Scratch與機(jī)器人共融在教學(xué)中的應(yīng)用與實踐

王同聚

Scratch是麻省理工學(xué)院媒體實驗室為普通公眾開發(fā)的電腦程序語言，采用圖形化編程界面，通過類似積木的編程環(huán)境，構(gòu)建互動多媒體環(huán)境。利用它可輕松地創(chuàng)建自己的互動故事、動畫、游戲、音樂、藝術(shù)和在網(wǎng)絡(luò)上分享作品。中鳴E2教育機(jī)器人是由E2-RCU控制器、多種傳感器、帶編碼盤的直流減速馬達(dá)等硬件設(shè)備組成，帶觸屏功能的RCU控制器具有數(shù)據(jù)顯示、時間控制、USB通訊、藍(lán)牙通訊和WiFi通訊等功能，軟件編程支持圖形化編程和C語言代碼編程，同時也具備利用Scratch操控E2機(jī)器人積木套裝的功能，能夠讓Scratch與機(jī)器人完美融合，可以實現(xiàn)即時編寫程序即時運行，Scratch與機(jī)器人之間可以通過有線USB、無線藍(lán)牙或WiFi等多種方式進(jìn)行連接，獲取電子傳感器信息，控制電子執(zhí)行模塊，使動畫與電子模塊完美結(jié)合進(jìn)行一系列的創(chuàng)作，實現(xiàn)所見即所得的教學(xué)效果。Scratch與機(jī)器人交互平臺進(jìn)行虛實結(jié)合，讓學(xué)生經(jīng)歷“想象-創(chuàng)造-游戲-分享-反思”的過程，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，為中小學(xué)創(chuàng)客教育開辟了一條新途徑。

Scratch與機(jī)器人硬件的配置

1.硬件設(shè)備準(zhǔn)備

安裝Scratch需要準(zhǔn)備電腦1臺，電腦需配有USB接口、藍(lán)牙模塊和WiFi模塊；中鳴E2教育機(jī)器人積木套裝1套，由E2-RCU控制器、光電傳感器、觸碰傳感器、聲音傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、紅外傳感器、嗡鳴發(fā)聲器、LED燈、帶編碼盤的直流減速馬達(dá)、積木套件等硬件設(shè)備組成，帶觸屏功能的RCU控制器具有數(shù)據(jù)顯示、時間控制、USB通訊、藍(lán)牙通訊和WiFi通訊等功能。

2.Scratch2-JMD軟件平臺的安裝

運行Scratch軟件平臺需要Adobe AIR的支持，需要先安裝Adobe AIR。最新版本的Adobe AIR安裝包的下載地址：http：//getadobe.com/cn/air/，安裝包的文件名是adobeAISInstaller-15.0.0.356.exe。下載完成后雙擊安裝即可。Scratch為開源程序，經(jīng)過二次開發(fā)完成的Scratch2-JMD軟件可以實現(xiàn)與機(jī)器人進(jìn)行無縫鏈接，接下來需要下載安裝Scratch2-JMD軟件，該軟件的網(wǎng)盤下載地址：http：//panbaidu.com/share/home？uk=3558755876#category/type=0，安裝包的文件名是Scratch2-JMD-v5.01.16.exe。Windows XP系統(tǒng)可以直接安裝運行，而Windows7或Windows8系統(tǒng)安裝時需要右鍵點擊安裝包，點擊“以管理員身份”來安裝即可，軟件界面依然保留了原Scratch 2.0版本的基本風(fēng)格，有工程、舞臺、角色、腳本、造型、聲音和編程區(qū)等，稍有不同的是，Scratch2-JMD軟件把原Scratch 2.0“腳本”菜單中的“更多積木”換成了“電子模塊”，軟件窗口右上角的“登入”換成了“E2-RCU”，Scratch2-JMD軟件運行后界面如圖1所示。

3.Scratch2-JMD軟件平臺與E2控制器的連接

Scratch-JMD軟件平臺與E2機(jī)器人控制器有三種連接方法：有線USB、藍(lán)牙和WiFi連接等。這里以有線USB連接為例介紹Scratch-JMD軟件平臺與E2機(jī)器人控制器的連接方法。

E2教育機(jī)器人積木套裝里面有一條USB連接線，方形的一頭連接到E2控制器，另外一頭連接電腦的USB。接著給E2控制器安裝好電池，按下“Power”按鈕，E2控制器的屏幕出現(xiàn)了如圖2所示的界面。

在Scratch-JMD軟件平臺菜單點擊“連接”——“E2有線固件”，點擊E2控制器觸摸屏上的“USB下載”，提示下載成功后重啟E2控制器。在Scratch-JMD軟件平臺菜單中點擊“連接”——“USB HID”，再單擊E2控制器“選擇程序”運行“E2-USB”程序，Scratch-JMD軟件界面右上角可以看到“USB已連接到E2-RCU”。至此，便完成了Scratch-JMD軟件平臺與E2機(jī)器人控制器的連接，從而實現(xiàn)了用Scratch在線控制E2教育機(jī)器人之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。運用藍(lán)牙和WiFi實現(xiàn)Scratch與機(jī)器人連接的操作方法與此類似，在此不再贅述。

