——综合运用二进制原理制作机器人“表情包”
刘 梅 杨 林 山东省淄博第一中学 255200
我们都知道，计算机内部是采用二进制进行运算、存储和控制的，我们在电脑上所看到的信息，本质上也就是由电脑内部的一串串0和1组成的。因此，二进制在计算机内部的作用原理应当是学生们重点学习的知识。但由于内容本身较为生僻，如果沿用“以说代教”“以听代学”的方式教学，会让教师教得生硬、单调，学生也学得吃力、低效。那么，怎样才能对此类基础知识的教学进行改革与创新呢？下面笔者就结合自己的一节公开课，来对二进制的创新教学进行阐述。
一、学习内容分析
笔者使用的教材是教科版，高中《信息技术基础》，二进制的相关内容在该教材第四章文本信息加工中被提及，但并不构成一个完整的章节。但是笔者认为这是一个不容忽视的知识点，并且传统课堂上老师们在讲解二进制时，并没有一个成熟的实验来让学生直观感受二进制在计算机内部的作用原理，最多通过一个灯泡的亮灭来模拟二进制中的0和1。学生学到的知识仅停留在理论层面，不利于后续知识的学习。因此，笔者将“开源硬件”与二进制的原理结合起来，为学生设计了这样一节动手实验课，学生在动手操作中学习理论知识，既为枯燥的学习增添了趣味性，又能加深学生对知识的理解和记忆，提高学生对信息技术学科的兴趣，培养学生的创新实践精神和团队协作能力，提升学生的信息素养。我为学生选择的实验器材是Arduino的8*8 LED点阵屏、杜邦线、控制板等。
二、学习者分析
本节课的教学对象是高中一年级的学生，他们已经具备了基本的探究能力、动手实践能力以及团队协作能力。同时他们对实验课有非常大的兴趣，为本节课的开展提供了良好的基础。
三、学习目标
1.知识与技能。通过实验，让学生理解二进制在计算机内部的作用原理；通过走线、排板以及程序调试，培养学生的动手实践能力。
2.过程与方法。采用先进行理论探究后进行实验探究的方法,让学生逐步实施实验操作，最终验证理论,掌握技能。
3.情感态度与价值观。提升学生的创新能力与信息素养，培养学生运用数字化工具解决问题的能力，让学生能够运用信息技术学科思维进行学习与创新。
四、教学重难点
1.重点：在实验中成功点亮LED点阵屏，巩固二进制的基础知识，并理解点阵图成像与二进制的作用原理。
2.难点：生源层次的差异，导致部分小组实验进度较慢，能否在三个课时的时间内完成实验是本节课的难点。
五、教学过程
1.情境导入，引起学生兴趣。现场为学生演示，点亮8*8LED点阵屏的操作，屏幕中点亮的图案为心跳呼吸灯，并同时展示电子胸牌与汉字点阵图，学生观察思考三者之间的联系，从而启发学生深度思考。学生已经迫不及待地想要通过实验来验证他们此时的猜想。
小组讨论，回答以下问题：
问题一：回顾第一课时中的知识点，思考单个LED灯的闪烁原理？知识点：FOR循环、pinMode（ ）函数。
问题二：此时所展示的8*8LED点阵屏与单个LED灯有什么联系？知识点：8行8列LED点阵屏是由64个小的LED灯组成的，其作用原理基本相似。
问题三：以下三张图案有什么共同点？知识点：都是通过点亮不同的点来形成各种各样的图案。
图1.心跳呼吸灯
问题四：点阵屏上的心形，为什么能够实现“呼吸”（跳动）的效果？
知识点：点阵屏上的动态图案是由一大一小两个心形组成的，两个图案交替出现，形成“呼吸”（跳动）效果。
图2.动态图的成因
紧接着为学生展示运行环境中的代码，屏幕中的两个心形图案体现在代码中是两组二进制表示的数组语句。
图3.数组语句代码
在充分理解了以上几个问题后，学生对该实验的作用原理开始有了初步的概念，此时给学生布置任务：这节课的目标不是简单地复制老师的作品，而是发挥想象，基于“心跳呼吸灯”的代码，使点阵屏上交替出现不同的“表情”图案。
2.发挥想象，组织学生利用excel表格设计。在明白了本节课的任务以后，小组成员合作，利用excel表格设计出两个不同的表情图案。
3.小组合作，连接器材元件。学生按照电子学案上的连接方式连接好各部分的元件器材，连接方式非常简单，只需要将点阵屏通过杜邦线连接至控制板即可。
