傅騫 解博超

編者按：我認(rèn)識(shí)北京師范大學(xué)的傅騫教授很多年了。都說相由心生，剛開始認(rèn)識(shí)傅教授時(shí)，在他身上我既看到了學(xué)者的智慧，又看到了工程師的灑脫，果然過了沒多久，米思齊這個(gè)工具就問世了。中國(guó)人講“見賢思齊”，而米思齊的英文名稱又有混合的意思，因此，我妄加揣測(cè)米思齊應(yīng)該是一個(gè)讓人們自由分享好的創(chuàng)意，提高所有人的創(chuàng)新效能感的工具。2016年的信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)欄目，將系統(tǒng)地從課程的角度介紹更多的像米思齊一樣的學(xué)習(xí)工具，讓我們一起“見賢思齊”吧。

隨著創(chuàng)客教育理念的不斷普及，以Arduino為基礎(chǔ)的創(chuàng)意電子類創(chuàng)客教育課程正逐步在中小學(xué)中推廣開來。然而，由于受到其本身技術(shù)門檻的限制，創(chuàng)意電子類課程的開設(shè)給廣大師生提出了巨大的挑戰(zhàn)（Arduino需要通過C/C++語言編程實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意，這對(duì)低年齡段的學(xué)生來說幾乎是不可能的）。即使后面有Ardublock、mBlock等圖形化編程工具的輔助，也依然無法同時(shí)滿足師生在功能性和易用性方面的雙重要求。為此，筆者所在的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)新的Arduino圖形化編程系統(tǒng)，即米思齊（簡(jiǎn)稱Mixly）圖形化編程系統(tǒng)。

Mixly的設(shè)計(jì)理念

Mixly作為一個(gè)國(guó)內(nèi)出品的免費(fèi)、開源的圖形化編程系統(tǒng)，需要依賴大量的用戶群體來維持軟件的生態(tài)和活力。為了更好地滿足用戶的各類需求，Mixly開發(fā)團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)上遵循了以下理念。

1.易用性

中小學(xué)的機(jī)房管理員非常排斥軟件的安裝與升級(jí)工作，特別是很多機(jī)房都安裝了硬盤保護(hù)卡，需要安裝后才能使用的軟件會(huì)給管理員帶來很大的不便。為此，Mixly在設(shè)計(jì)上做到了完全綠色使用。用戶直接從網(wǎng)上下載Mixly軟件包，解壓后即可在Windows XP及以上版本的操作系統(tǒng)運(yùn)行。軟件無需額外安裝瀏覽器，也不用安裝Java運(yùn)行環(huán)境，大大方便了師生的使用。

2.簡(jiǎn)單性

Mixly采用了Blockly圖形化編程引擎，使用圖形化的積木塊代替了復(fù)雜的文本操作，為學(xué)生的快速入門奠定了良好的基礎(chǔ)。另外，筆者的團(tuán)隊(duì)使用以下方式幫助師生更好且快速地熟悉軟件：①用不同顏色的示意圖標(biāo)代表不同類型的功能塊，方便用戶歸類區(qū)分。②在復(fù)合功能塊中提供默認(rèn)選項(xiàng)，有效減少用戶的拖動(dòng)次數(shù)。③在同一個(gè)界面整合軟件的所有功能。④提供參考教程及代碼示例。

3.功能性

當(dāng)前，很多學(xué)校將組織或參與創(chuàng)客類比賽作為創(chuàng)客教育的一種途徑，而比賽的競(jìng)技性對(duì)軟件的功能提出了更高的要求。因此，Mixly在功能的設(shè)計(jì)上力求和Arduino IDE的文本編程保持一致，目前最新發(fā)布的Mixly 0.96版已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了Arduino的所有官方功能（包括中斷處理），并加入了大量的第三方擴(kuò)展庫(kù)功能，如紅外遙控、超聲波等，可以保證課程開設(shè)和各類創(chuàng)客比賽的雙重需求。

