Scratch與機(jī)器人融合的創(chuàng)客作品設(shè)計(jì)

王同聚

【摘 要】在“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代背景下，創(chuàng)客成了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)熱詞，創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)風(fēng)起云涌，創(chuàng)客教育也呈現(xiàn)出爆發(fā)趨勢(shì)。第十七屆全國(guó)中小學(xué)電腦制作活動(dòng)首次加入創(chuàng)客元素，為中小學(xué)開展創(chuàng)客教育和STEAM教育提供了展示的平臺(tái)。本文提出了利用Scratch與機(jī)器人融合開發(fā)創(chuàng)意編程和創(chuàng)意智造項(xiàng)目作品的解決方案，以電子鋼琴和電子爵士鼓的設(shè)計(jì)為例，介紹了通過Scratch與機(jī)器人融合來實(shí)現(xiàn)創(chuàng)客項(xiàng)目作品的設(shè)計(jì)和編程策略。

【關(guān)鍵詞】Scratch與機(jī)器人融合；創(chuàng)客教育；STEAM教育；創(chuàng)客作品；設(shè)計(jì)

【中圖分類號(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

【論文編號(hào)】1671-7384（2016）03-0067-03

2015年12月，《中央電化教育館關(guān)于舉辦第十七屆全國(guó)中小學(xué)電腦制作活動(dòng)的通知》[1]中增加了兩個(gè)新項(xiàng)目：創(chuàng)意編程和創(chuàng)意智造。從這兩個(gè)項(xiàng)目的要求來看，運(yùn)用Scratch與機(jī)器人融合能較好地完成項(xiàng)目作品的設(shè)計(jì)與創(chuàng)作。受此啟發(fā)，筆者設(shè)計(jì)開發(fā)了電子鋼琴和電子爵士鼓應(yīng)用案例，可實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)鍵盤、機(jī)器人傳感器兩種方式分別進(jìn)行鋼琴彈奏和打爵士鼓，所實(shí)現(xiàn)的作品交互性強(qiáng)、動(dòng)畫效果逼真，達(dá)到了“所想即所得”的效果?，F(xiàn)在，筆者把這兩個(gè)作品的設(shè)計(jì)方案與大家分享，希望能拋磚引玉。

全國(guó)中小學(xué)電腦制作活動(dòng)新增創(chuàng)意項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)策略

根據(jù)創(chuàng)意編程和創(chuàng)意智造兩個(gè)項(xiàng)目的編程環(huán)境以及對(duì)軟硬件的相關(guān)要求，將Scratch2-JMD與中鳴E2教育機(jī)器人融合，可較好地實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)項(xiàng)目的軟件編寫和硬件設(shè)計(jì)。Scratch2-JMD在Scratch開源軟件的基礎(chǔ)上經(jīng)二次開發(fā)后增加了電子控制模塊，而E2-RCU控制器是由Arduino板二次開發(fā)而成的，它能夠讓Scratch與機(jī)器人完美融合，可以實(shí)現(xiàn)即時(shí)編寫程序即時(shí)運(yùn)行，利用它可輕松創(chuàng)建自己的互動(dòng)故事、動(dòng)畫、游戲、音樂并在網(wǎng)絡(luò)上分享作品[2]。Scratch與機(jī)器人之間可以通過有線USB、無線藍(lán)牙或Wi-Fi等多種方式連接，獲取電子傳感器信息，控制電子執(zhí)行模塊，可使動(dòng)畫與電子模塊完美結(jié)合并進(jìn)行一系列的創(chuàng)作，實(shí)現(xiàn)所見即所得的教學(xué)效果。[3] [4]

電子鋼琴的設(shè)計(jì)制作

1. 電子鋼琴圖片的準(zhǔn)備與角色導(dǎo)入

通過電子鋼琴拍照或從iPad的App軟件中截取一個(gè)電子鋼琴全鍵盤的圖片，再用Photoshop軟件摳圖，獲取4個(gè)琴鍵的圖片。為保證所有圖片文件為底色透明，將文件保存為.PNG格式。在Scratch2-JMD中依次導(dǎo)入全鍵盤、琴鍵和“小女孩”角色的圖片，導(dǎo)入后鍵盤布局及各琴鍵角色如圖1所示。

圖1 導(dǎo)入角色圖片

2. 用計(jì)算機(jī)鍵盤彈琴的程序設(shè)計(jì)

