Scratch与机器人共融在教学中的应用与实践——以中小学机器人教学为例

文／王同聚

Scratch是麻省理工学院媒体实验室为普通公众开发的电脑程序语言，采用图形化编程界面，通过类似积木的编程环境，构建互动多媒体环境。利用它可轻松地创建自己的互动故事、动画、游戏、音乐、艺术和在网络上分享作品。中鸣E2教育机器人是由E2-RCU控制器、多种传感器、带编码盘的直流减速马达等硬件设备组成，带触屏功能的RCU控制器具有数据显示、时间控制、USB通讯、蓝牙通讯和WiFi通讯等功能，软件编程支持图形化编程和C语言代码编程，同时也具备利用Scratch操控E2机器人积木套装的功能，能够让Scratch与机器人完美融合，可以实现即时编写程序即时运行，Scratch与机器人之间可以通过有线USB、无线蓝牙或WiFi等多种方式进行连接，获取电子传感器信息，控制电子执行模块，使动画与电子模块完美结合进行一系列的创作，实现所见即所得的教学效果。Scratch与机器人交互平台进行虚实结合，让学生经历”想象一创造一游戏一分享一反思”的过程，培养学生的创新意识，为中小学创客教育开辟了一条新途径。

Scratch与机器人硬件的配置

1．硬件设备准备

安装Scratch需要准备电脑1台，电脑需配有USB接口、蓝牙模块和WiFi模块；中鸣E2教育机器人积木套装l套，由E2-RCU控制器、光电传感器、触碰传感器、声音传感器、火焰传感器、红外传感器、嗡鸣发声器、LED灯、带编码盘的直流减速马达、积木套件等硬件设备组成，带触屏功能的RCU控制器具有数据显示、时间控制、USB通讯、蓝牙通讯和WiFi通讯等功能。

2．Scratch2-JMD软件平台的安装

运行Saatch软件平台需要Adobe AIR的支持，需要先安装Adobe AIR。最新版本的Adobe AIR安装包的下载地址：http://get adobecom/cn/air/，安装包的文件名是adobeAISInstaller-1500.356exe。下载完成后双击安装即可。Scratch为开源程序，经过二次开发完成的Saatch2-JMD软件可以实现与机器人进行无缝链接，接下来需要下载安装Scratch2-JMD软件，该软件的网盘下载地址：http://panbaiducom/share/home?uk:3559755876#category/type=0， 安装包的文件名是Scratch2-JMD-v5.0116exe。Windows XP系统可以直接安装运行，而Windows7或Wmdows8系统安装时需要右键点击安装包，点击“以管理员身份”来安装即可，软件界面依然保留了原Saatch 2.0版本的基本风格，有工程、舞台、角色、脚本、造型、声音和编程区等，稍有不同的是，Scratch2-JMD软件把原Scratch 2.0“脚本”菜单中的“更多积木”换成了“电子模块”，软件窗口右上角的“登入”换成了“E2-RCU”，Scratch2-JMD软件运行后界面如图l所示。

3．Scratch2-JMD软件平台与E2控制器的连接

Scratch-JMD软件平台与E2机器人控制器有三种连接方法：有线USB、蓝牙和WiFi连接等。这里以有线USB连接为例介绍Scratch-JMD软件平台与E2机器人控制器的连接方法。

E2教育机器人积木套装里面有一条USB连接线，方形的一头连接到E2控制器，另外一头连接电脑的USB。接着给E2控制器安装好电池，按下“Power”按钮，E2控制器的屏幕出现了如图2所示的界面。

在Scratch-JMD软件平台菜单点击“连接”——“E2有线固件”，点击E2控制器触摸屏上的“USB下载”，提示下载成功后重启E2控制器。在Scratch-JMD软件平台菜单中点击“连接”——“USB HID”，再单击E2控制器“选择程序”运行“E2-USB”程序，Scratch-JMD软件界面右上角可以看到“USB已连接到E2-RCU”。至此，便完成了Scratch-JMD软件平台与E2机器人控制器的连接，从而实现了用Scratch在线控制E2教育机器人之间进行数据传输的功能。运用蓝牙和WiFi实现Scratch与机器人连接的操作方法与此类似，在此不再赘述。

Scratch与机器人共融在教学中的应用

1．用Scratch编程控制机器人完成相关任务

用Scratch-JMD软件在电脑上编好程序，通过USB连线把电脑和E2机器人连接起来，用电脑就可以控制机器人完成一系列任务。这里以Scratch控制机器人边运动边闪灯的实例来介绍其实现方案。

(1)机器人的搭建

搭建边运动边闪灯的机器人需要E2控制器1个，LED灯2个、带编码盘的直流减速马达2个，各种连接件和连线若干，2个马达分别连接在Ml和M2端口，2个LED灯分别连接在P7和P8端口，最后搭建的机器人如图3所示。

(2) Scratch程序的编写

打开Scratch-JMD软件，选择“脚本”的“事件”菜单，把图标拖到编程区，在“控制”菜单中把图标拖到编程区，把次数改为3，再分别从“电子模块”菜单中将“设置彩灯颜色”和“设置马达转速”图标拖到编程区，分别设置“设置彩灯颜色”端口为P7和P8，两组LED灯颜色分别为红色、绿色，关、关；分别把“设置马达转速”中端口设置为Ml和M2，三组马达转速分别为20、20，-20、-20，0、O；彩灯和马达等待时间均为1秒。把各个模块依次连接起来最后完成的Scratch图形化程序如图4所示。