4.普適性

Mixly在設(shè)計(jì)上考慮了絕對(duì)的普適性。首先，對(duì)Arduino官方支持的所有開發(fā)板，Mixly都提供了完美的支持：Mixly會(huì)根據(jù)開發(fā)板的類型自動(dòng)改變模塊中的管腳號(hào)、中斷號(hào)、模擬輸出管腳等；其次，對(duì)Arduino支持的第三方開發(fā)板，用戶只要把相應(yīng)開發(fā)板的定義復(fù)制到Mixly中，依然可以得到支持。如國(guó)內(nèi)大量的ESP8266開發(fā)板、各類用戶修改后的開發(fā)板等，從而保證了用戶在開發(fā)板選擇上的最大自由度。

5.延續(xù)性

圖形化編程系統(tǒng)的目標(biāo)絕對(duì)不是替換原有的文本編程方式，而是希望學(xué)生通過圖形化編程更好更快地理解編程的原理和程序的思維，并為未來的文本編程打好基礎(chǔ)。Mixly的設(shè)計(jì)理念也是如此。在軟件的設(shè)計(jì)上加入了更多的可延續(xù)性內(nèi)容，從而保護(hù)了用戶的學(xué)習(xí)成果。具體來說，包括引入變量類型、在模塊的設(shè)計(jì)上盡量保持和文本編程的一致、支持圖形編程和文本編程的對(duì)照等。

6.生態(tài)性

生態(tài)性是Mixly最重要的設(shè)計(jì)理念，也是它區(qū)別于其他Arduino圖形化編程的最重要特征。為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，Mixly在設(shè)計(jì)上既允許廠商開發(fā)自己的特有模塊（當(dāng)前已經(jīng)支持DfRobot、StartLab、MakeBlock、Sense、Seeed、Lubot，用戶需要有JavaScript編程基礎(chǔ)才能制作這部分模塊），也允許用戶直接利用Mixly的圖形化編程功能生成通用模塊（如數(shù)碼管顯示、蜂鳴音播報(bào)等，用戶只需會(huì)使用Mixly即可制作這部分模塊）。以上兩類模塊均可通過“導(dǎo)入庫(kù)”功能導(dǎo)入Mixly系統(tǒng)，從而在Mixly軟件的普及中實(shí)現(xiàn)用戶自身的價(jià)值。

Mixly系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介

Mixly的主界面由左上的模塊選擇區(qū)、中上的程序構(gòu)建區(qū)、右上的代碼程序區(qū)（可隱藏）、中部的系統(tǒng)功能區(qū)和下部的消息提示區(qū)構(gòu)成（如圖1）。通過該界面，用戶可以完成程序的編寫、上傳、保存、代碼查看等全部工作。圖1所示的是“超聲波測(cè)距儀”的軟件實(shí)現(xiàn)代碼。

為了讓用戶更好地使用Mixly進(jìn)行創(chuàng)意電子教學(xué)，筆者將對(duì)Mixly的主要功能做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。

當(dāng)前Mixly 0.96支持的圖形化代碼編寫模塊有：①程序流程控制：順序執(zhí)行、條件執(zhí)行、循環(huán)執(zhí)行、初始化操作、數(shù)學(xué)運(yùn)算、文本運(yùn)算、變量使用、類型轉(zhuǎn)換、邏輯操作、數(shù)組使用、函數(shù)定義、函數(shù)使用。②Arduino基本操作：數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、模擬輸入、模擬輸出、中斷控制、脈沖長(zhǎng)度、移位輸出、時(shí)間延遲、時(shí)間獲取。③Arduino擴(kuò)展操作：聲音播放、舵機(jī)控制、液晶顯示、超聲波使用、DHT11使用、串口通訊、紅外通訊、I2C通訊、EEPROM讀寫、SD卡寫入。

