徐 彤

(天津市和平區(qū)新華職工大學(xué)，天津 300070)

引言

邁進“互聯(lián)網(wǎng)+”時代，社會的生產(chǎn)方式和人民的生活方式發(fā)生變革，互聯(lián)網(wǎng)為生活提供便利的同時也將信息進行聚合與互聯(lián)。伴隨著物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，逐步實現(xiàn)萬物互聯(lián)，使得新的交互更具體，隨之涌現(xiàn)了大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、共享生活等概念。目前，我國的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要集中在自動化控制、信息傳感與傳輸、設(shè)備等領(lǐng)域，與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的智能安防、智慧物聯(lián)、智慧交通逐步進入成熟運用階段。“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，其核心基礎(chǔ)依然是以程序為核心的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對已有的物體功能途徑進行拓展，進而實現(xiàn)任何時間、任何地點、任何人和物的互聯(lián)與通信。基于“物聯(lián)網(wǎng)”的發(fā)展和“大數(shù)據(jù)分析”的發(fā)展，程序設(shè)計語言得到了空前的發(fā)展，Python程序設(shè)計語言的熱度如日中天，迅速在多個領(lǐng)域占據(jù)一席之地。

一、高職學(xué)生的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀分析

(一)高職學(xué)生的學(xué)習(xí)特點

高職學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中往往會出現(xiàn)情緒化的現(xiàn)象，自己感興趣的就好學(xué)、愛學(xué)，抽象枯燥的知識則積極性較低。在學(xué)習(xí)過程中耐挫能力不強，遇到困難，看不到自己的進步，容易出現(xiàn)沮喪放棄的情緒。因承受能力不強，當成績不理想時，學(xué)習(xí)態(tài)度也會出現(xiàn)不端正的現(xiàn)象。高職學(xué)生在課堂上滿足于教師講授的內(nèi)容，學(xué)習(xí)中存在學(xué)習(xí)習(xí)慣不良的現(xiàn)象，有的學(xué)生存在學(xué)習(xí)熱情不足，學(xué)習(xí)持續(xù)性不強；有的學(xué)生應(yīng)付完成學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)習(xí)效果大打折扣。課堂上教師教授學(xué)生解決問題的方法，而學(xué)生照搬進行實踐，變通不充分，在自我實踐過程中受挫，又會激化學(xué)習(xí)的挫敗感，影響學(xué)習(xí)效果。

(二)高職學(xué)生的能力特點

目前，高職學(xué)生普遍接受的是專科層次教育，計算機專業(yè)學(xué)生的編程課程學(xué)習(xí)內(nèi)容較多，范圍較廣泛，但學(xué)生的素質(zhì)和能力水平參差不齊。高職學(xué)生對于抽象概念的理解力不強，難以將抽象概念轉(zhuǎn)化為具體形象的實際應(yīng)用，在實踐應(yīng)用過程中比較困難，不夠靈活。在計算機程序設(shè)計課堂教學(xué)中高職學(xué)生解決問題的能力有所欠缺，面對程序設(shè)計過程中出現(xiàn)的問題，沒有掌握有效的分析問題、解決問題的方法，缺乏行之有效的思考問題的能力，特別是遇到有難度的問題，總是習(xí)慣尋求外力，缺乏獨立思考過程。

二、Python程序設(shè)計課程存在問題

(一)程序設(shè)計課程內(nèi)容抽象

高職學(xué)生學(xué)習(xí)計算機程序設(shè)計類課程普遍感覺到內(nèi)容抽象，死記硬背程序設(shè)計的內(nèi)容，以考試為目的完成學(xué)習(xí)任務(wù)，缺乏趣味性引導(dǎo)。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中往往出現(xiàn)學(xué)習(xí)興趣低，持續(xù)度差，遇到抽象的學(xué)習(xí)內(nèi)容思考難度大等問題，這與程序設(shè)計類課程的內(nèi)容抽象的特點密切相關(guān)。正因為計算機程序設(shè)計類課程內(nèi)容抽象，學(xué)生總是感覺看不見摸不到，只能看到代碼的編寫，而對于代碼為什么這樣寫，計算機是如何運用代碼解決問題的并沒有直觀的認識。在課堂中教師引入實例教學(xué)，學(xué)生跟隨教師做練習(xí)，往往課下就忘了，回憶復(fù)習(xí)起來依然感覺內(nèi)容抽象，無法應(yīng)用到自己的實踐中。

