基于“Scratch+X”的小學(xué)創(chuàng)客課程的構(gòu)建與實(shí)施

郭巍丹 陳欣瑋

【摘 要】文章從創(chuàng)客教育理念出發(fā)，介紹了Scratch編程教學(xué)與各類硬件進(jìn)行系統(tǒng)融合而構(gòu)建形成的“Scratch+X”小學(xué)創(chuàng)客課程，并結(jié)合實(shí)例介紹了“Scratch+X”課程的設(shè)計(jì)、實(shí)施與價(jià)值以及實(shí)踐感悟。

【關(guān)鍵詞】Scratch 攝像頭 傳感器 創(chuàng)客教育

一、基于“Scratch+X”的小學(xué)創(chuàng)客課程的產(chǎn)生

創(chuàng)客教育的興起與科技進(jìn)步密切相關(guān)。智能手機(jī)和平板電腦的流行讓各類高新信息技術(shù)的應(yīng)用貼近了人們的生活，這些技術(shù)橫跨軟件和硬件兩個(gè)領(lǐng)域，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注軟硬件技術(shù)的有機(jī)結(jié)合和綜合應(yīng)用。與此同時(shí)，Scratch和由Scratch衍生而來的外接硬件設(shè)備也進(jìn)入了蓬勃發(fā)展期。由于Scratch與信息素養(yǎng)、計(jì)算思維等有著緊密的聯(lián)系，又可以提高硬件組裝、互動(dòng)設(shè)計(jì)等能力，所以往往被作為小學(xué)生創(chuàng)客教育的一種載體。

“Scratch+X”就是“Scratch +各類硬件”，但這并不是簡單的兩者相加，而是利用學(xué)生的創(chuàng)意與設(shè)計(jì)，讓Scratch與一些機(jī)器人設(shè)備、可擴(kuò)展的硬件進(jìn)行深度融合，創(chuàng)造新的作品。希望通過一系列課程的學(xué)習(xí)，帶領(lǐng)學(xué)生從虛擬向走現(xiàn)實(shí)，這樣的課程將對(duì)于學(xué)生體驗(yàn)程序設(shè)計(jì)奇妙的效果和智能世界的無限創(chuàng)意具有很強(qiáng)的促進(jìn)作用。

二、基于“Scratch+X”的小學(xué)創(chuàng)客課程的內(nèi)容

“Scratch+X”的小學(xué)創(chuàng)客課程要求學(xué)生能通過問題分析、設(shè)備選擇、程序設(shè)計(jì)、藝術(shù)創(chuàng)作、動(dòng)手操作等方式綜合性地解決問題或完成項(xiàng)目。在編程語言方面，圖形化編程平臺(tái)Scratch降低了編程技術(shù)門檻。在硬件方面，針對(duì)Scratch軟件開發(fā)的外接設(shè)備作為學(xué)生探究學(xué)習(xí)的主題與學(xué)習(xí)環(huán)境，越來越受中小學(xué)生的喜愛。目前，市面上Scratch外接設(shè)備層出不窮，筆者根據(jù)產(chǎn)品的功能、性質(zhì)、性價(jià)比等方面結(jié)合小學(xué)生的認(rèn)知水平與興趣點(diǎn)，選擇了部分合適的具有代表性的產(chǎn)品，作為“Scratch+X”創(chuàng)客課程的硬件，并分別設(shè)置了系列課程，分為以下三類（如圖1所示）：

（一）“S+攝像頭→體感游戲”系列課程

Scratch最能引起學(xué)生直觀感受的功能莫過于新生的“視頻感知”技術(shù)，它所需的設(shè)備只是一只普通的攝像頭，比較容易掌握，特別適合小學(xué)生的學(xué)習(xí)與體驗(yàn)。在Scratch中與攝像頭有關(guān)的指令（如表1）可以直接捕捉、判斷攝像頭中的畫面，進(jìn)而對(duì)Scratch程序中舞臺(tái)中的角色等產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作。

