樂高硬件環(huán)境下的Scratch3.0編程教學(xué)案例探究

摘?要：文章主要在探討樂高硬件結(jié)合小學(xué)Scratch3.0編程教學(xué)對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果及問題解決能力的影響，研究方法為案例研究法。研究結(jié)果顯示，學(xué)生對于樂高硬件結(jié)合Scratch3.0編程教學(xué)課程非常感興趣，學(xué)生也覺得可以幫助自身理解程序設(shè)計(jì)的邏輯概念以及問題解決能力。

關(guān)鍵詞：Scratch3.0程序設(shè)計(jì);樂高硬件;編程教學(xué)

一、 Scratch軟件簡介

Scratch是麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室（MIT Media Lab）Resnick教授所領(lǐng)導(dǎo)Lifelong Kindergarten小組開發(fā)的一套圖形化編程軟件，主要目的是幫助程序設(shè)計(jì)語言初學(xué)者不需要先學(xué)習(xí)語言語法便能設(shè)計(jì)創(chuàng)作作品。它專為8～16歲年齡的青少年設(shè)計(jì)，是學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的入門軟件，兼具教育性和娛樂性，容易學(xué)習(xí)。Scratch3.0相比之前的版本，支持移動設(shè)備操作，可以在平板電腦（iPad）和移動設(shè)備（iOS和Android 6.0+）上運(yùn)行，可以自由地為人物上色，有更多新的音效和顏色等，同時(shí)保留Scratch2.0中的JSON文件，聲音編輯模塊中可以對聲音文件進(jìn)行細(xì)微的操作和調(diào)整，擴(kuò)展模塊中添加了以前不支持的一些功能，例如視頻、翻譯等。

二、 樂高硬件簡介

LEGOMindstorms EV3是樂高公司在2013年初開發(fā)的Mindstorms系列的第三代機(jī)器人，采用可編程積木，擁有輸出輸入端，讀取各類傳感器的輸入值，并控制輸出端的伺服馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)等，另配有各式各樣的積木。

LEGO Education WeDo 2.0包括控制器（Smarthub）、馬達(dá)、運(yùn)動傳感器、傾斜傳感器和積木組件。控制器有2個(gè)端口，傳感器和電機(jī)可以任意組合連接，可以吸引學(xué)生并激發(fā)他們對科學(xué)和工程的興趣。

樂高硬件的工作原理是組合可編程化積木，結(jié)合傳動裝置、輪胎、馬達(dá)、傳感器等制作機(jī)器人，再編寫程序下載至可編程積木內(nèi)，執(zhí)行程序，控制輸入傳感器或輸出伺服器馬達(dá)，也就是控制機(jī)器人來完成動作。

三、 樂高硬件和Scratch3.0軟件連接

Scratch3.0要和樂高硬件藍(lán)牙連接，須安裝Scratch Link軟件，Mac版本下載地址：https：//apps.apple.com/cn/app/scratch-link/id1408863490？mt=12

Win版本下載地址：https：//downloads.scratch.mit.edu/link/windows.zip。

安裝成功后，在任務(wù)欄會出現(xiàn)Scratch Link的圖標(biāo)。這時(shí)，我們打開Scratch軟件，開啟LEGO Mindstorms EV3可編程主機(jī)，連接之前需打開藍(lán)牙，在Scratch3.0軟件中單擊添加擴(kuò)展，選擇LEGO Mindstorms EV3，點(diǎn)擊刷新，顯示出設(shè)備名稱，點(diǎn)擊連接，用默認(rèn)識別碼（PIN）1234連接EV3主機(jī)，然后返回編輯器，這時(shí)軟硬件之間已經(jīng)完成連接。LEGO Education WeDo 2.0連接的方法還要簡單，只要添加LEGO Education WeDo 2.0擴(kuò)展，點(diǎn)擊開始搜索，按下控制器上的綠色按鈕，控制器上的藍(lán)色指示燈亮起表示連接完成。

四、 利用LEGO Mindstorms EV3硬件體驗(yàn)Scratch彈球游戲交互性

彈球游戲教學(xué)案例是Scratch中一個(gè)經(jīng)典的案例，從Scratch1.4官方實(shí)例中就有了。案例中一個(gè)小球在屏幕中移動，碰到邊緣反彈回來，下面有一塊擋板在左右移動，接到球之后就反彈，沒有接到球的話，則失敗。接下來我們利用LEGO Mindstorms EV3硬件給彈球游戲加入交互性，我們用兩個(gè)觸碰傳感器分別接在EV3控制器的1號和2號端口上。

（1）在角色庫中導(dǎo)入3個(gè)角色，分別是彈球、擋板、停止線，分別調(diào)整大小，把停止線移動到舞臺區(qū)底部，當(dāng)彈球碰到停止線的時(shí)候，游戲就結(jié)束。

