張寧

摘要：教師常常面臨管理課堂噪音水平的挑戰(zhàn)，過多噪音會(huì)導(dǎo)致學(xué)生注意力下降。而如果用技術(shù)賦能教師課堂管理，則能協(xié)助教師監(jiān)控和控制噪音水平。作者基于設(shè)計(jì)思維用Processing編程實(shí)現(xiàn)兩款課堂音量管理軟件，以協(xié)助教師提升課堂管理效率。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)意編程；設(shè)計(jì)思維

中圖分類號：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 論文編號：1674-2117（2023）07-0094-03

Processing具有易學(xué)易用、可視化效果好等特點(diǎn)，能夠幫助學(xué)生更好地掌握編程技能，同時(shí)還能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和實(shí)踐能力，加深學(xué)生對計(jì)算機(jī)科學(xué)與其他學(xué)科的交叉應(yīng)用的理解。因此，在中小學(xué)編程教育中應(yīng)該更加注重Processing的應(yīng)用。下面，筆者基于設(shè)計(jì)思維進(jìn)行Processing程序開發(fā)。

開發(fā)過程

1.同理分析

設(shè)計(jì)思維過程的第一步是與教師同理分析。本階段的主要需求和問題包括：①教師難以確定課堂噪音過多的來源。②教師難以執(zhí)行一致的噪音水平標(biāo)準(zhǔn)。③過多噪音降低學(xué)習(xí)效果。

2.定義問題

定義問題階段涉及分析前階段收集的需求，并將它們轉(zhuǎn)化為明確的問題陳述。這個(gè)陳述將作為構(gòu)思過程的指導(dǎo)，確保專注于滿足用戶需求。例如，如何設(shè)計(jì)一個(gè)易于使用的軟件解決方案，幫助教師監(jiān)控和管理課堂噪音水平，改善學(xué)習(xí)環(huán)境，減少教師和學(xué)生的壓力？

3.構(gòu)思創(chuàng)意

在構(gòu)思階段，針對問題陳述產(chǎn)生大量可能的創(chuàng)意想法：①利用游戲化技術(shù)吸引學(xué)生維持適當(dāng)噪音水平的軟件，獎(jiǎng)勵(lì)他們遵守規(guī)則。

②利用人工智能聲音識別軟件識別課堂過度噪音來源并在屏幕上顯示給教師。③實(shí)時(shí)跟蹤課堂噪音水平，提供視覺和聽覺反饋以幫助教師執(zhí)行噪音水平規(guī)則的軟件。

上述第一個(gè)創(chuàng)意想法，已在本欄目上一期文章《創(chuàng)意編程語言——Processing：聲控音量管理程序》實(shí)現(xiàn)。下面主要實(shí)現(xiàn)第二個(gè)和第三個(gè)創(chuàng)意想法，其中第二個(gè)創(chuàng)意想法會(huì)用到Teachablemachine網(wǎng)站（https：//teachablemachine.withgoogle.com/），適合初中計(jì)算機(jī)課程。可以將其作為訓(xùn)練模型平臺，學(xué)生無需代碼編程，只需根據(jù)網(wǎng)站操作要求，獲取相應(yīng)的聲音的測試數(shù)據(jù)、訓(xùn)練模型，把模型導(dǎo)入到在線p5js代碼編寫網(wǎng)站即可。第三個(gè)創(chuàng)意想法可以通過導(dǎo)入Processing聲音模塊庫，可視化展示課堂噪音水平。

4.原型搭建

根據(jù)以上兩個(gè)創(chuàng)意想法，筆者使用Processing進(jìn)行原型創(chuàng)建，并構(gòu)建兩個(gè)獨(dú)立程序。

人工智能識別聲音來源：一個(gè)用戶界面，顯示實(shí)時(shí)噪音水平和過度噪音的來源。

可視化課堂噪音水平：一個(gè)跟蹤和可視化歷史噪音水平數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。

5.測試

設(shè)計(jì)思維過程的最后階段是讓用戶測試原型以收集反饋并驗(yàn)證解決方案的有效性?？梢酝ㄟ^在現(xiàn)場課堂環(huán)境中部署課堂音量管理軟件原型并觀察教師和學(xué)生與其的互動(dòng)來測試原型。在測試階段收集的反饋可以用來優(yōu)化原型并迭代設(shè)計(jì)。

程序設(shè)計(jì)

