玩轉(zhuǎn)虛擬與現(xiàn)實(shí)

劉金鵬

2015年初，一則“中國游客赴日本搶購馬桶蓋”的新聞引起了社會(huì)的極大關(guān)注。這其中，日本馬桶蓋的人性化設(shè)計(jì)和高科技配置應(yīng)該是吸引國人瘋狂搶購的最主要原因，對(duì)此有人戲稱：一只馬桶蓋打敗了“中國制造”?！爸袊圃臁睉?yīng)如何向“中國智造”轉(zhuǎn)變？這不但對(duì)中國的制造業(yè)提出了新的挑戰(zhàn)，同時(shí)也對(duì)學(xué)校教育要培養(yǎng)什么樣的人才提出了新的期待。幾乎在同一時(shí)間，李克強(qiáng)總理訪問了深圳“柴火創(chuàng)客空間”，并把“創(chuàng)客”二字第一次寫進(jìn)了政府工作報(bào)告，創(chuàng)客及創(chuàng)客教育第一次風(fēng)風(fēng)火火走進(jìn)了大眾的視線。

什么是創(chuàng)客教育

什么是創(chuàng)客，什么又是創(chuàng)客教育呢？“創(chuàng)客”一詞來源于英語“Maker”，是指出于興趣和愛好，通過動(dòng)手實(shí)踐或借助新技術(shù)把各種創(chuàng)意轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的人。“創(chuàng)客”們堅(jiān)守創(chuàng)新，持續(xù)實(shí)踐，樂于分享并且追求美好生活，所以又有人稱他們?yōu)椤巴鎰?chuàng)新的人”。當(dāng)創(chuàng)客精神與教育相遇，“創(chuàng)客教育”便誕生了?！皠?chuàng)客”活動(dòng)激發(fā)了學(xué)生的興趣和欲望，讓教育從以前的“老師讓學(xué)生學(xué)”變成了“學(xué)生自己想要學(xué)”。美國創(chuàng)客教育非常流行，我國臺(tái)灣和香港地區(qū)創(chuàng)客教育活動(dòng)也非常普及。其實(shí)每個(gè)孩子都是天生的創(chuàng)客，每個(gè)發(fā)明家都有一個(gè)喜歡拆東西的童年，只是在教育和成長過程中，動(dòng)手做并不被特別鼓勵(lì)，甚至被認(rèn)為是在浪費(fèi)時(shí)間，這扼殺了孩子的創(chuàng)造力。

為什么是Scratch測控板

近年來，以Scratch為代表的創(chuàng)客教育在國內(nèi)如雨后春筍般遍地開花，江蘇、浙江、廣東等地區(qū)Scratch教學(xué)內(nèi)容目前已經(jīng)進(jìn)入了小學(xué)信息技術(shù)教材。筆者認(rèn)為，Scratch進(jìn)入信息技術(shù)教材，不僅是信息技術(shù)教學(xué)中又多了一個(gè)有趣好玩的軟件，更主要是它給信息技術(shù)教學(xué)帶來了一種創(chuàng)新的可能，給學(xué)生提供了一個(gè)動(dòng)手、動(dòng)腦制作創(chuàng)意作品的全新舞臺(tái)。不過在筆者所看到的Scratch課堂教學(xué)中，大部分教師都以講解軟件的應(yīng)用操作為主，有些還把Scratch教學(xué)上成了編程和算法課。筆者更愿意看到的是，把Scratch當(dāng)成一個(gè)認(rèn)識(shí)和探索現(xiàn)實(shí)世界的工具，讓計(jì)算機(jī)能夠通過Scratch感受外部世界的變化，并能表達(dá)自己的觀點(diǎn)和看法，實(shí)現(xiàn)虛擬和現(xiàn)實(shí)互通。

那么，如何讓Scratch偵測到外部世界的信息并做出反應(yīng)呢？雖然目前市面上Arduino等開源硬件平臺(tái)功能已經(jīng)足夠強(qiáng)大，但對(duì)小學(xué)生來說，掌握起來仍比較吃力。其實(shí)，對(duì)于初學(xué)者來說，利用Scratch測控板初步認(rèn)識(shí)硬件是一個(gè)相對(duì)簡單實(shí)用的解決方案。為了讓Scratch更好地感知真實(shí)世界的各種變化，人們開發(fā)出了集成多種類型傳感器的通訊電路板——Scratch測控板來采集外部信息。Scratch測控板既可以通過板子上的傳感器輸入數(shù)據(jù)給Scratch，也可以把Scratch處理過的數(shù)據(jù)輸出給板子，用來控制電機(jī)或LED指示燈等外部設(shè)備。常見的Scratch測控板上一般都集成有滑桿、按鈕、光線、聲音等傳感器，除此以外還提供A、B、C、D四個(gè)傳感器輸入接口，可以連接更多的傳感器，比如檢測溫度、濕度、壓力、距離等信息并傳回模擬或數(shù)字量供Scratch程序調(diào)用。