利用攝像頭的捕捉技術(shù)，我們可以在作品中脫離以往的用鍵盤和鼠標(biāo)來控制角色，代替它們的是揮手、搖頭等肢體語言來與自己編寫的程序產(chǎn)生交互，因此這一功能也常被冠以“體感”之名。這樣的功能極大地激發(fā)了學(xué)生對(duì)互動(dòng)媒體作品的創(chuàng)作欲望。

比如在《拯救小貓》這個(gè)案例中，互動(dòng)創(chuàng)意是利用手接住即將落入水中的小貓，當(dāng)攝像頭檢測到對(duì)于角色有物體的動(dòng)作時(shí)，小貓就會(huì)反彈回頂部，否則，小貓會(huì)落入水中。作品的制作方法是：對(duì)舞臺(tái)編寫腳本（如圖2），用于開啟與關(guān)閉攝像頭;對(duì)角色編寫腳本（如圖3），重復(fù)克隆自己，實(shí)現(xiàn)小貓連續(xù)不斷地出現(xiàn)，當(dāng)角色上的動(dòng)作參數(shù)大于10時(shí)，則表示有事物接到了小貓，小貓彈回頂部。

（二）“S+傳感器→互動(dòng)作品”系列課程

Scratch傳感器板是Scratch語言拓展的一組硬件，是經(jīng)常用于傳感器學(xué)習(xí)入門的一類設(shè)備。目前，市面上有各種不同廠家生產(chǎn)的傳感器板（如圖4），比如盛思魔盒、CK 測控板、PicoBoard傳感器板……

雖然版本眾多，但一般Scratch傳感器板的硬件資源都包括 ：光電、聲音、滑桿、按鈕傳感器和自定義傳感器（電阻類）。4個(gè)自定義傳感器接口接受常見的電阻類傳感器輸入，比如包括熱敏電阻、濕敏電阻等;有的還有1到2個(gè)輸出接口，用于輸出LED燈或馬達(dá)。比如我們使用的盛思魔盒套裝中，還可以輸出動(dòng)力給水泵、蜂鳴器、風(fēng)扇等，實(shí)現(xiàn)更多樣的作品。

在《日升日落》案例中，互動(dòng)創(chuàng)意是利用傳感器控制太陽的升起與降落：當(dāng)太陽升起，舞臺(tái)和角色變清晰;當(dāng)太陽下降，舞臺(tái)與角色看不見。不同的學(xué)生提出了不同的解決思路：有學(xué)生提議既然是太陽和亮度有關(guān)系，就使用光線傳感器來接收外界亮度值，外界亮度越亮太陽越高，舞臺(tái)與角色更亮（如圖5）;也有學(xué)生提議用滑桿傳感器（0-100值），來決定太陽在舞臺(tái)中的y值（如圖6）。

由于這種傳感器板存在入門快、容易理解的優(yōu)勢，學(xué)生可以迅速舉一反三利用傳感器的偵測值，對(duì)數(shù)據(jù)加以分析、歸納，進(jìn)而游刃有余地進(jìn)行創(chuàng)作。

（三）“S+積木套裝→智能機(jī)器”系列課程

“Scratch+X”創(chuàng)客課程中還有一類是與WeDo、中鳴等積木套裝的結(jié)合使用。這一類硬件設(shè)備，除了常見的傳感器以外，還可以用各種積木搭建實(shí)體的機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)機(jī)器的簡易動(dòng)作，更具交互性。相比于傳感器板，這類作品還需要具備對(duì)物理結(jié)構(gòu)、工程結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。通過前面課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)于積木套裝中的傳感器在作品中的應(yīng)用已經(jīng)非常熟悉，所以這類作品，我們將創(chuàng)意重點(diǎn)放在物理結(jié)構(gòu)的搭建上，更多地思考如何將虛擬的舞臺(tái)畫面與實(shí)體的智能機(jī)器進(jìn)行深度融合。