1.人工智能識別聲音來源程序

本案例無需編程基礎(chǔ)，適合初中生初步體驗(yàn)和認(rèn)識語音識別情境。

①背景噪音樣本獲取，每個(gè)背景噪音20秒。

②錄入每個(gè)學(xué)生的音頻樣本。每個(gè)學(xué)生需要至少8個(gè)樣本，為了提高模型識別率，可以多錄入些音頻樣本數(shù)據(jù)。

③數(shù)據(jù)錄入結(jié)束后，即可點(diǎn)擊訓(xùn)練模型，然后通過預(yù)覽進(jìn)行聲音來源識別輸出預(yù)測。同時(shí)，根據(jù)準(zhǔn)確率，適當(dāng)調(diào)整模型音頻輸入樣本數(shù)據(jù)（如圖1）。

④導(dǎo)入p5.js的在線編輯器，即可以進(jìn)行測試。具體操作為：選擇上傳按鈕→選擇p5.js→選擇復(fù)制代碼到p5.js的在線編輯器。

⑤在p5.js的在線編輯器進(jìn)行測試。如果語音模型預(yù)測性能良好，當(dāng)學(xué)生A說話時(shí)，會(huì)在屏幕上顯示學(xué)生A，當(dāng)學(xué)生B說話時(shí)，會(huì)在屏幕上顯示學(xué)生B，程序如圖2所示。

2.可視化課堂噪音水平程序

編寫本程序需要有一定的編程基礎(chǔ)，熟悉面向?qū)ο蟮木幊谭椒ā?/p>

該程序功能是依據(jù)聲音音量大小生成顏色和半徑不同的圓形，進(jìn)入屏幕并互相碰撞，把聲音的音量分布通過可視化形式呈現(xiàn)給教師和學(xué)生，進(jìn)而方便他們分析課堂音量情況，并根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。其中，聲音的高低會(huì)影響圓形的半徑和顏色，聲音高顏色為紅色，半徑大，否則顏色為綠色，半徑小。程序界面如下頁圖3所示。下面程序參考了Processing官網(wǎng)示例程序：碰撞球（https：//processing.org//examples/bouncybubbles.html）。程序邏輯流程圖如圖4所示。

①首先，程序中定義ArrayList，名為circles，用于存儲所有的球?qū)ο?。同時(shí)，使用Sonia庫處理音頻輸入。然后，創(chuàng)建一個(gè)AudioIn對象和一個(gè)Amplitude對象來分析音頻信號，并將其與音頻輸入相關(guān)聯(lián)。

②在setup（）函數(shù)中，設(shè)置窗口大小并初始化circles ArrayList。

③在draw（）函數(shù)中，每次循環(huán)時(shí)，獲取音頻信號的振幅值，將其映射到球的半徑上，并創(chuàng)建一個(gè)新的soundCircle對象，將其添加到circles ArrayList中。

④遍歷circles ArrayList中的每個(gè)soundCircle對象，依次調(diào)用其display（）、move（）和collide（）方法，來顯示、移動(dòng)和檢測碰撞，最終實(shí)現(xiàn)通過音頻控制球的大小、顏色和運(yùn)動(dòng)的效果。

其中，圓形通過soundCircle類來進(jìn)行設(shè)計(jì)。在類中創(chuàng)設(shè)了collide、move和display方法，具體代碼如圖5所示。collide（）的函數(shù)用于檢測球之間的碰撞，并在碰撞時(shí)根據(jù)球的彈性特性來更新其速度。在函數(shù)中，使用for循環(huán)來遍歷others ArrayList中所有的球?qū)ο螅詸z測當(dāng)前球?qū)ο蠛推渌驅(qū)ο笾g的碰撞。在檢測碰撞時(shí)，要先計(jì)算出當(dāng)前球?qū)ο蠛推渌驅(qū)ο笾g的距離，如果距離小于球的半徑之和，則說明兩個(gè)球相交了。然后根據(jù)兩個(gè)球的位置和半徑，計(jì)算出兩個(gè)球碰撞后的位置，并根據(jù)球的彈性特性，計(jì)算出兩個(gè)球的加速度，更新其速度。

對中小學(xué)編程教學(xué)的意義

第一，Processing可以幫助中小學(xué)生更好地理解編程的基本概念和原理。Processing語言簡單易懂，同時(shí)具有可視化的編程界面，能夠讓學(xué)生在編寫程序時(shí)直觀地看到代碼的運(yùn)行效果。

第二，Processing可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和實(shí)踐能力。良好的可視化效果、豐富的編程庫和開發(fā)工具可以幫助學(xué)生更好地表達(dá)自己的創(chuàng)意和想法。

第三，Processing還可以幫助學(xué)生更好地理解計(jì)算機(jī)科學(xué)與其他學(xué)科的交叉應(yīng)用，幫助學(xué)生了解計(jì)算機(jī)科學(xué)在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用。