基于Micro:bit的項(xiàng)目式Python程序教學(xué)與實(shí)踐

姜孝春

如何提高學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的積極性和參與度？興趣是最好的老師，將程序知識(shí)的教學(xué)融合到一個(gè)個(gè)開源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)之中，寓教于樂，能夠給師生帶來(lái)新的程序教學(xué)體驗(yàn)。

在基于Micro：bit的Python教學(xué)實(shí)踐中，我們創(chuàng)新了一套基于Micro：bit開源硬件的項(xiàng)目式Python程序設(shè)計(jì)課堂教學(xué)范式。用Micro：bit硬件代替VB的窗體設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，學(xué)生可以直觀地把項(xiàng)目設(shè)計(jì)成果掌控在自己的手里，同時(shí)也能更加聚焦于程序設(shè)計(jì)的核心——算法，有效提升了課堂上的程序設(shè)計(jì)完成率。

基于Micro：bit的Python項(xiàng)目式程序課程

Micro：bit是一款便攜、易于學(xué)習(xí)的可編程開源硬件，不僅支持多種即學(xué)即會(huì)的圖形化編程環(huán)境，還支持多種主流的代碼編程語(yǔ)言，甚至還能支持運(yùn)行Python，讓我們可以低成本實(shí)現(xiàn)基于Micro：bit開源硬件的Python程序教學(xué)。打通軟件與硬件的程序設(shè)計(jì)教學(xué)，用硬件實(shí)物代替界面設(shè)計(jì)，能使學(xué)生更專注于程序邏輯，學(xué)習(xí)過程更聚焦于程序知識(shí)，更有助于學(xué)生突破軟件限制，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和解決問題的能力。

學(xué)生在完成項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，需要團(tuán)隊(duì)協(xié)作發(fā)散思維設(shè)計(jì)方案，通過學(xué)習(xí)預(yù)設(shè)的相關(guān)Python知識(shí)點(diǎn)對(duì)開源硬件編程，完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)，在項(xiàng)目的迭代、優(yōu)化中鞏固教學(xué)知識(shí)點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和綜合創(chuàng)新能力。學(xué)生在基于Micro：bit的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中訓(xùn)練計(jì)算思維，通過Python程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言實(shí)踐項(xiàng)目設(shè)計(jì)的方式和方法，獲得運(yùn)用程序設(shè)計(jì)解決問題的成功體驗(yàn)，不斷增強(qiáng)學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的信心，通過創(chuàng)新和展示激發(fā)了學(xué)生源源不斷的創(chuàng)新動(dòng)力，使學(xué)生深度參與程序?qū)W習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維設(shè)計(jì)方案和解決問題的能力。

基于Micro：bit的項(xiàng)目式Python程序教材

編寫原則：教學(xué)內(nèi)容由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由基礎(chǔ)到應(yīng)用;章節(jié)和項(xiàng)目的設(shè)置依據(jù)高內(nèi)聚、低耦合的原則;項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)方式既有程序設(shè)計(jì)也有硬件搭建。用軟硬件結(jié)合的方式，從學(xué)生原有的塊語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)完成到代碼語(yǔ)言的過渡，逐漸培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用開源硬件與程序設(shè)計(jì)結(jié)合的綜合項(xiàng)目設(shè)計(jì)能力。

基于Micro：bit的Python項(xiàng)目式教學(xué)設(shè)計(jì)模型：基于已有知識(shí)水平，本著讓學(xué)生感興趣、讓教師可掌控的原則，我們采用貼近中學(xué)生生活的項(xiàng)目式教學(xué)方式，綜合STEM理念對(duì)課程進(jìn)行整合，運(yùn)用創(chuàng)客思維設(shè)計(jì)課程，將Python語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)知識(shí)與Micro：bit開源硬件進(jìn)行整合，組成一個(gè)個(gè)教學(xué)項(xiàng)目。每個(gè)項(xiàng)目的教學(xué)過程分為情境式項(xiàng)目導(dǎo)入、項(xiàng)目分析、問題分解、技術(shù)實(shí)現(xiàn)、團(tuán)隊(duì)展示和應(yīng)用拓展這幾個(gè)環(huán)節(jié)。

校本教材的整體設(shè)計(jì)思路：以課程指導(dǎo)綱要為指導(dǎo)，基于Micro：bit的Python程序教學(xué)課程主要用于八年級(jí)下學(xué)期的程序教學(xué)，依據(jù)課時(shí)安排和學(xué)生已有知識(shí)能力等實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了16章教學(xué)內(nèi)容，每章設(shè)計(jì)一個(gè)項(xiàng)目范例，用1～2個(gè)課時(shí)完成。每節(jié)課的教學(xué)都有明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)、程序相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，通過Micro：bit組件和Python語(yǔ)言知識(shí)，完成范例項(xiàng)目，并在此基礎(chǔ)上嘗試拓展思考和創(chuàng)新。教材第1～3章為入門的基礎(chǔ)內(nèi)容，第4～12章為項(xiàng)目式Python語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)教學(xué)，第13～16章為綜合項(xiàng)目設(shè)計(jì)。

