图形化编程与炫彩多变的灯珠矩阵

林娟 林建斌

教学背景

当今时代，编程教育逐步走向低龄化，越来越多的青少年较早地与编程和人工智能相关产品深度接触，这已经是科技发展所形成的不可阻挡的趋势。而国家对编程教育的低龄化发展也愈加重视，中小学编程教育课程逐渐得到普及，信息技术（含编程）也开始被纳入高考范围。这些无不彰显着编程教育在我国教育体系中的地位正稳步提高。

青少年学习编程，更多地需要基于兴趣这个出发点。在枯燥的代码书写中掌握编程的理念与逻辑性，培养青少年的创新创造意识，并不是一件容易的事。针对这个问题，图形化编程与开源硬件或许是个潜在的突破口。图形化编程将密密麻麻的英文代码转化成一个个积木式的功能模块，通过模块的调用与模块间的穿插组合实现各种代码功能，使得编程的逻辑性变得显然，而色彩丰富的界面也让孩子眼中的编程更加有趣。开源硬件则将原本纯软式的编程转变为软硬结合的形式。孩子们在电脑上编写的程序，都可以在相应的硬件中得到真实可感的呈现，让编程过程真正成为一个创造性过程。从虚拟界面中的一行行代码，映射到真实世界里一个个可操作的编程项目，孩子们能在动手创造的过程中体会到编程的乐趣与作用，从而大大提高他们对于编程学习的积极性。

教学主题

本节课基于图形化编程与micro：bit开源硬件，以“炫彩多变的灯珠矩阵”为主题，引导学生在材料准备与组装、模块学习、项目设计与实施的过程中了解图形化编程的逻辑原理，掌握灯珠控制模块的使用，利用灯珠矩阵创作出自己的灯光作品。

教学实施

主题引入

每当夜幕降临，城市的夜晚总是被炫目多彩的霓虹灯光点亮。一些建筑高楼的外墙上还会借助变换的灯光呈现出各种美丽的图案。不同灯光的点亮和熄灭、各类灯光颜色的变幻，构成了每一座城市独特的夜景。如何做到精确地控制这些灯光，这其中便是编程在发挥作用。而本节课所要学习的灯珠矩阵，就能够通过模块代码控制各色灯珠的亮灭，创作出一个个精致的灯光项目。

灯珠矩阵（如图1），顾名思义，就是由一个个可以通过编程控制点亮的灯珠整齐排列形成的方阵。而我们所要讲的6×6灯珠矩阵，则是由6行6列，一共36个灯珠组成的方阵。方阵中，每一个灯珠的颜色都由3部分组成：红色、绿色和蓝色。没错，这是光的三原色。因为矩阵的每一个灯珠都能够进行单独编程精确控制，我们只需要通过调控这3种原色的配比，就可以让每一个灯珠都能呈现出不同的颜色。36个灯珠的亮灭状态与炫彩多变的光色结合起来，就可以做出十分丰富而有趣的作品。

材料准备、组装与硬件测试

材料清单见表1。

材料组装：将micro：bit下端插入主板的长插槽;将灯板驱动插入主板的插槽A或者插槽B;将6×6灯珠矩阵与灯板驱动相连接;在主板后方的电池槽中装入电池（如图2）。

硬件测试：组装完成后，将主板左侧电源开关拨至“on”，右侧模块开关拨至“test”，进行硬件测试。如果灯珠矩阵上的灯珠全部点亮，并不断变换颜色，表明硬件运行正常。

声明灯珠位置

组装完micro：bit和灯珠矩阵，接下来要做的就是控制矩阵中的这些灯珠了。矩阵里有36个灯珠，我们要精确控制每一个灯珠的亮灭与颜色，就必须以某种方法声明每一个灯珠的位置，也就是告诉计算机，我们现在要控制的是哪一个灯珠。那应该怎样表达这些灯珠的位置呢？

像素位定位：从矩阵左上角的灯珠开始，按照先从左到右，后从上到下的顺序给每一个灯珠编号。左上角的灯珠记为0号，往右依次是1号、2号、……一直到5号;从第2排开始就是6号、7号……以此类推，右下角最后一个灯珠是35号。这些编号，相当于就是每一个灯珠的名字，叫作像素位。按照以上规则完成编号后，我们只需声明是第x号（x在0～35之间）灯珠，就能确定它的位置（如图3）。

坐标定位：灯珠的位置还可以用“第几列”“第几排”这样的描述确定。我们将矩阵中的每一列，按从左到右的顺序依次标记为第0列、第1列……一直到第5列，一共是6列;再将矩阵中的每一排，按从上到下的顺序依次标记为第0排、第1排……一直到第5排，一共是6排。这样每一个灯珠，我们都能够说出它所在的是第几列、第几排了。但是灯珠数量增多之后，这样的描述显然有些繁琐，不如像素位定位法简单。所以为了简化这种描述，我们就将第x列、第y排的灯珠位置，记作（x，y），这就是灯珠的坐标。例如，我们只需声明灯珠（3，0），别人就能知道我们所说的是第3列、第0排的灯珠（如图4）。

灯珠的控制方法

解决了灯珠位置的确定问题，灯珠的控制就简单了许多。在图形化编程的DinoStick扩展包中的DxK模块里，通过表2中的几个功能模块，就能够控制灯珠矩阵了。

案例学习

有了以上几个功能模块，我们就可以开始控制灯珠做一些有趣的事情了，别看功能模块不多，但能做到的事情可丰富了，下面我们用2个案例学习一下这些模块的实际运用。

项目展示

教师挑选具有代表性的學生作品进行展示与评价，其余作品可由学生进行组内分享与讨论。作品的挑选与评价可以参考如下几个方面。

·案例要求的完成度：是否实现了案例描述的基本功能？

·个人创新程度：加入了哪些具有特色的变化？

·是否反映了编程过程中学生普遍存在的问题？

反思与总结

灯珠矩阵将图形化的编程与炫彩灯光的呈现效果相结合，从生活中绚丽多彩的霓虹灯触发，用简洁的功能模块，与各种不用的代码逻辑相互碰撞，从而衍生出丰富的成果。五颜六色的实物作品既能让学生学习到编程的逻辑性和思维模式，又能激发出他们的学习热情与创新创想。而硬件的组装与效果展示不仅锻炼了学生的动手操作能力，更让他们体会到编程的真实可感，并在展示作品的同时带来自信心和成就感。这种软硬结合、寓教于乐的教学模式无论是在提高学生的逻辑思维能力上，还是在为他们未来一步一步走向计算机前沿领域的道路铺垫中，都是极具前景的方式。

在本节课的实践当中，也存在一些值得思考与改进的地方。比如，在案例分析环节更多地由教师带领，学生自主思考的时间较少;在案例的延伸优化与展示环节上，需要给学生更充足的时间进行案例的改进与展示，但课堂时间有限，可以考虑定期开设额外的展示课进行个人项目的展示。