學(xué)習(xí)背景

近年來(lái)，Scratch編程已逐步成為培養(yǎng)學(xué)生信息素養(yǎng)和計(jì)算思維的重要途徑之一。本案例選用樂(lè)高積木進(jìn)行“車桿模型”的創(chuàng)意搭建，使用Scratch2.0及WeDo套件完成程序的編寫(xiě)。借助距離傳感器，感知與車桿距離的遠(yuǎn)近，實(shí)現(xiàn)對(duì)馬達(dá)開(kāi)關(guān)的控制。調(diào)試指令，繼而達(dá)成“車桿模型”與“Scratch角色對(duì)象”模擬起落的同步。旨在通過(guò)Scratch作品的設(shè)計(jì)、制作、分享、交流等過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生從計(jì)算思維的角度去思考、判斷、解決和處理問(wèn)題。

教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)與技能 1.識(shí)別距離傳感器，描述距離傳感器數(shù)值大小與距離遠(yuǎn)近的關(guān)系。2.說(shuō)明馬達(dá)相關(guān)指令及其作用。3.實(shí)現(xiàn)距離傳感器控制Scratch程序中的角色對(duì)象和WeDo模型。

過(guò)程與方法 經(jīng)歷按鍵控制角色對(duì)象到利用硬件（距離傳感器）控制的轉(zhuǎn)變。

情感態(tài)度與價(jià)值觀 體驗(yàn)從創(chuàng)意想法到完成作品的喜悅。

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn) 利用距離傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)WeDo創(chuàng)意車桿模型的控制。

教學(xué)難點(diǎn) 調(diào)試指令，實(shí)現(xiàn)“車桿模型”與“Scratch角色對(duì)象”模擬起落的同步。

教學(xué)過(guò)程

一、模型交流，創(chuàng)設(shè)情境

創(chuàng)設(shè)“WeDo設(shè)計(jì)大賽”情境，以“創(chuàng)意設(shè)計(jì)車桿”為主題，微視頻展示小組樂(lè)高搭建車桿模型，分享各自創(chuàng)意，交流創(chuàng)作心得。

二、設(shè)疑解疑，架構(gòu)思維

以“按鍵控制式車桿”為例，通過(guò)觀察模擬動(dòng)圖，引導(dǎo)學(xué)生描述實(shí)現(xiàn)過(guò)程。出示示例指令，在師生對(duì)話、生生交流中，讓學(xué)生嘗試判斷指令正誤，指出問(wèn)題，修改指令并運(yùn)行檢測(cè)。指令的逐步修正，有助于學(xué)生形成目標(biāo)達(dá)成的思維方式，將表達(dá)的語(yǔ)言自然過(guò)渡到Scratch語(yǔ)句。

對(duì)“程序運(yùn)行意外停止”設(shè)疑，觀察程序運(yùn)行中出現(xiàn)的狀況，引導(dǎo)學(xué)生補(bǔ)充初始化語(yǔ)句，強(qiáng)調(diào)程序初始化的重要性。

三、小組探究，獲取新知

以“距離傳感器控制車桿”為線索，通過(guò)觀察模擬動(dòng)圖，引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)現(xiàn)過(guò)程。引出距離傳感器及主控制器，識(shí)別并操作兩者相連。小組合作，探究距離傳感器參數(shù)的意義，小結(jié)讀取實(shí)時(shí)數(shù)值的方法，歸納參數(shù)大小與距離遠(yuǎn)近的關(guān)系。然后編寫(xiě)程序，實(shí)現(xiàn)距離傳感器對(duì)Scratch角色對(duì)象的控制。

四、應(yīng)用新知，編程調(diào)試

將“Scratch角色對(duì)象模擬車桿起落”視為學(xué)習(xí)支架，知識(shí)遷移，繼而利用距離傳感器及馬達(dá)控制WeDo模型。借助馬達(dá)說(shuō)明文件，探索與馬達(dá)相關(guān)的指令語(yǔ)句用法。根據(jù)各自設(shè)計(jì)的WeDo模型，調(diào)試指令參數(shù)，并盡可能保證角色對(duì)象模擬與WeDo模型模擬的同步。