當(dāng)前Mixly 0.96支持的程序處理功能有：①程序編寫：用戶既可以通過圖形化代碼編寫程序，也可以直接通過文本編寫程序，并具備相對(duì)對(duì)照功能。②程序上載：用戶可以直接通過Mixly完成程序的編譯上載工作。③代碼保存：用戶可以保存、另存和導(dǎo)入圖形化代碼。④界面縮放：用戶可以隨意控制界面縮放，方便平板用戶使用。⑤模塊管理：用戶可以把函數(shù)導(dǎo)出成模塊，從而方便其他用戶導(dǎo)入使用，同時(shí)也支持導(dǎo)入廠商開發(fā)的擴(kuò)展庫(kù)，另外還支持用戶刪除、重命名用戶已經(jīng)導(dǎo)入的模塊。⑥串口監(jiān)視：串口通訊工具，方便用戶和Arduino的串口實(shí)現(xiàn)交互操作。

Mixly的應(yīng)用模式

創(chuàng)客教育的核心不是重復(fù)知識(shí)的復(fù)制或復(fù)雜功能的底層實(shí)現(xiàn)，而是激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新并享受分享所帶來的快樂?；贛ixly的創(chuàng)意電子課程也要遵循這樣的理念，所以筆者從Mixly的技術(shù)特點(diǎn)出發(fā)，將Mixly的應(yīng)用模式分為以下幾類。

1.模仿延展類

該模式主要用于Mixly初學(xué)者學(xué)習(xí)創(chuàng)意電子的基礎(chǔ)知識(shí)，其具體步驟為：①由教師創(chuàng)設(shè)情境，并提出本次課（活動(dòng)）的具體任務(wù)。②啟發(fā)學(xué)生思考，得出實(shí)現(xiàn)本任務(wù)的基本思路并鼓勵(lì)學(xué)生嘗試實(shí)現(xiàn)。③教師給出參考實(shí)現(xiàn)，學(xué)生基于教師的代碼模仿完成。④教師給出擴(kuò)展任務(wù)方向，引導(dǎo)學(xué)生修改原有的代碼實(shí)現(xiàn)。

下面以《兩只老虎》為例描述這一過程。本課的目標(biāo)是讓學(xué)生學(xué)會(huì)使用蜂鳴器播放簡(jiǎn)單的音樂。首先，教師需要講解基本樂理知識(shí)及Mixly中聲音的播放方法，然后引導(dǎo)學(xué)生思考并鼓勵(lì)學(xué)生嘗試實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際教學(xué)中，學(xué)生最初的實(shí)現(xiàn)大多比較幼稚。教師在給出合適的鼓勵(lì)后再給出如圖2所示的實(shí)現(xiàn)方式，并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行模仿。模仿成功后，教師需要講解實(shí)現(xiàn)的基本原理并給出延伸任務(wù)，要求學(xué)生設(shè)計(jì)更復(fù)雜的音樂。事實(shí)上，學(xué)生只需簡(jiǎn)單地修改數(shù)組就可以播放出不同的音樂。

2.創(chuàng)意整合類

該模式主要用于具有一定Mixly基礎(chǔ)的學(xué)生針對(duì)某一技術(shù)的創(chuàng)意整合應(yīng)用，其具體步驟為：①由教師創(chuàng)設(shè)情境，并提出一個(gè)特定的功能需求。②啟發(fā)學(xué)生思考，得出實(shí)現(xiàn)功能的基本思路。③教師給出功能的具體實(shí)現(xiàn)模塊，學(xué)生導(dǎo)入并體驗(yàn)。④激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新，結(jié)合本模塊和先前知識(shí)給出創(chuàng)意應(yīng)用。

下面以《語音溫度計(jì)》為例描述這一過程。本課的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)低成本的人機(jī)交互。首先，教師拋出問題：如何才能讓用戶知道Arduino中的結(jié)果數(shù)據(jù)？學(xué)生一般會(huì)給出各種各樣的答案，教師在給出合理的正向反饋后分析各種答案的可行性，并引導(dǎo)學(xué)生提出通過蜂鳴器播報(bào)數(shù)據(jù)的方案。在此基礎(chǔ)上，給出相應(yīng)的擴(kuò)展庫(kù)讓學(xué)生嘗試使用。然后，教師需要激發(fā)學(xué)生思考如何利用該庫(kù)完成創(chuàng)新應(yīng)用。上頁(yè)圖3給出了一個(gè)語音溫度計(jì)的Mixly實(shí)現(xiàn)代碼（LM35和A0相連，蜂鳴器和10號(hào)管腳相連），上頁(yè)圖4則是語音播報(bào)庫(kù)的具體實(shí)現(xiàn)代碼。