(二)理論與實踐結(jié)合度不高

高職計算機專業(yè)重點培養(yǎng)專業(yè)型計算機人才，但由于學(xué)校場地區(qū)域有限，學(xué)生計算機類程序涉及課程只能在計算機教室學(xué)習(xí)理論知識，開展編程操作練習(xí)，但動手操作和將程序設(shè)計知識運用到實物開發(fā)的實踐經(jīng)歷很少，導(dǎo)致了理論教學(xué)質(zhì)量停留在表面，與實際操作相脫節(jié)的現(xiàn)象。高職學(xué)生學(xué)習(xí)計算機編程類課程，往往是跟著教師按照課本內(nèi)容敲擊代碼，并不能獨立或以小組為單位開展基于實物的實際應(yīng)用開發(fā)。學(xué)生在課余時間練習(xí)編程技能，只是學(xué)習(xí)對課上知識的復(fù)習(xí)，如果在學(xué)校開展了編程實驗，在家中卻不能部署相關(guān)平臺、設(shè)備，這不利于學(xué)生將抽象的理論化知識轉(zhuǎn)化為實踐技能。

(三)學(xué)生創(chuàng)新實踐能力不強

在程序設(shè)計類課程中，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下課上操作編程軟件，跟隨教師輸入代碼編寫程序，但并不能完全理解程序設(shè)計的原理，在獨立的實踐操作中依然會出現(xiàn)很多問題，并不能獨立完成計算機程序的編寫。計算機專業(yè)需要培養(yǎng)學(xué)生分析和創(chuàng)新的綜合能力，在教授理論知識的同時更需要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力。而傳統(tǒng)的程序設(shè)計類課程多是以講授為主，或者學(xué)生以書本教材為元為綱進行學(xué)習(xí)，這樣傳統(tǒng)的教學(xué)方式無法有效地引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生普遍認為程序設(shè)計課偏向理論，照本宣科，創(chuàng)新能力無法得到提升，無法將所學(xué)程序設(shè)計知識應(yīng)用于實踐，學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力沒有得到充分的發(fā)揮，不能理解計算機程序在實際場景中的應(yīng)用。在教學(xué)過程中，學(xué)生對于理論知識不感興趣，教師針對課堂內(nèi)容的實踐元素挖掘不充分，對課程內(nèi)容和實踐創(chuàng)新的關(guān)系思考不多，在提升學(xué)生的創(chuàng)新思維方面存在指導(dǎo)方向的不足。

三、開展以實物為基礎(chǔ)的程序設(shè)計探索

(一)將實物開發(fā)帶入Python程序設(shè)計課堂

為進一步提高物聯(lián)網(wǎng)背景下高職學(xué)生對知識的綜合運用能力，緊密圍繞物聯(lián)網(wǎng)背景下，計算機程序在實際場景中的應(yīng)用，為學(xué)生搭建理論實踐平臺，培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)道德和法律觀念，使學(xué)生體會計算機語言運用到實際開發(fā)中的知識價值，并結(jié)合實際工作崗位教育引導(dǎo)學(xué)生樹立從業(yè)守法觀念和職業(yè)道德觀念。通過程序設(shè)計和實物開發(fā)過程，培養(yǎng)學(xué)生的工匠精神和人文精神，結(jié)合學(xué)生畢業(yè)后肩負的實際工作崗位責任，培養(yǎng)學(xué)生專注、刻苦、敬業(yè)、創(chuàng)新精神。

(二)樹莓派編程工具簡介

樹莓派是近年來新興的微型計算機的代表，它作為一種微型計算機編程工具，為物聯(lián)網(wǎng)條件下的編程提供了一種新的形式，獲得廣大編程學(xué)習(xí)者和愛好者的青睞，目前被廣泛應(yīng)用于以個人為單位進行的編程活動。基于樹莓派的編程可以讓編程者直觀看到編寫的程序所產(chǎn)生的實際應(yīng)用效果，很好地解決了程序設(shè)計過程中普遍存在的抽象問題。樹莓派的編程過程中需要按照一定的步驟，有一定的程序書寫格式規(guī)范，在一定程度上便于初學(xué)者掌握語法規(guī)范，并進行實際應(yīng)用探究。

