Scratch與機器人融合的創客作品設計

王同聚

【摘 要】在“互聯網+”時代背景下，創客成了一個網絡熱詞，創客運動風起云涌，創客教育也呈現出爆發趨勢。第十七屆全國中小學電腦制作活動首次加入創客元素，為中小學開展創客教育和STEAM教育提供了展示的平臺。本文提出了利用Scratch與機器人融合開發創意編程和創意智造項目作品的解決方案，以電子鋼琴和電子爵士鼓的設計為例，介紹了通過Scratch與機器人融合來實現創客項目作品的設計和編程策略。

【關鍵詞】Scratch與機器人融合；創客教育；STEAM教育；創客作品；設計

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】B

【論文編號】1671-7384（2016）03-0067-03

2015年12月，《中央電化教育館關于舉辦第十七屆全國中小學電腦制作活動的通知》[1]中增加了兩個新項目：創意編程和創意智造。從這兩個項目的要求來看，運用Scratch與機器人融合能較好地完成項目作品的設計與創作。受此啟發，筆者設計開發了電子鋼琴和電子爵士鼓應用案例，可實現用計算機鍵盤、機器人傳感器兩種方式分別進行鋼琴彈奏和打爵士鼓，所實現的作品交互性強、動畫效果逼真，達到了“所想即所得”的效果。現在，筆者把這兩個作品的設計方案與大家分享，希望能拋磚引玉。

全國中小學電腦制作活動新增創意項目實現策略

根據創意編程和創意智造兩個項目的編程環境以及對軟硬件的相關要求，將Scratch2-JMD與中鳴E2教育機器人融合，可較好地實現這兩個項目的軟件編寫和硬件設計。Scratch2-JMD在Scratch開源軟件的基礎上經二次開發后增加了電子控制模塊，而E2-RCU控制器是由Arduino板二次開發而成的，它能夠讓Scratch與機器人完美融合，可以實現即時編寫程序即時運行，利用它可輕松創建自己的互動故事、動畫、游戲、音樂并在網絡上分享作品[2]。Scratch與機器人之間可以通過有線USB、無線藍牙或Wi-Fi等多種方式連接，獲取電子傳感器信息，控制電子執行模塊，可使動畫與電子模塊完美結合并進行一系列的創作，實現所見即所得的教學效果。[3] [4]

電子鋼琴的設計制作

1. 電子鋼琴圖片的準備與角色導入

通過電子鋼琴拍照或從iPad的App軟件中截取一個電子鋼琴全鍵盤的圖片，再用Photoshop軟件摳圖，獲取4個琴鍵的圖片。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中依次導入全鍵盤、琴鍵和“小女孩”角色的圖片，導入后鍵盤布局及各琴鍵角色如圖1所示。

圖1 導入角色圖片

2. 用計算機鍵盤彈琴的程序設計

（1）計算機鍵盤與琴鍵的對應關系

Scratch2-JMD軟件內部提供了2個八度音階的音源，根據使用習慣，筆者將計算機鍵盤上的字母z、x、c、v、b、n、m分別對應低音區音名LC、LD、LE、LF、LG、LA、LB，字母a對應低音區音名LB，字母s、d、f、g、h、j、k分別對應中音區音名C、D、E、F、G、A、B，字母l對應高音區音名HC，字母q、w、e、r、t、y、u、i、o、p分別對應琴鍵上的黑鍵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八度音階的布局。

（2）示范曲的程序編寫

利用Scratch2-JMD軟件平臺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），當按下計算機的空格鍵時，會自動演奏該樂曲。

（3）彈琴程序與動畫效果程序的設計

利用計算機鍵盤彈琴的動畫效果可以通過兩種方式呈現：一是針對“女孩”角色進行編程，計算機鍵盤彈奏到哪個鍵，“女孩”就會移動到電子鋼琴的相應位置跳動一下并發出該鍵的聲音；二是彈到哪個鍵，電子鋼琴的相應琴鍵出現灰色閃爍一次。以“s”鍵為例，用計算機鍵盤彈琴程序及計算機屏幕呈現動畫效果程序如圖3所示。

圖3 計算機鍵盤對應鍵的程序編寫

3. 用機器人傳感器彈琴的程序設計

用機器人彈琴可以使用觸碰傳感器或超聲波傳感器來實現，兩種傳感器彈琴的操作方式分別是接觸式和懸空式。現以觸碰傳感器為例，介紹電子鋼琴的程序設計方案。

（1）觸碰傳感器與琴鍵的對應關系

Scratch2-JMD軟件內部提供了2個八度音階的音源，E2機器人可以連接8個觸碰傳感器（可擴展為16個）。以C調為例，將觸碰傳感器P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7分別對應中音區音名C、D、E、F、G、A、B，將觸碰傳感器P8對應低音區音名LG，這樣的布局（如圖4）可以完成多個常見曲目的彈奏。