3.協(xié)同合作類

該模式主要用于Mixly專業(yè)學(xué)習(xí)者協(xié)同完成綜合性任務(wù)，其具體步驟為：①學(xué)生以小組為單位，通過協(xié)商得出要做的綜合任務(wù)目標(biāo)。②教師在聽取學(xué)生的匯報(bào)后，給出項(xiàng)目的可行性評(píng)估及實(shí)現(xiàn)建議。③學(xué)生在教師的幫助下完成基于模塊的任務(wù)分工并實(shí)現(xiàn)最初的設(shè)計(jì)。④小組匯總程序、進(jìn)行調(diào)試，并完成最終成果的展示。

下面筆者以在中學(xué)講授“創(chuàng)意電子”課程的一個(gè)小組綜合項(xiàng)目為例，描述這一過程。本課的目標(biāo)是使學(xué)生綜合運(yùn)用元件和所學(xué)知識(shí)開發(fā)出一個(gè)創(chuàng)意作品。此前，教師應(yīng)講解在復(fù)雜的程序設(shè)計(jì)中代碼模塊化的意義，并給出一些具體的例子。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生自愿結(jié)為兩人小組，提出創(chuàng)意。此處僅以其中一組學(xué)生設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的溫控報(bào)警散熱器為例，描述后續(xù)過程。小組成員提出，使用溫度傳感器、蜂鳴器、LED燈、數(shù)碼管等元件制作一個(gè)具有顯示溫度和報(bào)警功能的散熱器。學(xué)生描述功能并進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行分解，除了使用到教師提供的一位共陽數(shù)碼管庫(kù)外，還構(gòu)建了呈現(xiàn)彩色燈（colorRGB）、電扇開關(guān)控制（fan）、聲光報(bào)警（ring）、獲取溫度（getTem）四個(gè)函數(shù)。

學(xué)生在開發(fā)過程中靈活地使用了Mixly的導(dǎo)入/導(dǎo)出庫(kù)功能：一位學(xué)生負(fù)責(zé)物理連接和四個(gè)子函數(shù)的編寫并使用“導(dǎo)出庫(kù)”功能將其導(dǎo)出成庫(kù)文件，另一位學(xué)生負(fù)責(zé)基于功能描述設(shè)計(jì)整體邏輯并在導(dǎo)入該文件后完成主函數(shù)的編寫。上頁(yè)圖5、圖6分別是該作品的庫(kù)文件代碼和主程序代碼，圖7是該作品的實(shí)物圖。

總結(jié)與展望

Mixly作為一個(gè)新的面向Arduino開發(fā)的圖形化編程軟件，在較短的時(shí)間內(nèi)得到了大量用戶的認(rèn)可與好評(píng)，其根源來自一線教師給出的積極指導(dǎo)和建議。筆者所在的團(tuán)隊(duì)必將不斷完善Mixly的功能，為中國(guó)的創(chuàng)客教育貢獻(xiàn)一份力量。

編后：2015年，本刊刊發(fā)過一線教師介紹Mixly的文章，此次真正接觸到制作團(tuán)隊(duì)，才發(fā)現(xiàn)Mixly的設(shè)計(jì)及應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)要超出我們的想象，值得一試！

作者簡(jiǎn)介：傅騫，副教授，博士，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)及教育應(yīng)用、創(chuàng)客教育支持生態(tài)建設(shè)。

基金項(xiàng)目：本文得到北京市教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2015年度課題“面向北京市中小學(xué)創(chuàng)客教育的教學(xué)體系研究——以創(chuàng)意電子教育為例”（項(xiàng)目編號(hào)：CJA15234）資助。