Scratch硬件傳感器類型綜述

2013年8月舉辦的“第一屆中小學(xué)STEAM教育創(chuàng)新論壇”特設(shè)了硬件論壇，這次論壇吸引了國內(nèi)大部分Scratch傳感器板廠商的參與，硬件廠商是促進(jìn)信息技術(shù)教學(xué)當(dāng)中軟硬件結(jié)合的重要力量。在這次展示中有兩個亮點：一是教育市場產(chǎn)品和消費類電子市場產(chǎn)品的相互促進(jìn)，二是廠商更注重課程服務(wù)和設(shè)備的后續(xù)支持。Scratch傳感器板是Scratch語言拓展的一組硬件，基本功能如下。Scratch傳感器板的硬件資源包括：1個光傳感器、1個聲音傳感器、1個滑動桿、1個按鈕、4個自定義傳感器（電阻類）接口；其中按鈕是數(shù)字輸入量，只有連通和斷開兩種狀態(tài)；其他的接口都是模擬量輸入接口，輸入范圍是0～100，每個接口的分度值為100/1024。Scratch傳感器板的A、B、C、D四個自定義傳感器接口接受常見的電阻類傳感器輸入，包括熱敏電阻、濕敏電阻、彎曲傳感器（電阻型）、光敏電阻等。目前常見的Scratch傳感器板分為六類。

● Scratch標(biāo)準(zhǔn)板

Scratch傳感器板的英文名稱叫Picoboard，如果在Google中搜索圖片，可以看到它的樣子。它是一款開源硬件，任何人都可以按照電路圖生產(chǎn)，但是生產(chǎn)的產(chǎn)品的名字不能叫Picoboard，大概的價格是50美元，折合人民幣300元，其國內(nèi)代理商為奧松機器人。

由于傳感器板為開源硬件，任何人都可以生產(chǎn)，因此國內(nèi)出現(xiàn)了教師群體中自制Scratch傳感器板然后小批量銷售的情況。例如，如圖1所示的常州創(chuàng)客空間的傳感板，這種傳感器板立足于區(qū)域內(nèi)的銷售和服務(wù)，在線下培訓(xùn)、區(qū)域教研以及價格方面有一定的優(yōu)勢。同時，許多傳感器板廠商還給傳感器板加上盒子以便于管理（如圖2）。

● 雙層Scratch傳感器板

圖3所示的是雙層Scratch傳感器板，這種板下層是Arduino，上層是Scratch傳感器板的所有傳感器。它的好處是，下層的Arduino板可以直接用來講解另外一門圖形化編程語言ArduBlocks，并且在Scratch的S4A版本當(dāng)中，有更多的傳感器輸入，增加了兩個電機的輸出，還可以點亮多個LED燈，驅(qū)動繼電器控制高壓電路。雙層的Scratch傳感器板比較適合高年級的學(xué)生用Scratch標(biāo)準(zhǔn)板入門之后的后續(xù)學(xué)習(xí)。

● 馬達(dá)Scratch傳感器板

在Scratch語言中，使用“顯示馬達(dá)模塊”功能可以看到Scratch的馬達(dá)控制功能。這款馬達(dá)控制功能是為樂高的wedo開發(fā)的，可以接受兩個傳感器和控制一個馬達(dá)，此外Scratch的另外一個版本Enchanting，可以用與Scratch類似的方式對樂高NXT機器人編程。

由于馬達(dá)是一種重要的輸出設(shè)備，因此有的廠商生產(chǎn)的Labplus傳感器板將wedo的功能和Scratch傳感器板的功能集成在一起，并且兼容樂高的制式，拓展了Scratch傳感器板的應(yīng)用領(lǐng)域。在輸入方面增加了傳感器的類型，在輸出方面增添了控制LED、蜂鳴器等新功能。圖4是用傳感器板控制一個風(fēng)扇轉(zhuǎn)動的速度，使得扇葉上的LED燈形成文字。

● 基于Arduino的S4A板

Scratch有很多個改進(jìn)的版本，其中支持Arduino的S4A版本就是很重要的一個，通過Arduino可以大大拓展Scratch的輸入和輸出的功能。由于Arduino可以控制高壓電路，所以應(yīng)用的范圍很廣，如圖5所示，可以用S4A控制電磁水閥，實現(xiàn)草莓的自動灌溉。由于配合Arduino的傳感器的類型很豐富，因此通過S4A非常適合研發(fā)中小學(xué)的創(chuàng)新項目。

● Scratch無線板

由于Scratch傳感器板通過USB接口供電，因此傳感器必須與計算機直接連接，但是目前有些傳感器板提供無線的版本，上面所述的標(biāo)準(zhǔn)板、雙層板、馬達(dá)板和S4A板，都有各自的無線解決方案。無線板需要在Scratch傳感器板上附加一塊電池，需要充電才能工作，使用無線傳感器的人可以帶著傳感器自由的操控，其作品的表現(xiàn)力大大增強，與此同時，如果使用可以控制馬達(dá)的傳感器板，還可以制作機器人小車等較為復(fù)雜的智能裝置。

● 低成本的感測與控制裝置

為了給Scratch傳感器設(shè)置一個比較低的門檻，讓學(xué)生更容易過渡到更復(fù)雜的感測與控制設(shè)備，國際上還提供了一些接近零成本的感測與控制裝置的實施方案。感測方面，使用麥克風(fēng)可以作為一個低成本的感測裝置，可以偵測聲音響亮和音量值，如果將光敏電阻接入還可以感測光強的變化。使用如圖6所示的電路可以用粘在屏幕上的光敏電阻控制一個馬達(dá)。

以上介紹了六種典型的Scratch傳感器板的解決方案，這些方案的提供者基本分成三類：個人背景的愛好者和教師、致力于教育行業(yè)的企業(yè)、致力于消費類電子市場的企業(yè)。這三類群體在Scratch的感測與控制領(lǐng)域的發(fā)展都起著重要的作用。目前達(dá)成的共識是：①Scratch傳感器板結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，功能也比較簡單，因此需要與教師合作開發(fā)大量的應(yīng)用案例來提高其教學(xué)價值。②有必要將Scratch傳感器板的應(yīng)用領(lǐng)域由感測引向控制，并與中小學(xué)的科技創(chuàng)新課程和競賽結(jié)合起來。③希望Scratch傳感器板能夠作為Scratch教學(xué)的一種有益的補充，而學(xué)生并不僅僅在學(xué)校使用傳感器板，期望慢慢地部分學(xué)生能夠成為軟硬件技術(shù)的愛好者，將傳感器板買回家，并形成區(qū)域內(nèi)的愛好者圈子，這樣傳感器板就由教育市場走向了消費類電子市場，這才是這一領(lǐng)域的長期愿景。