【人工智能普及教育】软硬件结合学编程——以“无线通信”一课为例

在纯软件代码编程的基础上配合增加开源硬件，即可实现在教育领域让学生切身体验、模拟甚至创新看似高深的人工智能应用。智能家居作为人工智能的一个典型应用领域之一，是离学生的学习和生活最近的应用领域。从这个角度切入开展教学，可实现学生对智能家居的可见、可用、可模拟、可创造。以此为指引，我在高一年级的信息技术课程中设计实施了“Python与智能生活”单元。

整个单元借助micro:bit开源硬件与Python编程语言，围绕几个生活中常见的智能效果，让学生经历用编程解决问题的基本过程，学会通过编程实现目标需求的一般过程和方法，从而提高根据实际需要选择合适的数字化工具及技术解决问题的信息意识，锻炼用编程语言实现问题解决的计算思维能力。

具体有如下3个主题。

主题1“入户欢迎效果”：带学生认识开源硬件套件中的micro:bit单片机及温湿度传感器，学习顺序结构，并梳理出解决问题的“编程三步法”。

主题2“无线通信”：课题融合了分支结构、列表与随机数的Python编程知识，以及硬件的按钮、声音、显示等内容，在编程实现功能的过程中巩固解决问题的编程三步法。

主题3“流量统计工具”：将“家居”拓宽为“社会生活”，要求学生应用编程三步法实现效果，在过程中学习循环结构，巩固列表和随机数的使用，认识光敏电阻、OLED显示屏等硬件设备，拓展学生对智能生活的认知。

图1　单元课程框架

这3个主题从简单到复杂，以智能生活的真实场景为背景，以编程三大结构为主线，以开源硬件为实现抓手，学生通过问题分析及效果观察，在实际应用中深入理解三大控制结构及相关Python知识，掌握编程解决问题的步骤与方法，切实感受程序设计与当今智能生活的紧密关系。

以主题2“无线通信”的第1节课时为例，课程内容以巩固编程解决问题的一般过程及方法——编程三步法为主线，以分支结构、多分支结构中的分支逻辑关系、列表、随机等Python知识和无线收发消息的硬件控制命令为抓手，带领学生借助micro:bit的无线通信功能，通过发送端和接收端2种角色共同协作，实现消息的发送、接收及相应的控制效果。在此过程中达成以下学习目标。

通过实现发送端与接收端之间的无线通信，深入感受编程三步法“分析需求—确定结构—实现功能”的过程，理解运用编程解决实际问题的方法，提升用计算机编程求解问题的意识和能力。

掌握分支结构的含义和使用方法，能够使用micro:bit的无线功能及按钮操作，实现发送端或接收端的相应功能。

了解Python中列表及随机数的含义和使用方法。

具体教学设计如下文所述。

环节1：回顾与引入

教师活动

我们从以往的活动中总结出了编程三步法：根据需求，分析问题；理清流程，确定结构；对应代码，实现功能。今天应用这个方法探索物联网中的无线通信。

很多同学有过用手机操控家中智能设备的经历，比如用手机选择一种生活模式，如深夜模式、娱乐模式或者日常模式，智能设备能够按照选择作出反应。

在这个过程中，可以很清晰地分析出2个参与活动的角色——发送端要识别用户的选择，然后发送出去；接收端要接收消息指令，然后作出反应。

使用micro:bit就可以模拟这种效果，图2为展示效果。

图2　展示效果

我们要编程实现这种效果，可以按照编程三步法一步步进行。

学生活动

回顾编程三步法。

结合生活实际，理解用户操控手中的设备选择生活模式，智能设备接收到指定模式作出反应这一功能需求。

从中提炼出发送端与接收端2个角色，以及两端分别做的事情，进而知道无线通信中发送与接收的过程。

观看视频，加深对无线通信过程的理解。

设计意图

回顾编程三步法，以此作为本节课的学习主线，带领学生快速进入主题，从实际应用的角度出发，结合自身经历和功能描述，理解无线通信的发送与接收过程，通过视频演示加深对这一效果的认知，为后续三步法中的第一步作好铺垫。

环节2：问题解决过程分析

教师活动

结合编程三步法，分析问题解决过程。

根据需求，分析问题。详细分析发送端的具体工作过程，按照接收、判断、执行的过程，将其梳理为流程图逐步呈现（图3）。选择：用户按键选择；判断：判断选择了哪种模式；发送：发送相应模式的指令消息。