樹莓派具備開源與免費的特點。在樹莓派官網(wǎng)可找到大量不同功能的樹莓派系統(tǒng)并可實現(xiàn)免費下載。在樹莓派社區(qū)中，適用于不同版本的操作系統(tǒng)多達幾十種，其官方推薦的Raspbian操作系統(tǒng)是基于Linux操作系統(tǒng)開發(fā)的，在后續(xù)編程設(shè)計上，支持多語種開發(fā)，包括C、Python、Java等主流高級程序設(shè)計語言，這為基于樹莓派的程序開發(fā)設(shè)計提供了發(fā)展的便利條件。

樹莓派體積小巧，因此在學(xué)校進行實驗訓(xùn)練時不需要過大的場地，對實驗室的硬件要求不高，便于學(xué)校開展靈活的教學(xué)安排。以樹莓派為基礎(chǔ)的實訓(xùn)方式也比較靈活，結(jié)合不同的實訓(xùn)內(nèi)容，學(xué)生既可以獨立完成也可以采用分組的形式。此外樹莓派在價格上比一般的微型計算機價格低廉，基于樹莓派的擴展硬件商品資源種類齊全，在很多平臺上均可獲取，即便是學(xué)生在課下也可以較少花費實現(xiàn)較多的編程訓(xùn)練，性價比較高。

(三)樹莓派的開發(fā)現(xiàn)狀

在樹莓派開發(fā)過程中，主流語言一般為C語言，它是一種面向過程的程序設(shè)計語言，發(fā)展較為成熟，但對于初學(xué)者和對物聯(lián)網(wǎng)感興趣的人來說很難在短時間內(nèi)入門。相比較C語言的晦澀，Python是一種面向過程和面向?qū)ο蟮木C合性語言，以其簡潔易學(xué)、擴展性強、交互范圍廣、運用靈活性高等特點，逐步成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的新生載體。Python語言語法簡潔，易上手，通過使用縮進方法明確定義語法塊，使得程序的結(jié)構(gòu)清晰明了，極大地增大了程序的可讀性。此外Python語言有很多可通過后期安裝的模塊，用戶不僅可直接調(diào)用模塊內(nèi)函數(shù)，也可以自己編寫自定義函數(shù)擴充模塊功能。因此，使用Python語言進行樹莓派開發(fā)逐漸成為越來越多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)者的選擇。

(四)將樹莓派引入Python教學(xué)

Python程序設(shè)計語言不僅結(jié)構(gòu)簡便易上手，而且支持大量的擴展庫。Python程序設(shè)計語言具有較強的開源性，逐步發(fā)展與創(chuàng)新，在多領(lǐng)域有綜合應(yīng)用，例如物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)、科學(xué)計算與數(shù)據(jù)分析、網(wǎng)絡(luò)爬蟲、游戲開發(fā)和人工智能等領(lǐng)域。Python編程易上手，簡單易學(xué)易懂，操作界面也非常簡潔，即便是零編程基礎(chǔ)的新生也能較快適應(yīng)Python編程語言的語法和邏輯結(jié)構(gòu)。除此以外，Python語言還支持跨平臺編程設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)多類功能。

樹莓派在電路板中有多重接口，如圖1所示。樹莓派主板可以外接鼠標、鍵盤和監(jiān)視器等外部設(shè)備，便于開展數(shù)據(jù)和程序的輸入以及輸出顯示等；擁有網(wǎng)絡(luò)接口和無線網(wǎng)擴展模塊，可實現(xiàn)多種形式的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)；在多媒體方面有聲卡接口和相機接口，可實現(xiàn)基于聲音和視頻監(jiān)控的開發(fā)研究；在存儲方面支持SD卡和Mico-SD卡，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的定容量存儲；與此同時，樹莓派具備獨立的供電接口，使用常規(guī)的適配器即可實現(xiàn)電路板供電，對于設(shè)備要求比較簡單，因此學(xué)生在進行實驗操作時便于上手操作。樹莓派在接線方面也較為簡單，后期支持多種形式的模塊擴展，學(xué)生可以根據(jù)自己的需求和實驗內(nèi)容自由選配元器件，價格上也比較低廉。

圖1 樹莓派主板與接口示意圖

結(jié)合樹莓派體積小巧、開源性強、兼容性優(yōu)和價格低廉等特點，結(jié)合學(xué)校機房的實際條件和學(xué)生課程學(xué)習(xí)情況，將樹莓派引入Python教學(xué)，可以充分發(fā)揮Python程序設(shè)計語言的已開發(fā)性，使學(xué)生充分體會使用程序設(shè)計語言開發(fā)實物的樂趣，將抽象的程序設(shè)計課程變成學(xué)生直觀可見的實驗現(xiàn)象，例如對樹莓派進行基礎(chǔ)性部署、通過python語言開發(fā)RGB-Led燈程序，使用程序控制實現(xiàn)不同的燈亮和閃爍效果。