（1）計(jì)算機(jī)鍵盤與琴鍵的對(duì)應(yīng)關(guān)系

Scratch2-JMD軟件內(nèi)部提供了2個(gè)八度音階的音源，根據(jù)使用習(xí)慣，筆者將計(jì)算機(jī)鍵盤上的字母z、x、c、v、b、n、m分別對(duì)應(yīng)低音區(qū)音名LC、LD、LE、LF、LG、LA、LB，字母a對(duì)應(yīng)低音區(qū)音名LB，字母s、d、f、g、h、j、k分別對(duì)應(yīng)中音區(qū)音名C、D、E、F、G、A、B，字母l對(duì)應(yīng)高音區(qū)音名HC，字母q、w、e、r、t、y、u、i、o、p分別對(duì)應(yīng)琴鍵上的黑鍵L#D、L#F、L#G、L#A、#C、#D、#F、#G、#A、H#C等音名，這樣就可以完成兩個(gè)八度音階的布局。

（2）示范曲的程序編寫

利用Scratch2-JMD軟件平臺(tái)所提供的音源文件可以編寫多首樂曲。這里以《兩只老虎》為例（如圖2），當(dāng)按下計(jì)算機(jī)的空格鍵時(shí)，會(huì)自動(dòng)演奏該樂曲。

（3）彈琴程序與動(dòng)畫效果程序的設(shè)計(jì)

利用計(jì)算機(jī)鍵盤彈琴的動(dòng)畫效果可以通過兩種方式呈現(xiàn)：一是針對(duì)“女孩”角色進(jìn)行編程，計(jì)算機(jī)鍵盤彈奏到哪個(gè)鍵，“女孩”就會(huì)移動(dòng)到電子鋼琴的相應(yīng)位置跳動(dòng)一下并發(fā)出該鍵的聲音；二是彈到哪個(gè)鍵，電子鋼琴的相應(yīng)琴鍵出現(xiàn)灰色閃爍一次。以“s”鍵為例，用計(jì)算機(jī)鍵盤彈琴程序及計(jì)算機(jī)屏幕呈現(xiàn)動(dòng)畫效果程序如圖3所示。

圖3 計(jì)算機(jī)鍵盤對(duì)應(yīng)鍵的程序編寫

3. 用機(jī)器人傳感器彈琴的程序設(shè)計(jì)

用機(jī)器人彈琴可以使用觸碰傳感器或超聲波傳感器來實(shí)現(xiàn)，兩種傳感器彈琴的操作方式分別是接觸式和懸空式。現(xiàn)以觸碰傳感器為例，介紹電子鋼琴的程序設(shè)計(jì)方案。

（1）觸碰傳感器與琴鍵的對(duì)應(yīng)關(guān)系

Scratch2-JMD軟件內(nèi)部提供了2個(gè)八度音階的音源，E2機(jī)器人可以連接8個(gè)觸碰傳感器（可擴(kuò)展為16個(gè)）。以C調(diào)為例，將觸碰傳感器P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7分別對(duì)應(yīng)中音區(qū)音名C、D、E、F、G、A、B，將觸碰傳感器P8對(duì)應(yīng)低音區(qū)音名LG，這樣的布局（如圖4）可以完成多個(gè)常見曲目的彈奏。

圖4 觸碰傳感器機(jī)器人模型

（2）彈琴程序與動(dòng)畫效果程序的設(shè)計(jì)

以P1輸入口為例，用機(jī)器人觸碰傳感器彈琴及計(jì)算機(jī)屏幕動(dòng)畫效果的程序如圖5所示。

圖5 機(jī)器人每個(gè)觸碰傳感器的程序編寫

電子爵士鼓的設(shè)計(jì)制作

1. 電子爵士鼓圖片的準(zhǔn)備與角色導(dǎo)入

通過爵士鼓拍照或從iPad的App軟件中截取一個(gè)電子爵士鼓總圖的圖片，再用Photoshop軟件將總圖中的每個(gè)鼓圖片摳取出來。為保證所有圖片文件為底色透明的，將文件保存為.PNG格式。在Scratch2-JMD中依次導(dǎo)入爵士鼓總圖、單個(gè)鼓和鼓棒角色圖片，導(dǎo)入后如圖6所示。

圖6 導(dǎo)入角色圖片

2. 爵士鼓音源文件的采集

利用GoldWave、Cool Edit Pro2.0等音頻處理軟件對(duì)每個(gè)鼓進(jìn)行聲音文件的錄制、加工和處理，分別完成地鼓、軍鼓、一嗵、二嗵、三嗵、四嗵、左吊镲、右吊镲、節(jié)奏镲、開镲和閉镲等多個(gè)鼓音源文件的采集，音源文件格式為.MP3。

3. 用計(jì)算機(jī)鍵盤打爵士鼓的程序設(shè)計(jì)