图3　发送端工作流程

详细分析接收端的具体工作过程，将这一过程梳理为流程图的方式呈现（图4）。接收：接收发送端的模式消息；判断：判断收到的是哪种模式；执行：执行该模式的效果。

图4　接收端工作流程

理清流程，确定结构。对照流程图，讲解多分支结构。像这样有判断条件，并且不同的判断结果执行不同的命令，是一种分支结构，有多个判断条件即为多分支结构。

对应代码，实现功能。现在已经完成了编程三步法的前两步，接下来分别对应按钮操作、音乐播放、多分支、发送及接收消息的语句命令就可以完成编程了。

学生活动

结合教师讲解和发送端的工作过程描述，观察逐步呈现的流程图，明晰发送端的详细工作流程。

结合接收端的工作过程描述和流程图，明晰发送端的详细工作流程。

学习分支结构，通过教师讲解，理清多分支结构中的分支逻辑关系。

借助对这个实际问题的分析过程，深入感受用编程解决实际问题的编程三步法。

设计意图

使用编程三步法进行发送端和接收端的功能分析、结构梳理，让学生结合实例充分体会运用编程三步法解决实际问题，并根据实际功能基本理解分支结构及多分支之间的逻辑关系，同时给学生留有一定的空间进行自主思考与探究实践，感受编程解决实际需求的乐趣。

环节3：自主探究实践

教师活动

探究实践编程三步法中的最后一步“对应代码，实现功能”。

我们已经学习过按钮及音乐播放的命令，关于分支结构的语句及收发消息的命令可以查看基础版学案解决。

图5　基础版学案

接下来，2人1组，分别作为发送端与接收端，搭建硬件设备，根据流程图和代码提示，实现双方的无线通信。

完成这个效果的小组，可以根据升级版学案继续探究，实现更自由灵活的无线通信。

图6　升级版学案

教师巡视，解决学生疑问。

学生活动

查看探究学习资料，在组内探究过程中，切身体会编程解决实际问题的三步法。

通过对发送端、接收端的实现，深入理解编程解决问题的三步法，同时练习使用多分支结构编程，并练习缩进的使用。

编程实现发送端和接收端的程序功能。

各小组根据自己情况，结合学案，深入探究，尝试实现更加个性化的功能效果。

设计意图

学生沿着编程三步法的主线，进行分角色探究实践，增强学生的参与度，以及对这一方法的体验和理解，提升学习效果。结合学生年龄特点，以组内探究及学案指引的方式，降低程序编写难度，提高学生的学习成就感。升级版的探究任务为有余力的学生提供实践研究的空间，并为下节课作好铺垫。

环节4：总结与展望

教师活动

点拨编程三步法中的第3步“对应代码，实现功能”。对应代码是根据流程图写代码，从第1个分支开始，按照if结构写好条件和执行语句，第2个分支则用elif继续写即可。

图7　根据流程图写代码

简要概述升级版功能及实现方法：随机播放一首音乐。将音乐分别存入列表，形成歌单；随机生成数字，作为待播放歌曲的序号；按生成的序号播放音乐。下节课将仔细研究实现这一效果。

本节课使用无线通信模块和分支结构编程实现了设备间的无线通信及音乐播放，其实在智能生活中，还有很多可以和无线通信结合的方式，比如温度、光照等，都可以通过编程实现，让生活与工作更加便捷、智能、高效。

各组按命名要求提交程序文件。

学生活动

听讲解，结合自己的实践过程，理解对应代码的方法，并以此深入理解分支结构的语句结构。

简要了解列表与随机数的知识，从实际应用的角度认识它们的功能。

结合自身经历想象和思考更多智能化需求。

完善程序后提交程序文件。

设计意图

结合本节课解决问题的主线方法编程三步法进行知识梳理，引导学生发现三步法中各步骤间的关联，切实感受三步法的重要性。同时，通过“对应代码，实现功能”的知识梳理，强化对分支结构中多分支间逻辑关系的理解；从实际应用的角度概述列表与随机数的知识，引出下节课内容。

总结与反思

回顾本节课，有3点值得思考和改进。

首先，小组合作更多体现在了功能实现上，而组内共同研讨、互相帮助的氛围不够，在之后的课程中要加以提醒并适当增加小组合作编程的训练。

其次，在本节课堂上，学生参与的问题分析部分较少，经过这一节课的积累，在后面的课时中，可以尝试将编程三步法中的第2步和第3步都交给学生，进一步锻炼学生的计算思维能力。

最后，在学期课时允许的情况下，可以考虑增加拓展实践课时，让学生结合开源硬件知识和Python知识，自主设计实现与智能家居主题相关的智能化应用，从而进一步提升学生的创新实践能力和计算思维能力。