“Scratch+體育”的STEAM教育案例開發

蔡艷妮

摘要：國務院《“十三五”國家科技創新規劃》明確指出，“以增強科學興趣、創新意識和學習實踐能力為主，完善基礎教育階段的科學教育”。[1]本文基于STEAM教育理念，以籃球運動為切入點，闡述了智能籃球裁判員的開發過程。筆者用AS-Block-v3.1.2軟件，通過LED燈傳感器、紅外避障傳感器、有源蜂鳴器等傳感器，用乒乓球代替籃球，搭建籃球筐，組裝成籃球裁判員，并在軟件中設置了變量，實現了投籃自動計分功能。

關鍵詞：智能籃球裁判員；編程；Scratch

中圖分類號：G648.1 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2018）07-0076-04

開發背景

STEAM是科學（Science）、技術（Technology）、藝術（Art）、工程（Engineering）和數學（Math）英文首字母的簡稱。STEAM教育是由美國弗吉尼亞科技大學學者Yakman在研究綜合教育時首次提出的，它是加強美國K12關于科學、技術、藝術、工程及數學的教育，專門用于建立動手類創造性課程。[2]它以項目學習為主要的學習方式，注重在跨學科的實踐過程中，解決真實問題，注重在動手“做”中“學”習知識，提高創新能力，旨在培養學生的科學素養、技術素養、藝術素養、工程素養和數學素養，是技術與工程教育和藝術人文教育的融合。

毛澤東早在《體育之研究》一文中寫道，“小學之時，宜專注于身體之發育，而知識之增進、道德之養成次之；宜以養護為主，而以教授訓練為輔”。2007年，教育部提出，開展陽光體育運動，保證學生平均每個學習日有一小時體育鍛煉時間，廣泛開展學生體育集體項目的競賽、大課間體育活動。籃球運動以其集體性、對抗性、趣味性、健身性、觀賞性等特點深受學生的喜歡，筆者所在學校成立了?；@球社團、?；@球隊，以此來促進學生日常對籃球的學習，學校在區內籃球比賽中獲得過第四名的好成績，這激發了學生的集體榮譽感，并增強了他們對籃球運動的喜愛。遺憾的是，在假期、課后時間，學生進行模擬籃球對抗時，沒有專業的裁判員。因此筆者萌發了設計一款智能籃球裁判員來實現學生隨時來場競賽的愿望的想法。

智能籃球裁判員開發過程

籃球比賽是一項激烈的對抗運動，當一方將籃球投入另一方籃筐中時即得一分，計分員要非常細心地記錄比賽的成績。筆者設計的智能籃球裁判員是以“Scratch+傳感”式為載體的。因此，利用紅外避障傳感器和數碼管可以實現投籃自動計分，裁判員吹哨子可通過蜂鳴器來實現自動吹哨的功能。只要有了這個機器人，就可以隨時隨地來一場籃球比賽，也能讓更多的學生體會到用編程解決生活難題的思想。

AS-Block-v3.1.2軟件是Scratch軟件的開源升級版，它不僅有Scratch的九大模塊的基本功能，能實現對角色進行動作、外觀、聲音的控制，對變量、數據、數字和邏輯運算的計算，還能在外接傳感器的基礎上，實現人與人的交互、物與物的交互、人與物的交互功能。基于此，筆者選擇了AS-Block-v3.1.2、CF-Board-A主控板，以及LED燈傳感器、紅外避障傳感器、有源蜂鳴器等傳感器，來制作智能籃球裁判員，研究制作過程如下：

第一步：熟悉應用AS-Block-v3.1.2軟件的變量，如何記錄分數并依據一定的規則增加分數；測試紅外避障傳感器、有源蜂鳴器、LED燈傳感器的單個功能如何工作。

第二步：初步設計軟件的功能，籃球比賽時，要想通過智能籃球裁判員實現當籃球投入籃筐時，自動記錄分數、吹哨子，指示燈亮表示進球了，需要運用紅外避障傳感器判斷是否進球，從而明確是否增加分數，分數如何顯示。與此同時，當進球時，要運用有源蜂鳴器來吹出聲音，提醒比賽停止，LED燈亮。

第三步：①開始制作，先拼裝投籃器，投籃器用了9個折角板、1個中板、1個長條板、1個短條；再拼裝智能裁判員的外形及各種傳感器的位置，如1個紅外避障傳感器應放在離籃筐最近的位置，方便第一時間檢測是否進球，1個有源蜂鳴器、1個LED燈傳感器則可根據喜好放在合適的位置。