（2）編寫彈球的腳本。將小綠旗添加到編輯區(qū)，在程序的一開始先讓它停留在（0，160）的位置。Scratch中的方向用角度值來表示，既然彈球的初始位置為舞臺的上邊緣中部，則初始運(yùn)動方向可以向下以一定角度運(yùn)動，則角度值范圍為135度到225度之間，為了增加游戲的不確定性，使用隨機(jī)數(shù)模塊。

（3）編寫擋板的腳本。擋板Y坐標(biāo)值是固定不變的，所以在程序的一開始，將Y坐標(biāo)值設(shè)為120，通過LEGO Mindstorms EV3按鈕傳感器對擋板左右移動控制，來攔截彈球。接下來就是程序的關(guān)鍵之處，編寫按鈕控制擋板移動的腳本。這里要用到控制模塊里面的“如果……那么”指令，還要用到LEGO EV3模塊里的“按下按鈕”指令。當(dāng)按下按鈕1，將X坐標(biāo)增加-5，實(shí)現(xiàn)擋板的左移;當(dāng)按下按鈕2，將X坐標(biāo)增加5，實(shí)現(xiàn)擋板的右移。

（4）編寫彈球碰到擋板的腳本。在彈球腳本中，繼續(xù)拖動控制模塊“如果……那么”指令，把偵測模塊中的“碰到”指令拖動到“如果”后面，選擇“擋板”，彈球碰到擋板之后，先播放聲音“pop”，接著讓彈球面向-45至45這個(gè)區(qū)間移動。

（5）編寫彈球碰到停止線的腳本。程序編寫到這里，我們發(fā)現(xiàn)整個(gè)程序不會結(jié)束，角色“停止線”還沒有派上用場，我們還要對彈球碰到停止線進(jìn)行設(shè)定，繼續(xù)在彈球腳本的下面拖動“如果……那么”指令，在偵測模塊中選擇“碰到鼠標(biāo)指針”，拖動到如果后面，選擇“停止線”角色，最后在“控制”模塊中選擇“停止全部腳本”。這樣一旦彈球沒有被擋板接住，掉落到紅色停止線的話，游戲就結(jié)束了。

（6）編寫得分的腳本。擋板每接住一次小球，加1分。得分是彈球游戲最重要的反饋機(jī)制之一，添加得分，需要新建一個(gè)變量。游戲開始時(shí)，得分為0，所以需要在腳本開頭處，將變量“得分”設(shè)為0。當(dāng)小球碰到擋板時(shí)，變量“得分”的值增加1。

（7）增加彈球游戲的難度，小球隨著得分的增加，速度越來越快。之前的腳本，小球的運(yùn)動速度為恒定的“5步”，我們可以將小球的運(yùn)動速度設(shè)定為“5+得分”。這樣，當(dāng)?shù)梅衷礁?，速度就越快?/p>

五、 利用LEGO Education WeDo 2.0硬件提升Scratch彈球游戲交互性

在LEGO Mindstorms EV3硬件中我們用2個(gè)觸碰傳感器完成擋板的左移和右移，實(shí)現(xiàn)了用硬件控制角色的動作，接下來我們嘗試用LEGO Education WeDo 2.0硬件中的傾斜傳感器模擬手勢控制擋板的移動。

LEGO Education WeDo 2.0硬件中的傾斜傳感器可以偵測機(jī)器人的六種狀態(tài)，即前、后、左、右、平放、抖動。在彈球游戲例子中，我們只用到左、右兩種狀態(tài)。把傾斜傳感器固定在WeDo 2.0控制器上之后，前面的弧形箭頭代表左、右方向，側(cè)面的弧形箭頭代表上、下方向，這里我們改變擋板角色的腳本。在程序的一開始，將Y坐標(biāo)值設(shè)為120，通過LEGO Education WeDo 2.0的傾斜傳感器對擋板左右移動控制，來攔截彈球。這里要用到控制模塊里面的“如果……那么”指令，還要用到WeDo 2.0模塊里的“向任意方向傾斜”指令。當(dāng)向左傾斜時(shí)，將X坐標(biāo)增加-5，實(shí)現(xiàn)擋板的左移;當(dāng)向右傾斜時(shí)，將X坐標(biāo)增加5，實(shí)現(xiàn)擋板的右移。

這樣我們就可以用手握住控制器，模擬手勢控制擋板的移動，相比用LEGO Mindstorms EV3硬件的兩個(gè)觸碰傳感器來控制擋板的移動，用傾斜傳感器控制更加提升了彈球游戲的交互性。

六、 利用樂高硬件結(jié)合問題導(dǎo)向助力中小學(xué)編程教學(xué)