比如在《守門員》這個(gè)案例中，互動(dòng)創(chuàng)意是要實(shí)現(xiàn)舞臺(tái)和實(shí)體的守門員守門的情境。學(xué)生首先在Scratch環(huán)境中，編寫程序完成守門員角色受鼠標(biāo)控制在球門前守球的功能，這個(gè)過程為進(jìn)一步控制實(shí)體簡易機(jī)器人做準(zhǔn)備（如圖7所示）。然后小組討論并動(dòng)手搭建球門和守門的實(shí)體機(jī)械臂，并連接控制器上的馬達(dá)。最后修改Scratch程序，實(shí)現(xiàn)舞臺(tái)中守門員與實(shí)體守門的機(jī)械臂的統(tǒng)一控制（如圖8所示）。

正如與上文的案例中所描述的情形一樣，在實(shí)際教學(xué)中學(xué)生往往對(duì)此表現(xiàn)出了無比的熱情。它的優(yōu)勢在于既可以做圖文并茂的作品，又可以用虛擬的角色控制真實(shí)的硬件，使學(xué)生們愛不釋手。

三、基于“Scratch+X”的小學(xué)創(chuàng)客課程的實(shí)施

（一）課程實(shí)施的對(duì)象

為體現(xiàn)學(xué)?；凇癝cratch+X”的小學(xué)創(chuàng)客拓展課程的特色，本課程每周有2課時(shí)，形成系統(tǒng)。課程面向四到六年級(jí)學(xué)生，通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)自主選課。一般來說選修這個(gè)課程的學(xué)生已經(jīng)對(duì)Scratch純軟件學(xué)習(xí)有一定的基礎(chǔ)，相當(dāng)于是在純軟件學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上的進(jìn)階深入學(xué)習(xí)。

（二）課程實(shí)施的硬件

學(xué)校有專用信息教室4個(gè)，機(jī)器人工作室1個(gè)，都已經(jīng)安裝號(hào)Scratch各個(gè)版本軟件，滿足學(xué)生學(xué)習(xí)環(huán)境的需要。機(jī)房電腦是自帶攝像頭的一體機(jī)，且前期已經(jīng)擁有各款Scartch外接硬件設(shè)備（如表2）。這些都為課程的開設(shè)提供了基礎(chǔ)。

（三）課程實(shí)施的策略與評(píng)價(jià)

創(chuàng)客教育的虛實(shí)融合不僅體現(xiàn)在軟硬件工具上，還體現(xiàn)在學(xué)習(xí)環(huán)境上，既需要線上的環(huán)境提供創(chuàng)客交流社區(qū)和學(xué)習(xí)資源，也需要線下的創(chuàng)客空間以開展創(chuàng)意設(shè)計(jì)和創(chuàng)作。在 “Scratch+”互動(dòng)媒體技術(shù)課程實(shí)施過程中采用教師集中講解、學(xué)生自學(xué)微課、精品案例分析、作品賞析評(píng)價(jià)等多種形式進(jìn)行學(xué)習(xí);根據(jù)課堂、社團(tuán)、課外學(xué)習(xí)環(huán)境不同采用線上線下相結(jié)合、操作與講解相結(jié)合，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)理解與熟悉各種硬件的連接方法、使用方法以及各自的功能，進(jìn)而學(xué)會(huì)根據(jù)不同的主題項(xiàng)目（問題），由學(xué)生自己選擇不用的硬件設(shè)備設(shè)計(jì)制作不用的互動(dòng)作品。

創(chuàng)客教育關(guān)注學(xué)習(xí)過程、創(chuàng)新精神和科學(xué)方法。所以每個(gè)主題完成后，采用學(xué)生自評(píng)、小組互評(píng)、班級(jí)展示相結(jié)合，過程評(píng)價(jià)與作品打分相結(jié)合，教師評(píng)分與學(xué)生互評(píng)相結(jié)合，情感態(tài)度與協(xié)作精神相結(jié)合的多元評(píng)價(jià)。