圖4 觸碰傳感器機器人模型

（2）彈琴程序與動畫效果程序的設計

以P1輸入口為例，用機器人觸碰傳感器彈琴及計算機屏幕動畫效果的程序如圖5所示。

圖5 機器人每個觸碰傳感器的程序編寫

電子爵士鼓的設計制作

1. 電子爵士鼓圖片的準備與角色導入

通過爵士鼓拍照或從iPad的App軟件中截取一個電子爵士鼓總圖的圖片，再用Photoshop軟件將總圖中的每個鼓圖片摳取出來。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中依次導入爵士鼓總圖、單個鼓和鼓棒角色圖片，導入后如圖6所示。

圖6 導入角色圖片

2. 爵士鼓音源文件的采集

利用GoldWave、Cool Edit Pro2.0等音頻處理軟件對每個鼓進行聲音文件的錄制、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、節奏镲、開镲和閉镲等多個鼓音源文件的采集，音源文件格式為.MP3。

3. 用計算機鍵盤打爵士鼓的程序設計

（1）計算機鍵盤與每個鼓的對應關系

將計算機鍵盤上字母z、x、c、v、b、n、m分別對應爵士鼓的閉镲、開镲、節奏镲、一嗵、二嗵、三嗵、四嗵，字母s、h、j、l分別對應爵士鼓的左吊镲、右吊镲、軍鼓、地鼓。這樣，就可以完成計算機鍵盤與爵士鼓上每個鼓的布局。

（2）打鼓程序與動畫效果程序的設計

利用計算機鍵盤打鼓的動畫效果可以通過兩種方式呈現：一是針對“鼓棒”角色進行編程，計算機鍵盤彈奏到哪個鍵，“鼓棒”就移動到電子爵士鼓的相應位置跳動一下，發出該鍵對應鼓的聲音，鼓棒的顏色也會發生變化；二是彈到哪個鍵時，電子爵士鼓的相應鼓跳動一次。通過導入聲音文件，可以設定每個鼓的聲音文件并用鍵盤控制鼓的發音，同時可導入多首示范曲，如數字鍵可以對應多個示范曲。這里以《光輝歲月》為例，當按下計算機鍵盤數字“1”時，樂曲會自動響起來。以“s”鍵為例，用計算機鍵盤打鼓及計算機屏幕呈現動畫效果的程序如圖7所示。

圖7 計算機鍵盤按鍵程序的編寫

4. 用機器人傳感器打鼓的程序設計

用機器人打鼓也可以使用觸碰傳感器或超聲波傳感器來實現。現在以觸碰傳感器為例，介紹電子爵士鼓的程序設計方案。

（1）觸碰傳感器與琴鍵的對應關系

E2機器人可以連接8個觸碰傳感器（可擴展為16個），將觸碰傳感器P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8分別對應爵士鼓的軍鼓、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鼓的布局。

（2）打鼓程序與動畫效果程序的設計

用機器人觸碰感器打鼓及計算機屏幕動畫效果程序如圖8所示。

圖8 每個觸碰傳感器控制爵士鼓的程序編寫

通過創客項目作品的設計與開發應用，可以促進中小學開展創客教育和STEAM教育的進程，讓學生以信息技術課程和STEAM（科學、技術、工程、藝術和數學）課程為基礎，開展基于Scratch與機器人融合的創新設計項目研究，讓學生在合作探究和問題解決過程中通過做中學、學中做、做中創，將自己的創意和想法變成創新設計作品，從而培養學生的動手實踐能力、創新思維能力和團隊協作能力，并形成獨立思考和開拓創新的良好習慣，在實踐、創新、協作和分享的過程中，促進學生的個性發展。

注：本文系全國教育信息技術研究“十二五”規劃2012年度重點課題子課題“微課在中小學機器人教育中的應用研究”（立項號：123620577-0037）、廣東省教育科學“十二五”規劃2012年度教育信息技術研究課題“中小學智能機器人科技教育教學模式的構建與評價研究”（立項號：12JXN011）和2016年廣州市青少年科技教育項目“基于智能機器人創客教育的科技教師培訓”（立項號：2016-299）研究成果。

（作者單位：廣東廣州市教育信息中心）