借编程教育培养学生转换思维——以“智能音乐盒的设计与实现”为例

鲍通 江苏省苏州市平江实验学校

转换思维是一种多视角思维，它能够避免思维定式，对发明创造而言具有重要意义，因为每转换一个新的视角就会引发一个新发现或新发明。其具体方式有目标转换、价值转换、原理转换、材料转换等。下面，笔者以科技实践活动“智能音乐盒的设计与实现”为例，探索转换思维的运用。

● 目标转换：将整体目标分段

目标转换是指当某一目标很难实现时，可以试着通过一个间接的目标来实现最终的目标，或者把目标转向另一个方向。

例如，音乐盒的创作灵感来自对一部机器人小车的研究。早先的Arduino UNO R3开发板很难找到与之匹配的扩展板，实验所需的按键、发光二极管、光敏传感器、蜂鸣器等部件需要借助面包板扩充接口与开发板相连。当时Arduino小车的基本功能已经实现，即按一下按键，蜂鸣器发出“嘀”的一声后马达开始转动，小车前进。

后来有人提出想法：能否用一种更加简便的触发方式来代替按键启动小车？如用手电照一下它就可以前进。另外，“嘀”的一声太单调，若能变换频率发出“123（dol、rai、mi）”的声音，那就更像一台机器人了。首先，光敏传感器是一个不二的选择，可是，蜂鸣器的频率问题又该如何解决呢？蜂鸣器分为有源和无源两种，前者通电就响，使用方便但频率固定，后者频率可控，但要用程序编写音符。为了实现想法，团队采购了无源蜂鸣器，与光敏传感器单独搭配进行实验测试（后来有了扩展板，就不用面包板了）。就在这时，新的想法再次出现：既然能编辑123，何不编一首完整的曲目试试看呢？就这样，制作“智能音乐盒”的想法诞生了，即用光感控制音乐播放。其实它本是机器人小车上一个待优化的功能模块而已。

● 价值转换：将隐性价值挖掘

当光感控制蜂鸣器播放音频的功能实现后，新的问题又来了：音乐盒的外形该如何设计呢？它的空间至少可以容得下这套器材，包括主控板、传感器以及电池盒。在没有激光切割机的条件下，用积木式结构件搭建，看起来太死板；用实验室里的文件盒，难免缺乏浪漫；用纸张折叠，又怕不够牢固……这时，笔者看到了丢弃的塑料杯，于是把器材放了进去（起初杯子是透明塑料的，遮不住光线影响效果，而且型号有点小，后来改用大号纸杯，并选用了避光的黑色杯盖），这样就完成了音乐盒的外观设计，既节约成本，又不失创意。另外，擅长绘画的学生还在纸杯的侧面画上了自己喜欢的画，有的还写上了祝福语，并附上了自己的亲笔签名。

● 视角转换：将单一视角扩展

视角转换就是对同一事物或现象，从不同的角度加以观察和思考，从而获得新的认识和解决问题的新方法的思考方法。

前面提到的纸杯，是因实验测试急需，到校门口的奶茶店临时索取的。当时，第一个学生跑到奶茶店向老板要纸杯，他说：“老板，能否给我一个大号的空纸杯？老师让我们用来盛放器材。”老板一脸茫然，没答应。第二个学生又跑到奶茶店，他向老板说：“能否给我一个大号的空纸杯？我要用它做实验展示给同学们看，上面有奶茶店的名称，能顺便给你们做广告。”老板听后，迫不及待地给他拿了好几个型号的纸杯，还说了声谢谢。因此，实验得以顺利进行。

● 原理转换：将相似原理迁移

原理转换是指当遇到问题的时候，不从常规的逻辑寻求办法，而是通过引入与本问题看似不相关的原理进行思考，从而找到解决问题的新方法。

例如，在机器人小车的避障实验中，需要将超声波传感器搭载舵机分别转动至90°和-90°的位置上进行测距，哪边的返回值大，小车向哪边拐弯。好比一个人径直向前走，当遇到障碍物时分别向左、向右扭一下头，看看哪边空间宽敞往哪边走。这就是运用舵机实现小车避障的基本原理。目前有了更先进的策略，而在当时，学生为实现舵机脱机这一功能，必须使用Arduino中的C语言，因为Servo库只在Arduino IDE中存在，图形化语言编辑器中没有。总之，若要脱机运行舵机，就用C语言；若用图形化语言，只能联机运行舵机。而对于小学生来说，C语言又确实不够友好，只能依赖成品代码，十分矛盾，这个问题困扰了笔者很长时间，一直到接触用舵机组合的方法制作机械臂项目的时候，才再次关注起来。如果运行机械臂一定要连着一台电脑，那可能是这个世界上最痛苦的事了。最终，笔者找到了一款能够支持舵机脱机功能的国产图形化编程仿真软件，使得机械臂脱机问题很快得到了解决（如图1)，这样一来，那台Arduino机器人小车也终于可以100%实现图形化编程了。引申思考：舵机是否还可以用于音乐盒呢？比如自动控制杯子盖打开和关闭，即添加一个声音传感器，一拍手，杯子盖自动打开，光线进入，音乐响起，结束后自动关闭。

图1

目前音乐盒的基本功能是：当手动打开杯盖时音乐想起，关闭杯盖时音乐暂停；技术难点（亮点）是：当再次打开杯盖时，音乐会继续播放，而非重新开始。

以后续的技术力量来看，上述功能或许已不再是亮点，但原理转换的方法不过时。在进行训练时，针对一个简单的原理要尽可能多地找到它可能会发挥的作用，针对一个问题也要尽可能多地寻找与之相关的原理，从而获得解决问题的更多方案。

● 材料转换：将传统材料替换

人们可以运用材料转换法对构成任何物品的材料进行大胆地设想，把常见的材料转换为某种新奇的、独特的材料，以提高物品的功能或者给物品带来新的功能。

随着科技的进步，3D打印机、激光切割机已经走进了校园，物联网、人工智能的发展更是日新月异，这就要求科技实践活动所选实训项目也要紧跟时代步伐。关于材料转换，笔者将其分为两类：一类是“实体材料”转换，另一类是“虚拟材料”转换。前者作为可视层面的，如音乐盒的外观造型可模仿蛋糕、书籍、小车，甚至手枪的样子，采用3D打印或者激光雕刻制作完成（如图2）。后者作为虚拟层面的，可将“看得见”的音乐盒变成“摸不着”的音乐盒，即数字音乐盒。它可以成为网络空间的一个元素，借助3D建模技术支撑它的外观结构，既能识别人脸，又能听懂语音，让“互动”成为音乐盒真正的智能特色。“材料”的更新换代，必将促进作品焕然一新、趋向成熟。

图2

● 结束语

笔者认为，作品的效果呈现只是一方面，关键要借助科技实践活动让学生多领悟一些思考问题的技巧，使思维变得活跃起来，进而能够更好地应对生活中的实际问题，也让生活充满创意的气息。