基于Micro：bit的項(xiàng)目式Python教學(xué)實(shí)施

下面以第8章《循環(huán)很有趣》的教學(xué)設(shè)計(jì)為例，結(jié)合課堂教學(xué)過程中所涉及的多個(gè)環(huán)節(jié)逐一進(jìn)行闡述。

課前準(zhǔn)備：2人一組，BBC micro：bit，USB連接線，教材、學(xué)案。

教學(xué)目標(biāo)：了解遍歷的一般概念;掌握f(shuō)or…in結(jié)構(gòu);運(yùn)用range（）函數(shù)生成相應(yīng)的列表;掌握display.set_pixel（）方法;在教學(xué)過程中積累依據(jù)規(guī)則進(jìn)行代碼編碼的經(jīng)驗(yàn);培養(yǎng)采用小組合作形式解決問題的能力;體會(huì)開源硬件編程的樂趣;激發(fā)學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的興趣。

1.項(xiàng)目情境導(dǎo)入

每個(gè)項(xiàng)目都有一個(gè)吸引人的項(xiàng)目名稱，如“會(huì)呼吸的燈”，通過情境文字結(jié)合配圖對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行描述，將程序教學(xué)與創(chuàng)客教育有效整合，形成一個(gè)個(gè)貼近學(xué)生生活的創(chuàng)新項(xiàng)目設(shè)計(jì)，賦予課堂活力，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造與設(shè)計(jì)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)解決實(shí)際問題的綜合能力。同時(shí)，為了便于課程的實(shí)施推廣，更高效直觀地引導(dǎo)師生自學(xué)，結(jié)合易加互動(dòng)平臺(tái)上的課程資源庫(kù)建設(shè)，錄制并上傳微視頻，師生通過掃描二維碼即可觀看《會(huì)呼吸的燈》等所有課例的完成效果演示視頻。

“會(huì)呼吸的燈”是指燈光在程序控制之下完成亮度由亮到暗的逐漸變化，并且不斷循環(huán)，好像是人在呼吸一樣。在實(shí)際教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生合理使用Micro：bit的硬件功能與性能，構(gòu)想實(shí)現(xiàn)效果的多種可能性，在此基礎(chǔ)上展開討論分析確定程序設(shè)計(jì)方案。

2.動(dòng)手寫一寫

在完成項(xiàng)目情境導(dǎo)入、項(xiàng)目流程分析之后，教材同時(shí)設(shè)計(jì)了Python語(yǔ)言和圖形化塊語(yǔ)言兩套程序方案，這樣既可以為Python初學(xué)者提供閱讀程序的階梯，也可以豐富學(xué)生對(duì)程序設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)，同時(shí)有助于整班上課時(shí)學(xué)困生的差異化教學(xué)，讓無(wú)法運(yùn)用Python語(yǔ)言完成程序設(shè)計(jì)的學(xué)生也能通過簡(jiǎn)單易學(xué)的塊語(yǔ)言感受到程序設(shè)計(jì)帶來(lái)的樂趣和成就感。

教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)Micro：bit開源硬件的特點(diǎn)，運(yùn)用Micro：bit自帶的5×5LED點(diǎn)陣信息屏幕作為燈光，通過程序控制實(shí)現(xiàn)亮度逐漸從暗到亮，再?gòu)牧恋桨?。這里從暗到亮需要按照?qǐng)D像*（1/9）、圖像*（2/9）……圖像*（9/9）的順序?qū)D像逐一顯示出來(lái)。每次顯示變化的是圖像*（x/9）中的x，而且x是從1到9有規(guī)律地變化的，對(duì)此本程序可以學(xué)習(xí)使用for…in遍歷結(jié)構(gòu)。反之，讓x從9到1變化則實(shí)現(xiàn)從亮到暗。學(xué)生在通過動(dòng)手寫一寫編寫Python語(yǔ)言程序的探究學(xué)習(xí)中，可根據(jù)自己的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)和教材的提示，通過小組合作完成相關(guān)任務(wù)?！皠?dòng)手寫一寫”Python語(yǔ)言和圖形化塊語(yǔ)言兩套程序方案如圖1所示。

3.代碼解說(shuō)