目前，市場上各類Scratch板子比較多，如何選擇一款適用的Scratch測控板開展小學(xué)創(chuàng)客教育呢？一般來說，主要從性能和價(jià)格兩方面綜合來考慮。如前文提到的CK測控板，它分有線和無線兩款。板子內(nèi)置電機(jī)輸出和LED指示燈輸出模塊，五向鍵控制功能讓Scratch軟件具有更大的靈活性和操控性，無線測控板可在10米左右的距離無線控制Scratch實(shí)現(xiàn)交互，非常適合教師演示用，加上有相應(yīng)配套教材，是一款較理想的創(chuàng)客教育類產(chǎn)品。在興趣小組或社團(tuán)活動(dòng)中開展Scratch測控板教學(xué)活動(dòng)，如果經(jīng)費(fèi)充足，每位學(xué)生人手一塊板子當(dāng)然是最好的選擇。當(dāng)然也可以學(xué)生四人或六人為一小組合用一塊Scratch測控板開展教學(xué)。

那么，利用Scratch測控板在小學(xué)創(chuàng)客教育可以實(shí)現(xiàn)哪些效果呢？下面我們通過一個(gè)教學(xué)案例來說明。

Scratch測控板教學(xué)案例

以下是利用Scratch測控板上的按鈕、滑桿、光線、聲音等傳感器制作的一個(gè)Scratch范例作品《小蘋果2.0》。設(shè)計(jì)意圖是讓一個(gè)卡通版小男孩在變幻的舞臺(tái)上邊跳邊唱“小蘋果”。其中，用按鈕傳感器來控制音樂的播放；用滑桿傳感器來控制音量的大?。挥寐曇魝鞲衅鱽砜刂莆枧_(tái)背景的特效；用光線傳感器來控制舞臺(tái)背景的明暗；用測控板上的方向鍵來控制角色在舞臺(tái)上左右移動(dòng)；用測控板輸出功能來控制板載LED閃爍及驅(qū)動(dòng)振動(dòng)馬達(dá)工作等。

安裝并啟動(dòng)Scratch Plus，出現(xiàn)Scratch2.0界面。將Scratch測控板與電腦連接好，通過電腦“設(shè)備管理器”查看相應(yīng)端口號(hào)。選擇“連接”菜單下“COM3”及“Scratch Box 1.4”，界面最上方紅色指示燈變綠，說明Scratch測控板已經(jīng)檢測到，并可正常使用。這時(shí)，傳感器參數(shù)顯示在界面右下側(cè)表格中，推動(dòng)滑桿或按下按鈕或用手遮擋一部分光線或發(fā)出一些聲音，Scratch測控板上的相應(yīng)參數(shù)就會(huì)在0～100之間變化。

對(duì)角色“男孩”編寫腳本，讓“男孩”在舞臺(tái)上跳起來。從本地文件夾上傳音樂文件“小蘋果way”，用按鈕傳感器來控制音樂的播放。

用滑桿的變化來控制播放聲音的大小。

通過偵測Scratch測控板上的五向鍵來控制角色在舞臺(tái)上水平移動(dòng)。

用偵測到的外界聲音大小來控制“舞臺(tái)”角色的背景特效。

用偵測到的外界光線變化值來控制舞臺(tái)亮度。

通過馬達(dá)模塊驅(qū)動(dòng)Scratch測控板上的LED指示燈閃爍，也可用軟陶泥自己捏一個(gè)卡通造型并把振動(dòng)馬達(dá)放在卡通身體里，讓卡通人和電腦上的小孩一起動(dòng)起來！

在這個(gè)范例里，我們綜合運(yùn)用了Scratch測控板上的按鈕、滑桿、聲音、光線、線性阻力等傳感器，并通過測控板輸出功能來驅(qū)動(dòng)電機(jī)和LED指示燈工作，在Scratch2.0中實(shí)現(xiàn)了虛擬與現(xiàn)實(shí)互連。在教學(xué)實(shí)踐中，有了Scratch測控板這個(gè)“秘密武器”后，學(xué)生的創(chuàng)造力被激活了，從生活實(shí)際需求出發(fā)，編寫出了很多具有創(chuàng)意的Scratch作品。

學(xué)生Scratch測控板創(chuàng)意作品

1.作品《自動(dòng)點(diǎn)亮路燈》

使用了Scratch測控板上光線和聲音傳感器。當(dāng)Scratch測控板偵測到周圍環(huán)境光線變暗，并且有聲音發(fā)出時(shí)，就自動(dòng)點(diǎn)亮路燈，延時(shí)一段時(shí)間后熄滅。這個(gè)創(chuàng)意來自于生活中這位同學(xué)對(duì)智能路燈的觀察。

2.作品《自動(dòng)音樂噴泉》

使用了Scratch測控板上的按鈕和聲音傳感器。當(dāng)按下按鈕時(shí)觸發(fā)噴泉并播放音樂，隨著聲音音量的不斷變化，噴泉的形狀和高度也會(huì)發(fā)生同步的變化。這個(gè)創(chuàng)意來自于這位同學(xué)在市民廣場看到的音樂噴泉。