五、展示評(píng)價(jià)，拓展創(chuàng)想

小組作品交流，對(duì)比各自設(shè)想與最終作品之間的異同。交流完成任務(wù)過(guò)程中遇到的困難或問(wèn)題，以及各自解決的方法或途徑。

以“還能為車桿升級(jí)哪些功能”為題，引發(fā)學(xué)生深度思考，提升綜合應(yīng)用的能力，延伸課堂。

案例詳解

一、WeDo套件的功能介紹

WeDo是一套可以與電腦連接，并進(jìn)行編程和控制的樂(lè)高套裝。包括150多個(gè)積木組件、1個(gè)馬達(dá)、1個(gè)距離傳感器、1個(gè)傾斜傳感器和1個(gè)主控制器。本案例主要使用各類積木、馬達(dá)、距離傳感器和主控制器。

將主控制器通過(guò)USB接口連接到電腦上。點(diǎn)擊“更多積木”，選擇“添加擴(kuò)展”，再點(diǎn)擊“LEGO WeDo 1.0”選項(xiàng)，并確定。腳本區(qū)新增多條程序指令，可對(duì)馬達(dá)的開(kāi)啟關(guān)閉、功率、方向及其他屬性進(jìn)行設(shè)置。如圖1所示。

二、車桿模型的百變搭建

車桿模型可謂五花八門(mén)。按起落劃分，大致可分為：左右式、上下式、卷簾式、移動(dòng)式等。在生活中，左右式最為常見(jiàn)，創(chuàng)意來(lái)源于生活，仿照該類型設(shè)計(jì)的學(xué)生作品也占據(jù)大多數(shù)。

本案例搭建模型如圖2所示。

要實(shí)現(xiàn)距離傳感器對(duì)車桿“抬起”和“回落”的控制，就不能忘記為馬達(dá)和距離傳感器預(yù)留位置。利用主控制器進(jìn)行互相連接，借助USB接口再與計(jì)算機(jī)關(guān)聯(lián)。若能考慮車桿起落的時(shí)速，避免單位時(shí)間內(nèi)速度過(guò)快，推薦首選“蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)”。該結(jié)構(gòu)類似于齒輪與齒條，能夠做到環(huán)環(huán)相扣，使得傳動(dòng)相對(duì)比較平穩(wěn)。（如圖3）

三、距離傳感與馬達(dá)控制

1.距離傳感器

距離傳感器，用于感應(yīng)其與某物體間的距離，以完成預(yù)設(shè)的某種功能。將距離傳感器連接至主控制器上，通過(guò)物體在距離傳感器前移動(dòng)，并點(diǎn)擊“距離”模塊，可讀出距離傳感器的數(shù)值。其數(shù)值區(qū)間在0～100，距離越遠(yuǎn)，數(shù)字越大。

2.馬達(dá)

馬達(dá)功率的取值范圍為0～100；轉(zhuǎn)動(dòng)方向可選順時(shí)針或逆時(shí)針。

四、程序設(shè)計(jì)與調(diào)試

1.需求分析

根據(jù)需求，Scratch角色對(duì)象與WeDo模型均由距離傳感器控制。通過(guò)判斷距離傳感器偵測(cè)到的數(shù)值是否滿足一定條件，決定是否執(zhí)行后續(xù)程序。區(qū)別在于，角色對(duì)象是通過(guò)“車桿”的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行模擬，而WeDo模型則借助馬達(dá)的幫助，通過(guò)設(shè)置馬達(dá)功率、轉(zhuǎn)動(dòng)方向和啟動(dòng)時(shí)長(zhǎng)等進(jìn)行模擬。

2.程序設(shè)計(jì)

（1）角色對(duì)象的模擬實(shí)現(xiàn)