四、基于“Scratch+X”的小學(xué)創(chuàng)客課程實(shí)施的效果

“Scratch+X”創(chuàng)客課程因其虛實(shí)相融的特點(diǎn)，為培養(yǎng)學(xué)生的多方面的能力開辟了一個(gè)新型的學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)習(xí)環(huán)境。學(xué)生在參與項(xiàng)目學(xué)習(xí)過程中，提高了創(chuàng)意創(chuàng)新、問題解決、合作交流等多方面能力，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣和探索欲望。

（一）培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新與創(chuàng)客意識(shí)

“Scratch+X”創(chuàng)客課程的開展激發(fā)了學(xué)生強(qiáng)烈的創(chuàng)造熱情。在學(xué)習(xí)過程中，不斷有學(xué)生開始自己尋找生活中的問題（主題），進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì)。問題與主題的來源不再僅限于教師，還來源于學(xué)生和伙伴。比如有個(gè)四年級(jí)學(xué)生提出在科學(xué)課學(xué)習(xí)中，基于植物生長需要以及光合作用的知識(shí)是比較難理解的，社團(tuán)中的五六年級(jí)的幾個(gè)學(xué)生就以此作為待解決的問題開展設(shè)計(jì)“光合作用”互動(dòng)媒體作品，體現(xiàn)植物生長需要水、陽光、空氣這些必需物質(zhì)，缺少任何一項(xiàng)，都會(huì)導(dǎo)致植物生長缺陷或死亡。

（二）提高了學(xué)生的創(chuàng)意落地的能力

隨著作品的不斷完善，一個(gè)完整的創(chuàng)意作品往往有好幾頁腳本。比如在“光合作用”的作品中，由于影響植物生長的因素較多，在編寫程序前必須要仔細(xì)羅列出各種可能性（如圖9所示），再針對(duì)各種可能性進(jìn)行編程（如圖10所示）。

在這個(gè)過程中，學(xué)生需要不斷地嘗試、編寫、計(jì)算、測試、推翻、修改。但是也正因?yàn)檫@個(gè)艱難的過程，學(xué)生學(xué)會(huì)了對(duì)于問題的全面思考、對(duì)于編程的細(xì)致耐心，這對(duì)他們的邏輯思維、計(jì)算思維、編程能力提升都有很大的幫助。在自己的創(chuàng)意慢慢落地的同時(shí)，學(xué)生感受知識(shí)學(xué)習(xí)的價(jià)值，獲得創(chuàng)造的成就感和愉悅性。

（三）提升了學(xué)生的合作學(xué)習(xí)的能力

創(chuàng)客教育的學(xué)習(xí)活動(dòng)通常都是基于一個(gè)項(xiàng)目開展的，且學(xué)習(xí)成果可視化，幫助學(xué)生形成自我激勵(lì)、規(guī)劃設(shè)計(jì)、時(shí)間管理、自主學(xué)習(xí)、小組協(xié)作等素養(yǎng)。在學(xué)生自主設(shè)計(jì)的“光合作用”互動(dòng)媒體作品中，涉及了編程、傳感器、美術(shù)、計(jì)算等多方面的知識(shí)。小組成員通力合作，有個(gè)女生畫畫比較好，她就主動(dòng)承擔(dān)起繪制舞臺(tái)與角色（造型）的任務(wù)。當(dāng)他們發(fā)現(xiàn)自己設(shè)計(jì)的作品，雖然在舞臺(tái)中精美細(xì)致，但是所有的傳感器都只能呆板地放在桌子上，影響整體表現(xiàn)效果時(shí)，組員中有一個(gè)學(xué)過3D設(shè)計(jì)的學(xué)生想到可以利用自己學(xué)的建模知識(shí)，為這個(gè)主題和傳感器的擺放量身定制一盆植物（如圖11所示）。在這樣的學(xué)習(xí)過程中，同伴們獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策，相互學(xué)習(xí)。為了實(shí)現(xiàn)“造物”，驅(qū)使學(xué)生更主動(dòng)地去學(xué)習(xí)其他課程與知識(shí)。