(五)樹莓派開發(fā)流程

樹莓派的開發(fā)若為初次使用首先需要登錄系統(tǒng)，然后連接SSH,使用sudo raspi-config修改默認配置連接Wifi，通常情況下樹莓派自帶無線網(wǎng)模塊，第一次連接wifi成功后，當樹莓派再次開機會默認連接上一次已連接的wifi，使用極為便捷。通過遠程登錄樹莓派桌面，使用Python IDLE開發(fā)環(huán)境，可對樹莓派進行二次開發(fā)，直接在IDLE開發(fā)環(huán)境中鍵入代碼即可，遵循Python語言的語法格式。在開發(fā)過程中如需要使用第三方庫與模塊，可以在Python IDLE開發(fā)環(huán)境使用pip install命令安裝，極大豐富了開發(fā)過程中外部資源的使用。

四、基于Python語言的多色燈實例分析

(一)導(dǎo)入模塊，設(shè)置常量、板載模式

在Python語言中可以使用import關(guān)鍵字進行模塊導(dǎo)入，導(dǎo)入控制 GPIO 的模塊和時間time模塊，方便后續(xù)程序調(diào)用延時、時鐘等函數(shù)。將多色燈的顏色通過顏色列表寫入程序，然后通過GPIO.setmode設(shè)置樹莓派電路板的引腳編號模式，進而確定板載模式。通常情況下，樹莓派的板載模式有兩種，分別是BCM模式和BOARD模式，這兩種模式主要是針對GPIO引腳的編碼方式不一致。

import time

import RPi.GPIO as GPIO

GPIO.setmode(GPIO.BOARD)

(二)創(chuàng)建map()、setcolor()函數(shù)及l(fā)oop()循環(huán)函數(shù)

RGB顏色格式的取值范圍為0至255，而占空比的取值范圍是0至100，所以需要將雙色燈的RGB值轉(zhuǎn)換為占空比對應(yīng)的數(shù)值，引入map()函數(shù)將顏色的數(shù)值進行轉(zhuǎn)換，以便于后續(xù)的程序控制。撰寫setcolor()函數(shù)，通過設(shè)置顏色及其亮度值，設(shè)置LED燈的發(fā)光顏色，增強程序的可讀性。使用loop()循環(huán)函數(shù)將燈的顏色進行遍歷，點亮與休眠相結(jié)合的形式實現(xiàn)燈的閃爍效果。

(三)清除LED狀態(tài)

通過創(chuàng)建destroy()函數(shù)，分別停止紅色和綠色的PWM脈沖運行，進而實現(xiàn)控制燈點亮和關(guān)閉。使用for循環(huán)關(guān)閉GPIO接口的輸出狀態(tài)，進而關(guān)閉LED燈，最后通過GPIO中的cleanup()方法，重置GPIO狀態(tài)。

(四)創(chuàng)建異常處理

程序文件在執(zhí)行過程中通常會出現(xiàn)異常的情況，Python程序中最常見的錯誤為語法錯誤，因此Python程序在運行過程中需要采用一種較為友好的方式處理異常情況。在Python程序中通常使用try…except語句捕獲異常。Python文件在執(zhí)行中通常有兩種執(zhí)行方式，一種為腳本直接執(zhí)行，另一種為腳本調(diào)用執(zhí)行。在腳本直接執(zhí)行中，通常使用“if __name__ == “__main__””語句。在“if __name__ == “__main__””語句中可寫入異常處理語句。

五、總結(jié)

樹莓派平臺具備低能耗、移動便攜性、GPIO等特性，而且基于樹莓派的開發(fā)應(yīng)用成本較低，可在網(wǎng)絡(luò)中檢索大量資料，學(xué)生可以使用樹莓派搭建屬于自己的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，提高學(xué)生的動手操作能力。基于Python語言的程序編寫具備可擴展性，通過注釋等信息增強程序的可讀性，提升Python課程教學(xué)的實用性，增強學(xué)生對于Python程序的綜合應(yīng)用能力，為計算機程序設(shè)計類課程的教學(xué)提供新方式。將樹莓派的開發(fā)進一步改進為基于Python語言的代碼形式，可以為樹莓派的開發(fā)提供新的解決路徑，Python語言的發(fā)展也可為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的拓寬提供可能性支持。