先對(duì)程序進(jìn)行總體概括性描述，然后按程序運(yùn)行流程進(jìn)行逐條解釋，其中貫穿新授的知識(shí)點(diǎn)介紹。根據(jù)章節(jié)設(shè)置，為了便于教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成，以及難點(diǎn)、重點(diǎn)的突破，其中穿插了項(xiàng)目相關(guān)的“Python知識(shí)”模塊，將Python知識(shí)重點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)講解，從一般語(yǔ)句結(jié)構(gòu)介紹開始，配有文字描述和程序流程圖，結(jié)合例程進(jìn)行講解。從常規(guī)應(yīng)用到特殊情況和注意事項(xiàng)，力求細(xì)致、全面、簡(jiǎn)潔。“Micro：bit知識(shí)”模塊如圖2所示，配圖介紹了項(xiàng)目設(shè)計(jì)所運(yùn)用到的Micro：bit相關(guān)傳感器性能、參數(shù)，以及在MicroPython環(huán)境中“microbit”內(nèi)置模塊對(duì)象的調(diào)用方法和注意事項(xiàng)。

4.思考題

通過思考與實(shí)踐鞏固本節(jié)Python程序語(yǔ)言知識(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生綜合運(yùn)用新舊知識(shí)，充分發(fā)揮小組的創(chuàng)造力解決新問題、設(shè)計(jì)新項(xiàng)目，在以小組為基本單位的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

例如，在本節(jié)內(nèi)容后布置了如下思考題：實(shí)現(xiàn)一個(gè)“閃爍的星空”的效果，即在LED屏幕（天空）上隨機(jī)點(diǎn)亮（9級(jí)）一些點(diǎn)（星星），然后這些星星的亮度逐漸由亮變暗直至消失，而這些星星會(huì)交錯(cuò)地出現(xiàn)，周而復(fù)始，就像夏日夜晚中搖曳的星空。在這個(gè)項(xiàng)目中，學(xué)生設(shè)計(jì)除了需要用到本節(jié)的for…in遍歷結(jié)構(gòu)，還需要復(fù)習(xí)之前做過的項(xiàng)目，綜合運(yùn)用第6章《隨機(jī)數(shù)的樂趣》中的隨機(jī)數(shù)對(duì)象random，結(jié)合micro：bit知識(shí)和range（）函數(shù)生成相應(yīng)的新列表，完成程序主干部分;而“這些星星的亮度逐漸由亮變暗直至消失”，則是開放性的設(shè)計(jì)，可以通過多種方式達(dá)到殊途同歸的效果，訓(xùn)練學(xué)生的發(fā)散性思維，實(shí)踐和探究解決問題的多種策略。

5.運(yùn)用“易加互動(dòng)”學(xué)習(xí)平臺(tái)支持，共建優(yōu)質(zhì)在線資源

“易加互動(dòng)”學(xué)習(xí)平臺(tái)是蘇州工業(yè)園區(qū)智慧教育網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，全區(qū)教師、學(xué)生做到人人有賬號(hào)、個(gè)個(gè)能登錄。平臺(tái)資源共建、共享簡(jiǎn)化了教師工作，教師可以在平臺(tái)上分工協(xié)作開發(fā)課程，共同完成資源庫(kù)建設(shè)，《跟著“小微”學(xué)Python》（蘇州大學(xué)出版社出版）課程資源已經(jīng)通過易加平臺(tái)共享給全區(qū)教師，教師可以引用共享資源，創(chuàng)建適合自己教學(xué)的新課程資源?！耙准踊?dòng)”學(xué)習(xí)平臺(tái)豐富的教學(xué)資源和互動(dòng)評(píng)價(jià)為學(xué)生自主學(xué)習(xí)提供了有力的支持。運(yùn)用“易加互動(dòng)”學(xué)習(xí)平臺(tái)支持，可有效開展差異化教學(xué)，促成高效互動(dòng)的程序項(xiàng)目式Python程序設(shè)計(jì)課堂。

課程實(shí)施的感悟與收獲

在開展基于Micro：bit的項(xiàng)目式Python程序設(shè)計(jì)教學(xué)過程中，教師在課堂教學(xué)中起引路人的作用。教師要熟練掌握Python語(yǔ)言，熟悉Micro：bit的硬件性能，也需要了解創(chuàng)客教育的規(guī)律，充分發(fā)揮學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主體性，把握學(xué)生在模仿、設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試等環(huán)節(jié)中的難點(diǎn)問題，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和解決問題的能力，激發(fā)學(xué)生更多的創(chuàng)意。在教學(xué)中我們要激活課堂，調(diào)動(dòng)學(xué)生的自主性，合理設(shè)置項(xiàng)目難度梯度，給予學(xué)生信任和充足的自主時(shí)間，通過適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)資源輔助和個(gè)性化指導(dǎo)，充分激發(fā)學(xué)生的想象力與創(chuàng)造力。

教師在程序教學(xué)的實(shí)踐中應(yīng)把握信息技術(shù)學(xué)科教育的基本規(guī)律和原則，從實(shí)際情況出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生從小項(xiàng)目做起，在學(xué)習(xí)、模仿、設(shè)計(jì)、反復(fù)優(yōu)化作品的過程中不斷累積，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和解決問題的綜合能力。