4.小组合作，改写代码。由于生源水平层次的差异，并不是所有学生都能够在有限的时间里编写完实验所需的整段代码，因此笔者根据建构主义学习理论，将“心跳呼吸灯”的代码框架提供给学生，学生只需要根据自己设计的表情图案的不同，补充完整全部代码即可。这样一来既避免了课堂时间的浪费，又让学生能够充分理解代码中的关键部分（二进制、数组、for循环）。
5.下载程序到控制板中，验证结果。学生通过数据线将编写好的程序下载到控制版中，就可以在点阵屏上看到自己设计的表情图案了，如果图案显示不完整或者出现其他问题，则需要从代码或器材连接方面找出问题。
图4.学生设计的表情图案
6.但现在的成品还是不够美观，于是我们利用学校创客实验室的3D打印机，设计出了一个外壳，并用纽扣电池取代数据线给点阵屏供电。这样我们拥有多种“表情”的机器人就制作完成了。
图5.加了外壳后的机器人
7.小组展评，归纳总结。“小组作品展示，教师点评总结”是实验课堂结束时必不可少的环节，但是在传统课堂中总是会出现这样几个问题：（1）评价标准不够清晰。学生在展示完自己的作品后，如果没有一个行之有效的评价标准，将会导致学生对自己的作品认知缺乏方向性，无法对自己作品的优缺点进行及时的自我评价，不利于课堂教学目标的达成。（2）小组汇报形式不明确。学生在展示自己作品的时候常常会出现这种情况，到了讲台上之后不知道如何表达，展示过程磕磕绊绊，导致课堂时间的浪费，小组作品也没有得到良好的展示。（3）教师总结内容缺乏针对性。由于实验课有别于普通课堂，教师在总结时会面临这样一种情况：究竟是应该对知识点进行总结，还是着重解决学生在实验中存在的问题？如果教师不能做到在总结时思路清晰，那么学生也就很难对自己作品的问题做到有的放矢。
针对以上几个问题，我为学生设计了“小组汇报记录单”，为学生搭建好了支架，整理了思路，学生填写完汇报单后，按照汇报单上的内容进行作品展示，同时利用问卷星功能，让其他小组为汇报小组打分，汇报结束后教师根据汇报单总结重点，回顾整堂课的学习过程。汇报单还可以帮助学生对自己的作品有一个明确的评价标准和评价方向，有利于学生自我调整，为后续知识的学习打下了良好的基础。
图6.学生汇报记录单
8.创新应用，拓展提升。该环节要求学生发挥想象，利用这节课学到的知识及成品，制作出实用性更强，更加美观的作品，学生对这一环节表现出了极大的兴趣，充分发挥自己的想象制作出了许多有意思的作品。例如，4组同学经过合作，利用6块LED点阵屏制作出了会发光的“魔方”如下图：
图7.会发光的魔方
1组学生利用arduino试验箱自带的心率传感器，结合课前的导入“跳动的心”，经过不断地假设，选材，实验，最终让点阵屏上的心形图案能够随着心跳而跳动。
图8.arduino自带心率传感器
图9.会随心跳闪烁的心率传感器
六、教学反思与自我评价阶段
这节课得到了较好的反响，学生在课上积极性很高，课后作品中也表现出了学生们极佳的创意，本节课综合运用了“理论探究+实验探究”的方法，将理论知识与动手实践相结合，培养了学生的创新实践能力与团队协作能力，通过该实验让学生认识到，我们在信息课上学到的知识、技术是有用的，是真的可以转化成实际的产品甚至是艺术品的，提高了学生对信息技术学科的兴趣，为学生学习后续的知识增加了驱动力。同时本节课也有许多不足，如，该实验难度不大但环节较多，学生水平层次的不同导致部分小组进度较慢等，因此笔者进行了多次改进，在后续班级的教学中，为学生重点进行了分组，例如有编程基础或动手能力较强的学生，分到不同的小组，以弱带强，提高了实验效率的同时也锻炼了学生的团结协作精神。学生们的创意与作品给了我很大的震撼，我们经常认为现在的学生缺乏创意，没有创新精神，其实只是作为教师我们没能给学生提供平台，提供机会让他们去展示自己，如果我们多花一些心思，让学生可以有展示自己的舞台，那么学生的潜力将会是无穷的。
论文作者:刘梅 杨林
论文发表刊物:《素质教育》2018年2月总第263期
论文发表时间:2018/3/16
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