Scratch與機(jī)器人共融在教學(xué)中的應(yīng)用

1.用Scratch編程控制機(jī)器人完成相關(guān)任務(wù)

用Scratch-JMD軟件在電腦上編好程序，通過USB連線把電腦和E2機(jī)器人連接起來，用電腦就可以控制機(jī)器人完成一系列任務(wù)。這里以Scratch控制機(jī)器人邊運動邊閃燈的實例來介紹其實現(xiàn)方案。

（1）機(jī)器人的搭建

搭建邊運動邊閃燈的機(jī)器人需要E2控制器1個，LED燈2個、帶編碼盤的直流減速馬達(dá)2個，各種連接件和連線若干，2個馬達(dá)分別連接在M1和M2端口，2個LED燈分別連接在P7和P8端口，最后搭建的機(jī)器人如圖3所示。

（3）Scratch程序在線控制機(jī)器人運行

用USB連接線將電腦和E2機(jī)器人連接好，打開E2機(jī)器人電源，單擊E2觸屏控制器上的“運行E2_USB”，待Scratch-JMD軟件界面右上角出現(xiàn)“USB已連接到E2-RCU”時，代表Scratch可以與E2機(jī)器人能夠進(jìn)行通信了。這時單擊Scratch“工程”區(qū)的綠色小旗子，就發(fā)現(xiàn)E2機(jī)器人邊前后往返運動、2個LED燈分別發(fā)出紅色和綠色亮光后熄滅，反復(fù)三次后自動停止。從而實現(xiàn)了Scratch在線控制機(jī)器人完成一系列任務(wù)的功能。

2.用Scratch中的小貓在線控制機(jī)器人完成相關(guān)任務(wù)

（1）小貓活動場景的設(shè)置和機(jī)器人的準(zhǔn)備

首先在“角色”區(qū)用“繪制新角色”新增加一個角色，在Scratch的“造型”區(qū)用繪畫工具在小貓的正下方畫出3個實心圓，分別設(shè)為紅、綠、藍(lán)三種顏色，2個角色的位置如圖5所示。機(jī)器人需要一個E2控制器和1個LED燈插在P1端口即可。

（3）測試小貓在線控制機(jī)器人完成任務(wù)

E2機(jī)器人控制器與Scratch通過USB連接完成通信后，點擊綠色小旗子運行程序，用鼠標(biāo)分別把小貓移動到紅、綠、藍(lán)三個實心圓上時會發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人的LED燈分別會發(fā)出紅、綠、藍(lán)三種顏色的亮光，小貓移到空白處燈又熄滅，從而實現(xiàn)了小貓在線控制機(jī)器人完成任務(wù)的功能。

3.用機(jī)器人在線控制Scratch中的小貓完成相關(guān)任務(wù)

（1）小貓活動場景的設(shè)置和機(jī)器人的準(zhǔn)備

首先在“角色”區(qū)用“繪制新角色”新增加一個角色，在Scratch的“造型”區(qū)用繪畫工具在小貓的正下方畫出1個實心的藍(lán)色矩形框，2個角色的位置如圖7所示。機(jī)器人需要一個E2控制器和1個光電傳感器插在P1端口即可。

（3）機(jī)器人在線控制小貓運動演示

E2機(jī)器人控制器與Scratch通過USB連接完成通信后，點擊綠色小旗子運行程序，準(zhǔn)備一張一半為白色另一半為藍(lán)色的紙板，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)：當(dāng)機(jī)器人移到藍(lán)色紙板處時屏幕上的小貓也移到舞臺的藍(lán)色方塊上，當(dāng)機(jī)器人移到白色紙板處時小貓也馬上回到舞臺的白色區(qū)，從而實現(xiàn)了機(jī)器人在線控制小貓運動的功能。

Scratch與教育機(jī)器人融合為創(chuàng)客教育開辟了新的發(fā)展空間

通過以上三個簡單教學(xué)案例讓大家認(rèn)識到Scratch能夠與E2教育機(jī)器人進(jìn)行無縫連接，發(fā)揮了Scratch和教育機(jī)器人各自優(yōu)勢，二者融合拓展了其應(yīng)用范圍和創(chuàng)新功能。隨著互聯(lián)網(wǎng)熱潮和3D打印技術(shù)、微控制器開源硬件日益成熟，創(chuàng)客教育正在掀起一股全球的教育變改浪潮。目前全世界已建立1400多個創(chuàng)客空間（Maker space），隨著創(chuàng)客空間的普及，創(chuàng)客精神越來越多地引起了教育者的思考和共鳴。為順應(yīng)“互聯(lián)網(wǎng)+”時代教育和社會發(fā)展要求，發(fā)揮創(chuàng)客教育在培養(yǎng)青少年創(chuàng)新思維中的作用，擴(kuò)充創(chuàng)客教育資源，把智能機(jī)器人設(shè)計制作、Scratch創(chuàng)意設(shè)計和3D打印技術(shù)應(yīng)用作為創(chuàng)客教育的三劍客，將Scratch與教育機(jī)器人進(jìn)行有機(jī)融合，充分發(fā)揮青少年開拓創(chuàng)新的精神，完成更加精彩的創(chuàng)意作品，從而拓展創(chuàng)客教育的發(fā)展空間。