五.問題與設(shè)想

“Scratch+X”創(chuàng)客課程引入教學(xué)活動(dòng)，有利于培養(yǎng)學(xué)生從小對(duì)科技產(chǎn)生積極興趣，并激發(fā)創(chuàng)新思維和創(chuàng)造意識(shí)。在課程實(shí)施的過程中，筆者也發(fā)現(xiàn)了一些問題，并對(duì)此進(jìn)行了思考與進(jìn)一步的設(shè)想。

（一）視頻偵測精度不高

Scratch 2.0的視頻技術(shù)相對(duì)簡單，這是它的劣勢。準(zhǔn)確來說Scratch 2.0的視頻感知僅僅是識(shí)別畫面中物體的灰度變化，而不能識(shí)別人體或顏色。確實(shí)有Scratch愛好者利用該功能實(shí)現(xiàn)了非常精準(zhǔn)的“人體跟蹤”效果，但是這個(gè)功能實(shí)現(xiàn)的“人體跟蹤”由于數(shù)據(jù)的計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜并不適合小學(xué)課堂教學(xué)。

為解決這個(gè)問題，在“Scratch+X”創(chuàng)客課程中將嘗試引入體感控制器Leap Motion。它體積小巧，通過USB連接電腦后，它會(huì)創(chuàng)造出一個(gè)工作空間。10個(gè)手指的動(dòng)作都會(huì)被即時(shí)追蹤，誤差在0.01毫米以內(nèi)，相信這樣的精準(zhǔn)程度將帶給學(xué)生完美的體感互動(dòng)體驗(yàn)。

（二）傳感器板作品單一

雖然Scratch傳感器板種類很多，但無論從外觀還是功能上都大同小異。這些傳感器內(nèi)嵌在傳感器板中，不可分割、不可移動(dòng)，不能隨心所欲根據(jù)自己的作品需要安裝，極大地限制了學(xué)生大型互動(dòng)作品的創(chuàng)作。此外，由于Scratch軟件的開源性，各種廠家都紛紛針對(duì)自己的硬件設(shè)計(jì)符合自己特色需求的Scratch軟件版本，在豐富學(xué)生們選擇之余，導(dǎo)致了學(xué)生需要根據(jù)硬件安裝不同的軟件等問題。

為解決這個(gè)問題，在課程的下一個(gè)階段，我們還試圖將Scratch和Arduino相結(jié)合進(jìn)行互動(dòng)作品的創(chuàng)作。Arduino可以使用現(xiàn)有的電子元件，也可以獨(dú)立運(yùn)行，并與軟件進(jìn)行交互。這將使中小學(xué)的學(xué)生實(shí)現(xiàn)“有技術(shù)含量的創(chuàng)新”成為可能，進(jìn)一步接近真正的互動(dòng)媒體技術(shù)的本身。

通過基于“Scratch+X”的小學(xué)創(chuàng)客課程的實(shí)施，我們實(shí)現(xiàn)了通過技術(shù)門檻很低的平臺(tái)，讓學(xué)生了解技術(shù)、愛上技術(shù)，從而研究技術(shù)。讓學(xué)生知道，所謂的新技術(shù)不是什么高高在上無法接觸的神奇事物。創(chuàng)客教育不是少數(shù)學(xué)生和教師依靠技術(shù)和設(shè)計(jì)進(jìn)行的創(chuàng)新，而是每一個(gè)學(xué)生和教師都能通過自己努力實(shí)現(xiàn)的創(chuàng)新。未來如何為學(xué)生提供更多更適宜的空間去想象、去創(chuàng)造，這個(gè)問題值得我們進(jìn)一步去探討。在今后，我們將繼續(xù)圍繞問題，進(jìn)一步豐富課程。