(3) Scratch程序在线控制机器人运行

用USB连接线将电脑和E2机器人连接好，打开E2机器人电源，单击E2触屏控制器上的“运行E2_USB”，待Scratch-JMD软件界面右上角出现“USB已连接到E2-RCU”时，代表Scratch可以与E2机器人能够进行通信了。这时单击Scratch“工程”区的绿色小旗子，就发现E2机器人边前后往返运动、2个LED灯分别发出红色和绿色亮光后熄灭，反复三次后自动停止。从而实现了Scratch在线控制机器人完成一系列任务的功能。

(4) Saatch程序下载到机器人脱机运行

如果要让机器人脱机单独运行，只需把原程序中的图标换为图标即可。在该图标上单击右键选择“编译”，在弹出菜单中选择“下载”，按下E2-RCU控制器的Download按钮即可将Scratch-JMD编好的程序下载到E2-RCU控制器，拔下USB连线，重启机器人，在E2-RCU控制器上运行该程序，机器人即可实现脱机单独运行，完成反复前后运动和闪灯任务。

2．用Scratch中的小猫在线控制机器人完成相关任务

(1)小猫活动场景的设置和机器人的准备

首先在“角色”区用“绘制新角色”新增加一个角色，在Scratch的“造型”区用绘画工具在小猫的正下方画出3个实心圆，分别设为红、绿、蓝三种颜色，2个角色的位置如图5所示。机器人需要一个E2控制器和1个LED灯插在Pl端口即可。

(2) Scratch程序的编写

打开Scratch-JMD软件，选择“脚本”的“事件”菜单，把图标拖到编程区，在“控制”菜单中把“重复执行”图标和3个“如果那么”图标拖到编程区，从“侦测”菜单中把3个“碰到颜色”图标分别放在“如果”的后面，颜色分别取红、绿、蓝，从“电子模块”菜单中把3个“设置彩灯颜色”图标拖到编程区，4个“设置彩灯颜色”端口设置为Pl，颜色分别设为红、绿、蓝、无，再把多个图标按图6连接起来就完成了小猫控制机器人的Scratch程序编写。

(3)测试小猫在线控制机器人完成任务

E2机器人控制器与Scratch通过USB连接完成通信后，点击绿色小旗子运行程序，用鼠标分别把小猫移动到红、绿、蓝三个实心圆上时会发现，机器人的LED灯分别会发出红、绿、蓝三种颜色的亮光，小猫移到空白处灯又熄灭，从而实现了小猫在线控制机器人完成任务的功能。

3．用机器人在线控制Scratch中的小猫完成相关任务

(1)小猫活动场景的设置和机器人的准备

首先在“角色”区用“绘制新角色”新增加一个角色，在Scratch的“造型”区用绘画工具在小猫的正下方画出1个实心的蓝色矩形框，2个角色的位置如图7所示。机器人需要一个E2控制器和1个光电传感器插在P1端口即可。

(2) Scratch程序的编写

打开Scratch-JMD软件，选择“脚本”的“事件”菜单，把图标拖到编程区，在“控制”菜单中把“重复执行”图标和“如果那么否则”图标拖到编程区，从“数字和逻辑运算”菜单中拖出“大于”图标，从“电子模块”菜单中拖出“读取光电传感器”放到“大于”图标左边空格内，光电传感器端口设置为P1，“大于”图标右空格值设为1100（经检测白色光值为1800左右，蓝色光值为600左右），把小猫在白色区和蓝色区时分别从“动作”菜单拖出“在1秒内移动X、Y位置”图标分别放在“那么”和“否则”的后面，把1秒改为Q1秒，再把多个图标按图8连接起来就完成了机器人控制小猫的Scratch程序编写。

(3)机器人在线控制小猫运动演示

E2机器人控制器与Scratch通过USB连接完成通信后，点击绿色小旗子运行程序，准备一张一半为白色另一半为蓝色的纸板，经测试发现：当机器人移到蓝色纸板处时屏幕上的小猫也移到舞台的蓝色方块上，当机器人移到白色纸板处时小猫也马上回到舞台的白色区，从而实现了机器人在线控制小猫运动的功能。

Scratch与教育机器人融合为刨客教育开辟了新的发展空间

通过以上三个简单教学案例让大家认识到Scratch能够与E2教育机器人进行无缝连接，发挥了Scratch和教育机器人各自优势，二者融合拓展了其应用范围和创新功能。随着互联网热潮和3D打印技术、微控制器开源硬件日益成熟，创客教育正在掀起一股全球的教育变改浪潮。目前全世界已建立1400多个创客空间( Maker space)，随着创客空间的普及，创客精神越来越多地引起了教育者的思考和共鸣。为顺应“互联网+”时代教育和社会发展要求，发挥创客教育在培养青少年创新思维中的作用，扩充创客教育资源，把智能机器人设计制作、Scratch创意设计和3D打印技术应用作为创客教育的三剑客，将Scratch与教育机器人进行有机融合，充分发挥青少年开拓创新的精神，完成更加精彩的创意作品，从而拓展创客教育的发展空间。

注：本文系全国教育信息技术研究“十二五”规划2012年度重点课题子课题《微课在中小学机器人教育中的应用研究》（立项号：123620577-0037）和广东省教育科学“十二五”规划2012年度教育信息技术研究课题《中小学智能机器人科技教育教学模式的构建与评价研究》(立项号：12JXN011)研究成果。