②用小貓當智能裁判員記錄分數，設置變量把原始分數設定為0。

③編輯腳本：在紅外避障傳感器中，選擇數字3作為插口。因而在設置紅外避障的腳本時，要把讀取的傳感值設置為3。如果球進了，紅外避障器檢測到有物體，就會執行開啟LED燈的命令，燈就會亮；如果球沒進，燈就會滅了，隨著比賽的進行，投中籃球的次數越來越多，獲得的分數也越來越多，此時，運用重復執行直到的命令，當分數加到分數=100時，程序停止，出現提示勝利的笑臉（如下頁圖1）。

有源蜂鳴器選擇數字5作為插口，當球進了后就會發出音調為C2，節拍為1/2的聲音（如下頁圖2）。

把球投進了籃筐后，用來記錄分數的變量會自動增加分數，可根據比賽規則來設定每進一球對應增加的分數值。這里設定初始分數為0，每投中一球分數就加5分（如下頁圖3）。

當滿分后自動停止，自動關燈。完善籃球對抗賽的虛擬場景，并設置勝利的話語（如圖4）。

④測試程序，發現、修改問題。學生在程序中把紅外避障傳感器（數字3）的編程錯弄成數字4，導致紅外避障傳感器無法將獲得的信號傳輸到主板，從而引起程序無法正常運行。有源蜂鳴器的引腳設置為5，每一種傳感器的信號傳輸通道必須是唯一的，不能同時并用一個通道。學生查出錯誤并進行改正。

⑤完成軟件。智能籃球裁判員程序界面圖及機器人正背面如圖5所示，實現了籃球愛好者不用裁判就可以打籃球，并具有分數記錄、吹哨子等功能，受到學生們的喜愛。

此作品參加了龍華區青少年科技創新大賽，并獲得發明類一等獎；參加了深圳市青少年科技創新大賽，并獲得發明類二等獎，得到評委們的一致好評。

反思

筆者以智能籃球裁判員的開發為例說明了“Scratch+體育”的STEAM教育開發案例，據此筆者有以下三點思考。

1.智能籃球裁判員的完善構想

如果能將蜂鳴聲改成音樂聲，并將傳感器的連接線捆好，把紅外避障傳感器放在框后，再利用3D打印機，打出一個盒子套住后半身（籃筐不套），那么外形將更美觀。如果能再給它裝上輪子，實現移動功能則更完美。移動的方案有兩種：第一種，利用電機設置一定的旋轉速度，讓它在左右一定的范圍內輕微移動，像人在踱步一般；第二種，通過無線遙感來控制，不同的按鍵代表不同的方向，并可調節移動的速度，也將更加智能，但帶來的不利因素是增加了投中的難度。因此應用此功能時，可設置不同難度的挑戰賽。

2.“Scratch+學科”與STEAM教育相互契合

“Scratch+學科”與STEAM教育相互契合，相互促進：①兩者引入課堂教學的目標是一致的，均是為了培養學生的動手實踐能力，培養他們的創新思維，提升其科學、技術、數學、工程、藝術等核心素養，使其能在日?；顒?、問題解決、適應環境等方面，通過學習、理解、運用跨學科的知識與技能、思維與方法形成理性思維，勇于探究。②兩者引入課堂教學的方式是一致的，均是以項目式學習為基點?；陧椖康膶W習是以學科的概念和原理為中心，以制作作品并將作品推銷給客戶為目的，在真實世界中借助多種資源開展探究活動，并在一定時間內解決一系列相互關聯著的問題的一種新型的探究性學習模式。[3]它強調以現實生活或真實情境中的多學科交叉問題為出發點，利用多學科的工具和技術來解決，最終呈現出的作品或方案具有一定的社會效益。③兩者引入課堂教學的內容是一致的，均是以跨學科應用為師生教與學的引導線?！癝cratch+學科”實現了編程與學科的融合，具有靈活性與擴展性的特點；依據不同的項目需求，以“科學”的程序思維方法，運用“數學”原理，利用不同傳感“技術”，來搭建符合現實“工程”標準又兼具“藝術”美感的作品，“Scratch+學科”既是跨學科教的內容，也是跨學科學的內容，更是解決問題中跨學科的工具與思維的應用過程，故跨學科是兩者教育形態的貫穿線。

3.“Scratch+傳感”式的結合，豐富了交互的可能性

“Scratch+傳感”式的智能籃球裁判員，將Scratch所描繪的虛擬世界與真實生活所涉及的客觀世界相連接，實現了人機交互，此模式增大了人與人交互、人與物交互、物與物交互的可能性。以此案例作為STEAM教育的切入點，符合學生的認知由掌握、應用到分析、綜合的提升，使其思維的過程由運用符號象征的事物，用符號從事簡單思考活動的前運算階段，過渡到運用符號進行有邏輯的思考活動的具體運算階段，最終進階到從具體的形象事物中，運用抽象的概括提出合理的假設并驗證，從而了解事物有多種可能性的形式運算階段。筆者從實踐中發現，它確實能有效提高學生的信息技術核心素養，為學生成為智能時代的開發者打下創新基礎。