3.作品《大風(fēng)車》

使用Scratch測控板上的聲音傳感器和馬達(dá)輸出功能。利用廢鞋盒蓋手工完成大風(fēng)車背景繪制及葉片制作，并將葉片粘在和測控板連接好的馬達(dá)上。當(dāng)對(duì)著測控板吹風(fēng)時(shí)，利用聲音偵測功能，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)工作，實(shí)現(xiàn)虛擬和現(xiàn)實(shí)中大風(fēng)車同步旋轉(zhuǎn)。

4.作品《自動(dòng)窗簾》

使用了Scratch測控板上的光線傳感器，當(dāng)室內(nèi)光線變暗時(shí)，窗簾徐徐拉開采光，當(dāng)室內(nèi)光線變亮?xí)r，則自動(dòng)閉合窗簾。這個(gè)創(chuàng)意來自于智能家居設(shè)計(jì)，和生活場景相一致。

學(xué)生的這些作品創(chuàng)意大部分來源于實(shí)際生活經(jīng)驗(yàn)。用科技解決生活中碰到的實(shí)際問題，幫助人們更好地生活，這不就是我們學(xué)習(xí)科學(xué)技術(shù)的目的嗎？可見，Scratch測控板確實(shí)可以讓Scratch教學(xué)如虎添翼，增加教學(xué)的趣味性和互動(dòng)性。

其他硬件設(shè)備在教學(xué)中的應(yīng)用

在教學(xué)中使用Scratch測控板就如同為計(jì)算機(jī)增添更多的輸入輸出設(shè)備，讓計(jì)算機(jī)在更好地感受外界變化的同時(shí)也可以做出積極的反應(yīng)。其實(shí)，利用計(jì)算機(jī)自帶的話筒和攝像頭等設(shè)備也可以做出一些有趣的人機(jī)互動(dòng)或體感游戲等創(chuàng)意作品。

1.聽話的小狗（聲音控制）

創(chuàng)意：利用Scratch軟件自帶的話筒檢測指令，可以通過檢測外界聲音，實(shí)現(xiàn)讓站著的小狗聽到“趴下”命令時(shí)改變?cè)煨蜑椤芭肯隆睍r(shí)的效果，好像真的聽懂了我們說的話，實(shí)現(xiàn)小狗聽話做動(dòng)作的神奇效果。

2.切水果（體感游戲）

創(chuàng)意：通過Scratch2.0新增的視頻偵測功能和克隆功能，可以模仿在屏幕上切水果的體感游戲。當(dāng)站在攝像頭前的人揮動(dòng)手臂時(shí)，水果角色會(huì)自動(dòng)切換造型，變成被切成開時(shí)的造型。

3.觸摸肥皂泡（體感游戲）

創(chuàng)意：通過Scratch2.0新增的視頻偵測功能和克隆功能，模仿在屏幕上方的肥皂泡落下時(shí)用手去觸碰就會(huì)破裂的體感游戲。當(dāng)站在攝像頭前的人用指尖觸碰泡泡時(shí)，泡泡就會(huì)改變?cè)煨?，?shí)現(xiàn)泡泡破裂的效果。

Scratch測控板教學(xué)中應(yīng)注意的幾個(gè)問題

首先，Scratch測控板目前在Scratch1.4軟件中使用效果非常好，但目前在Scratch2.0使用時(shí)還存在一些小BUG。雖然Scratch2.0一直在改版，但對(duì)Scratch測控板的支持還不完美，必須要在Scratch修改版下使用才可以獲得更好的教學(xué)效果。

其次，在使用Scratch測控板時(shí)要注意，同一時(shí)間只能有一個(gè)程序可以使用Scratch測控板，所以不能同時(shí)打開兩個(gè)以上的程序。

再次，Scratch測控板的使用要和現(xiàn)實(shí)需求相結(jié)合，不能為了用而用。在教學(xué)中不能單純講解Scratch測控板的使用方法，而應(yīng)該結(jié)合具體的案例來讓學(xué)生體驗(yàn)虛擬和現(xiàn)實(shí)互連的神奇魅力。

最后，Scratch測控板的使用要注意趣味性和教育性結(jié)合，不能為了玩而玩。我們的教學(xué)不能單純靠過分追求趣味性去吸引學(xué)生的注意力，應(yīng)該讓學(xué)生在動(dòng)手和實(shí)踐中收獲知識(shí)，感受科技創(chuàng)造美好生活的真諦。

目前的Scratch測控板大多都只能支持一路馬達(dá)輸出，這制約了它的進(jìn)一步擴(kuò)展。如果讓Scratch作為軟件來控制二路電機(jī)，加上一些傳感器就可以制作出智能Scratch小車，實(shí)現(xiàn)一些例如走軌跡、躲避障礙、滅火、搜救等教學(xué)案例，就會(huì)讓Scratch測控板升級(jí)成為更好玩的教育產(chǎn)品。

總之，在小學(xué)創(chuàng)客教育中適時(shí)引入Scratch測控板，會(huì)使小學(xué)信息技術(shù)課程更有趣、好玩，而且能讓學(xué)生初步體驗(yàn)人工智能等硬件控制原理，這對(duì)學(xué)生后續(xù)進(jìn)一步的提高和拓展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。