偵測(cè)距離，編制判斷程序。可用手或物體放在距離傳感器前并加以調(diào)整，點(diǎn)擊“距離”模塊來(lái)獲取相應(yīng)數(shù)值，尋找合適的距離值區(qū)間。通過(guò)反復(fù)執(zhí)行程序，來(lái)驗(yàn)證在此距離范圍內(nèi)馬達(dá)能否被觸發(fā)啟動(dòng)。此處需使用“如果……那么……”模塊，在條件中，設(shè)置“數(shù)據(jù)和邏輯運(yùn)算”，實(shí)現(xiàn)通過(guò)判斷距離傳感器的值，觸發(fā)執(zhí)行。

模擬起落，細(xì)化執(zhí)行過(guò)程。為更好模擬車桿逐步抬升/下落，可加入“重復(fù)執(zhí)行 次”“左轉(zhuǎn) 度”/“右轉(zhuǎn) 度”。

初始程序，確保角色歸位。在程序的第一步，建議加上“面向 方向”指令，保證在每次程序執(zhí)行或調(diào)試時(shí)，“車桿”角色對(duì)象位于水平位置。

當(dāng)然，為保證程序始終執(zhí)行，還需在外部嵌套“重復(fù)執(zhí)行”模塊。如圖4所示。

（2）積木模型的模擬實(shí)現(xiàn)

要達(dá)成距離傳感器對(duì)WeDo模型的控制要求，思考方式與之前角色對(duì)象模擬大致類似。需要注意的是，程序指令中的具體參數(shù)，可根據(jù)搭建的模型因物而異，調(diào)試后再行確定。（如圖5）如果調(diào)試中，“車桿”未按預(yù)設(shè)“抬起”，說(shuō)明馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向設(shè)置有誤。如果“車桿”起落未達(dá)到預(yù)期位置，說(shuō)明馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短。為了讓“車桿”能夠回到初始位置，回落時(shí)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)方向應(yīng)與抬起時(shí)相反，且持續(xù)的時(shí)間應(yīng)相同。

3.完善創(chuàng)新

“若要研發(fā)新一代智能車桿，你覺(jué)得升級(jí)版還能包含哪些功能？”如同拋磚引玉一般，問(wèn)題拋出后，學(xué)生合理暢想，各抒己見(jiàn)。如“再增加1個(gè)距離傳感器，監(jiān)測(cè)車桿與車輛頂棚的距離，以防擦碰”。又如“按鍵控制與距離傳感控制相結(jié)合，形成雙控制狀態(tài)”。再如“為計(jì)數(shù)編寫(xiě)程序，反饋當(dāng)前車庫(kù)停車量，甚至還能提示車庫(kù)停車位剩余量”。學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)值得肯定，一些設(shè)想也有理有據(jù)，不難實(shí)現(xiàn)。

教學(xué)點(diǎn)評(píng)

計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象和自動(dòng)化。本課通過(guò)“創(chuàng)意車桿設(shè)計(jì)”任務(wù)，經(jīng)歷了五個(gè)解決問(wèn)題的步驟：一是問(wèn)題分析，要設(shè)計(jì)怎樣的車桿才能達(dá)到要求；二是通過(guò)積木搭建，將問(wèn)題從抽象到具體；三是探索遙控按鍵、距離傳感兩種控制車桿起落的方式，體驗(yàn)解決問(wèn)題的不同方法與策略；四是利用距離傳感器，先對(duì)Scratch角色對(duì)象進(jìn)行模擬，之后應(yīng)用于車桿模型，經(jīng)歷問(wèn)題解決中模擬到真實(shí)的過(guò)程；五是為盡可能實(shí)現(xiàn)模擬角色與車桿模型同步，在調(diào)試程序中不斷改進(jìn)程序或模型，經(jīng)歷問(wèn)題回溯優(yōu)化的過(guò)程。

本節(jié)課，學(xué)生面對(duì)造型各異的車桿模型，使用了相同的思想解決了問(wèn)題，經(jīng)歷了計(jì)算思維培養(yǎng)中界定問(wèn)題、抽象特征、建立結(jié)構(gòu)模型的過(guò)程。（點(diǎn)評(píng)人：王世達(dá)，上海市普陀區(qū)教育學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)研究室副主任，信息技術(shù)教研員）