用Scratch+Arduino踏進互動科技世界

在教育界提到機器人教學，不免讓人聯想到樂高公司推出的LEGO Mindstorms可程序化積木系列產品。它提供了一套完整的方案和競賽，讓小朋友可以輕松地進入互動科技的世界，但是它的價位非常高，中小學往往不容易有經費購置相當的數量來進行教學。相對于樂高機器人套件的封閉規格與高價位，Arduino開放式硬件不僅成本很便宜，配合低價位的的積木組（臺灣地區可使用的智高公司http：//www.gigo.com.tw發行各種組合方案），再加上Scratch（S4A：http：//seaside.citilab.eu）進入門坎很低，只要懂簡單的機械原理，加上創意，就可以輕易地制作出獨一無二的機器人，因此“Scratch+Arduino”就成為了小朋友踏進互動科技世界的另一條快捷方式。

什么是Arduino？它是一塊開放原始碼的單芯片微電腦（如圖1），2005 年由意大利米蘭互動設計學院的教授DavidCuartielles和Massimo Banzi所設計，原始構想是希望讓設計師及藝術家們，透過Arduino能很快地學習電子和傳感器的基本知識，快速地設計、制作作品的原型，因此，非常適合不具有電子背景的人使用，以設計出各種不同的互動科技裝置。

圖1 Arduino硬件

Arduino包含硬件與軟件兩大部分，硬件部分是一個約手掌大小的控制板，提供14個數位式輸出/輸入端，6個類比式輸出/輸入端，支持USB資料傳輸，可以使用自備電源（7～12V）或是直接使用USB電源，使用者可以在數位式輸出/輸入端上接上不同的電子裝置，如 LED燈、按鈕、蜂鳴器、游戲桿、馬達等。軟件的部分是使用基于C/C++語言，如要控制接在第13個腳位的LED燈，可以使用以下的程序代碼。

然而，這種用英文寫程序的方式，無形中限制了使用對象的廣度。因此，西班牙的Citilab組織基于Scratch的成功經驗，改寫自由軟件Scratch并命名新軟件為S4A，創造出使用拖曳積木的方式來控制Arduino裝置的可能性，讓Scratch玩家們可以進一步將創意延伸到實體的互動科技裝置上。這種方式對中小學教育可以說是一大福音，學生不再需要有高深的專業程序知識，每個人都能完成Arduino的互動裝置。上述的LED燈控制程序在S4A中的寫法如圖2。

圖2 用S4A控制一盞LED燈

S4A如何控制Arduino呢？基本上，在Arduino控制板上必須事先上傳一份S4A的軔體程序，然后透過這個程序不斷地與S4A主程序溝通，Arduino與計算機間可以通過有線的USB連接線或無線的藍牙模塊來傳輸，在S4A主程序中設定好使用的端口位置，就可以偵測到Arduino的狀態。以控制接在第13腳位的LED燈為例，我們可以應用在以下的案例情境：讓蝙蝠不斷地在左右飛行，當它碰到舞臺邊緣時，LED燈就會亮0.5秒。

傳統的Scratch程序中，程序的執行結果是通過屏幕與喇叭來做輸出，在這個例子中，我們可以將程序的執行結果輸出到LED燈，因此，借由S4A能引入一些硬件裝置以讓Scratch程序與現實世界鏈接，探索更多的可能性。S4A除了原有的Scratch八大類積木外，在動作類還額外提供了12個積木來與Arduino互動（如圖3）。透過這些積木，我們就能與接在Ardunio控制板上的各類電子組件與傳感器互動。

圖3 S4A的感測與控制語句

除了LED數字輸出外，也可以使用模擬輸入設備，圖4的滑桿裝置就是一種常見的輸入裝置。

圖4 用畫板作為模擬量輸入

S4A提供一個模擬輸入的積木，A0腳位對應到面板的Analog1，它的輸入值的范圍是0～1023。我們使用岔開A0管腳上的滑桿來調整籃子的位置，當滑桿左右滑動時，就可以控制籃子的位置，如圖5。

S4A讓互動科技創作變得更簡單，有鑒于此，2011年11月在宜蘭縣佛光大學許惠美老師與苗栗縣蟠桃小學范運平老師的號召下，臺灣的S4A教師專業社群因而誕生。社群創立之初便獲得熱烈響應，中小學教師紛紛主動加入，大家的共同目標是希望通過彼此分享機器人教材的運用，討論如何帶著學生們從互動機器人中學習新知識，一同研究將硬件機器人導入學校的具體做法，藉由社群討論的力量讓教學更上一層樓，希望運用更多元的教材來吸引學生的注意力，增添教學樂趣，也期望藉由這樣活潑的教學方式帶給學生多一些啟發。

由于受限于文字篇幅，無法以書面數據介紹太多的S4A案例，進一步的數據可以參考筆者所撰寫的書籍《程序設計邏輯訓練——使用Scratch》，其中第五章Arduino互動科技篇有專文介紹。動態的作品展示可以參考范運平老師所制作的一系列影片，專輯地址是，http：//www.youku.com/playlist_show/id_20022205.html。

此外，作為兩岸教師交流的一種途徑，也非常歡迎讀者加入我們的討論組做進一步的交流：https：//groups.google.com/forum/#！forum/s-4-a，也衷心期望大陸的Scratch教師來臺訪問，我們會用最新穎的互動科技作品來歡迎你們！（作者電郵koma@mail.nksh.tp.edu.tw）