件，學(xué)生不僅能夠?qū)W習(xí)到編程語言的語法和結(jié)構(gòu)，還能夠理解電子電路的設(shè)計(jì)原理，掌握傳感器的使用方法，以及如何將軟件與硬件相結(jié)合來解決實(shí)際問題。開源硬件的靈活性和可定制性為學(xué)生提供廣闊的創(chuàng)造空間。他們可以根據(jù)項(xiàng)目需求設(shè)計(jì)電路、選擇傳感器、編寫控制程序，甚至制作3D打印的機(jī)械結(jié)構(gòu)。這種從零開始的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程，極大地鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維。通過以上案例的詳細(xì)剖析可以看到圖形化編程與開源硬件相結(jié)合在編程教育中的巨大潛力。

參考文獻(xiàn)：

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