中小學(xué)編程教學(xué)是指在計(jì)算機(jī)環(huán)境中解決問題的所有任務(wù)，包括思考和解決問題的過程。出于這個(gè)原因，當(dāng)前教學(xué)越來越多地使用計(jì)算思維的概念來描述獲取和實(shí)施編程教學(xué)所需要的思維過程。計(jì)算思維不僅有助于發(fā)現(xiàn)解決問題的方法，還利用人類的創(chuàng)造力和批判性思維使計(jì)算機(jī)增強(qiáng)解決問題的能力。要在編程教學(xué)領(lǐng)域獲得成功，個(gè)人必須首先發(fā)展和獲得高級思維技能，例如解決問題的能力、邏輯能力、數(shù)學(xué)思維能力、批判性思維能力和創(chuàng)造性思維能力。此外，也可以說，學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)編程也是培養(yǎng)這些技能的有效途徑。在這種情況下，解決問題和邏輯數(shù)學(xué)思維能力對于編程教學(xué)至關(guān)重要。為了確保學(xué)生在計(jì)算機(jī)編程中表現(xiàn)出色，首先需要培養(yǎng)他們的解決問題和邏輯數(shù)學(xué)思維能力，這可以通過學(xué)習(xí)編程來實(shí)現(xiàn)。

Scratch3.0編程軟件可以方便地讓教師設(shè)計(jì)情境問題，學(xué)生在面對情境問題時(shí)，必須先去設(shè)計(jì)程序，并且分析程序的難度，將問題分為各個(gè)小問題，再去搜集相關(guān)的資料，經(jīng)過分析、推理與歸納的過程后，寫出解決問題的程序，最后加以驗(yàn)證，再不斷修正程序來真正完整的解決問題。Scratch3.0軟件圖形化的創(chuàng)作方式讓編程更為方便，而且作品創(chuàng)作的過程與問題解決的過程相融合。Scratch軟件在教學(xué)上具有提升學(xué)生問題解決能力的作用，它使每位學(xué)生更容易理解計(jì)算機(jī)編程。作為一個(gè)圖形化編程軟件，它使得學(xué)生更輕松的理解和掌握編程邏輯和算法思維技能，有助于提高學(xué)生數(shù)學(xué)思維、解決問題的能力。

樂高硬件系統(tǒng)包括控制器、傳感器和樂高積木等，基于樂高硬件的編程教學(xué)相比基于Scratch傳統(tǒng)編程教學(xué)活動對學(xué)生解決問題的能力有更大的幫助。樂高硬件編程教學(xué)活動通常是基于項(xiàng)目的教學(xué)應(yīng)用，要求學(xué)生通過設(shè)計(jì)自己的方案來解決預(yù)先確定的問題，基于樂高硬件的編程教學(xué)活動將對解決問題的能力產(chǎn)生積極影響。

問題導(dǎo)向?qū)W習(xí)（Problem-Based Learning，PBL）是指在教學(xué)過程中，教師設(shè)計(jì)一個(gè)符合真實(shí)情境的問題為核心，建立學(xué)習(xí)目標(biāo)，鼓勵(lì)小組合作討論，經(jīng)過不斷的試驗(yàn)后，最終提出問題的解決方案，借此讓學(xué)習(xí)者透過問題解決的過程，培養(yǎng)主動學(xué)習(xí)、批判思考和問題解決的能力，并學(xué)習(xí)建構(gòu)知識的過程，獲得新知。

中小學(xué)教學(xué)領(lǐng)域中最被廣泛認(rèn)可的提升問題解決能力的教學(xué)策略就是問題導(dǎo)向?qū)W習(xí)，所以利用樂高硬件結(jié)合問題導(dǎo)向進(jìn)行編程教學(xué)，設(shè)計(jì)適用于中小學(xué)生的編程教學(xué)課程，能夠提升學(xué)生的問題解決能力。

七、 結(jié)語

在彈球游戲這個(gè)課例中，我們使用LEGO Mindstorms EV3按鈕傳感器、LEGO Education WeDo 2.0傾斜傳感器來控制彈球的左右移動，使得經(jīng)典的彈球游戲玩法更加豐富，學(xué)生對Scratch3.0擴(kuò)展硬件項(xiàng)目有了更深入的了解。在這個(gè)課例中體現(xiàn)了對象、指令、數(shù)據(jù)、順序、條件、循環(huán)等編程思想，在調(diào)試程序的過程中又培養(yǎng)了學(xué)生的計(jì)算思維，在小組和全班同學(xué)的合作與討論中又體現(xiàn)了創(chuàng)意與表達(dá)、交流與協(xié)作、理解與質(zhì)疑等計(jì)算理念。樂高硬件拓展了Scratch3.0的應(yīng)用，使得編程變得更加有趣，更具有互動性。LEGO Mindstorms EV3還配備了豐富的傳感器，例如聲音、超聲波、陀螺儀、顏色等傳感器，學(xué)生可以在彈球游戲的基礎(chǔ)上舉一反三，利用這些傳感器制作更加具有交互性、更加有趣的Scratch作品。

參考文獻(xiàn)：

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[2]顧曙敏.淺談教師的心理健康及訓(xùn)練策略[J].石家莊師范?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2003（3）.

作者簡介：

朱春健，江蘇省南通市，南通市海門實(shí)驗(yàn)學(xué)校附屬小學(xué)。