（1）計(jì)算機(jī)鍵盤與每個(gè)鼓的對(duì)應(yīng)關(guān)系

將計(jì)算機(jī)鍵盤上字母z、x、c、v、b、n、m分別對(duì)應(yīng)爵士鼓的閉镲、開镲、節(jié)奏镲、一嗵、二嗵、三嗵、四嗵，字母s、h、j、l分別對(duì)應(yīng)爵士鼓的左吊镲、右吊镲、軍鼓、地鼓。這樣，就可以完成計(jì)算機(jī)鍵盤與爵士鼓上每個(gè)鼓的布局。

（2）打鼓程序與動(dòng)畫效果程序的設(shè)計(jì)

利用計(jì)算機(jī)鍵盤打鼓的動(dòng)畫效果可以通過兩種方式呈現(xiàn)：一是針對(duì)“鼓棒”角色進(jìn)行編程，計(jì)算機(jī)鍵盤彈奏到哪個(gè)鍵，“鼓棒”就移動(dòng)到電子爵士鼓的相應(yīng)位置跳動(dòng)一下，發(fā)出該鍵對(duì)應(yīng)鼓的聲音，鼓棒的顏色也會(huì)發(fā)生變化；二是彈到哪個(gè)鍵時(shí)，電子爵士鼓的相應(yīng)鼓跳動(dòng)一次。通過導(dǎo)入聲音文件，可以設(shè)定每個(gè)鼓的聲音文件并用鍵盤控制鼓的發(fā)音，同時(shí)可導(dǎo)入多首示范曲，如數(shù)字鍵可以對(duì)應(yīng)多個(gè)示范曲。這里以《光輝歲月》為例，當(dāng)按下計(jì)算機(jī)鍵盤數(shù)字“1”時(shí)，樂曲會(huì)自動(dòng)響起來。以“s”鍵為例，用計(jì)算機(jī)鍵盤打鼓及計(jì)算機(jī)屏幕呈現(xiàn)動(dòng)畫效果的程序如圖7所示。

圖7 計(jì)算機(jī)鍵盤按鍵程序的編寫

4. 用機(jī)器人傳感器打鼓的程序設(shè)計(jì)

用機(jī)器人打鼓也可以使用觸碰傳感器或超聲波傳感器來實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在以觸碰傳感器為例，介紹電子爵士鼓的程序設(shè)計(jì)方案。

（1）觸碰傳感器與琴鍵的對(duì)應(yīng)關(guān)系

E2機(jī)器人可以連接8個(gè)觸碰傳感器（可擴(kuò)展為16個(gè)），將觸碰傳感器P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8分別對(duì)應(yīng)爵士鼓的軍鼓、地鼓、左吊镲、釘釘、閉镲、一嗵、二嗵、四嗵，這樣就可以完成傳感器與每個(gè)鼓的布局。

（2）打鼓程序與動(dòng)畫效果程序的設(shè)計(jì)

用機(jī)器人觸碰感器打鼓及計(jì)算機(jī)屏幕動(dòng)畫效果程序如圖8所示。

圖8 每個(gè)觸碰傳感器控制爵士鼓的程序編寫

通過創(chuàng)客項(xiàng)目作品的設(shè)計(jì)與開發(fā)應(yīng)用，可以促進(jìn)中小學(xué)開展創(chuàng)客教育和STEAM教育的進(jìn)程，讓學(xué)生以信息技術(shù)課程和STEAM（科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)）課程為基礎(chǔ)，開展基于Scratch與機(jī)器人融合的創(chuàng)新設(shè)計(jì)項(xiàng)目研究，讓學(xué)生在合作探究和問題解決過程中通過做中學(xué)、學(xué)中做、做中創(chuàng)，將自己的創(chuàng)意和想法變成創(chuàng)新設(shè)計(jì)作品，從而培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力、創(chuàng)新思維能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，并形成獨(dú)立思考和開拓創(chuàng)新的良好習(xí)慣，在實(shí)踐、創(chuàng)新、協(xié)作和分享的過程中，促進(jìn)學(xué)生的個(gè)性發(fā)展。

注：本文系全國(guó)教育信息技術(shù)研究“十二五”規(guī)劃2012年度重點(diǎn)課題子課題“微課在中小學(xué)機(jī)器人教育中的應(yīng)用研究”（立項(xiàng)號(hào)：123620577-0037）、廣東省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2012年度教育信息技術(shù)研究課題“中小學(xué)智能機(jī)器人科技教育教學(xué)模式的構(gòu)建與評(píng)價(jià)研究”（立項(xiàng)號(hào)：12JXN011）和2016年廣州市青少年科技教育項(xiàng)目“基于智能機(jī)器人創(chuàng)客教育的科技教師培訓(xùn)”（立項(xiàng)號(hào)：2016-299）研究成果。

（作者單位：廣東廣州市教育信息中心）