基于“Scratch+X”的小學創客課程的構建與實施

郭巍丹 陳欣瑋

【摘 要】文章從創客教育理念出發，介紹了Scratch編程教學與各類硬件進行系統融合而構建形成的“Scratch+X”小學創客課程，并結合實例介紹了“Scratch+X”課程的設計、實施與價值以及實踐感悟。

【關鍵詞】Scratch 攝像頭 傳感器 創客教育

一、基于“Scratch+X”的小學創客課程的產生

創客教育的興起與科技進步密切相關。智能手機和平板電腦的流行讓各類高新信息技術的應用貼近了人們的生活，這些技術橫跨軟件和硬件兩個領域，引導學生關注軟硬件技術的有機結合和綜合應用。與此同時，Scratch和由Scratch衍生而來的外接硬件設備也進入了蓬勃發展期。由于Scratch與信息素養、計算思維等有著緊密的聯系，又可以提高硬件組裝、互動設計等能力，所以往往被作為小學生創客教育的一種載體。

“Scratch+X”就是“Scratch +各類硬件”，但這并不是簡單的兩者相加，而是利用學生的創意與設計，讓Scratch與一些機器人設備、可擴展的硬件進行深度融合，創造新的作品。希望通過一系列課程的學習，帶領學生從虛擬向走現實，這樣的課程將對于學生體驗程序設計奇妙的效果和智能世界的無限創意具有很強的促進作用。

二、基于“Scratch+X”的小學創客課程的內容

“Scratch+X”的小學創客課程要求學生能通過問題分析、設備選擇、程序設計、藝術創作、動手操作等方式綜合性地解決問題或完成項目。在編程語言方面，圖形化編程平臺Scratch降低了編程技術門檻。在硬件方面，針對Scratch軟件開發的外接設備作為學生探究學習的主題與學習環境，越來越受中小學生的喜愛。目前，市面上Scratch外接設備層出不窮，筆者根據產品的功能、性質、性價比等方面結合小學生的認知水平與興趣點，選擇了部分合適的具有代表性的產品，作為“Scratch+X”創客課程的硬件，并分別設置了系列課程，分為以下三類（如圖1所示）：

（一）“S+攝像頭→體感游戲”系列課程

Scratch最能引起學生直觀感受的功能莫過于新生的“視頻感知”技術，它所需的設備只是一只普通的攝像頭，比較容易掌握，特別適合小學生的學習與體驗。在Scratch中與攝像頭有關的指令（如表1）可以直接捕捉、判斷攝像頭中的畫面，進而對Scratch程序中舞臺中的角色等產生相應的動作。

利用攝像頭的捕捉技術，我們可以在作品中脫離以往的用鍵盤和鼠標來控制角色，代替它們的是揮手、搖頭等肢體語言來與自己編寫的程序產生交互，因此這一功能也常被冠以“體感”之名。這樣的功能極大地激發了學生對互動媒體作品的創作欲望。

比如在《拯救小貓》這個案例中，互動創意是利用手接住即將落入水中的小貓，當攝像頭檢測到對于角色有物體的動作時，小貓就會反彈回頂部，否則，小貓會落入水中。作品的制作方法是：對舞臺編寫腳本（如圖2），用于開啟與關閉攝像頭;對角色編寫腳本（如圖3），重復克隆自己，實現小貓連續不斷地出現，當角色上的動作參數大于10時，則表示有事物接到了小貓，小貓彈回頂部。

（二）“S+傳感器→互動作品”系列課程

Scratch傳感器板是Scratch語言拓展的一組硬件，是經常用于傳感器學習入門的一類設備。目前，市面上有各種不同廠家生產的傳感器板（如圖4），比如盛思魔盒、CK 測控板、PicoBoard傳感器板……

雖然版本眾多，但一般Scratch傳感器板的硬件資源都包括 ：光電、聲音、滑桿、按鈕傳感器和自定義傳感器（電阻類）。4個自定義傳感器接口接受常見的電阻類傳感器輸入，比如包括熱敏電阻、濕敏電阻等;有的還有1到2個輸出接口，用于輸出LED燈或馬達。比如我們使用的盛思魔盒套裝中，還可以輸出動力給水泵、蜂鳴器、風扇等，實現更多樣的作品。

在《日升日落》案例中，互動創意是利用傳感器控制太陽的升起與降落：當太陽升起，舞臺和角色變清晰;當太陽下降，舞臺與角色看不見。不同的學生提出了不同的解決思路：有學生提議既然是太陽和亮度有關系，就使用光線傳感器來接收外界亮度值，外界亮度越亮太陽越高，舞臺與角色更亮（如圖5）;也有學生提議用滑桿傳感器（0-100值），來決定太陽在舞臺中的y值（如圖6）。

由于這種傳感器板存在入門快、容易理解的優勢，學生可以迅速舉一反三利用傳感器的偵測值，對數據加以分析、歸納，進而游刃有余地進行創作。

（三）“S+積木套裝→智能機器”系列課程

“Scratch+X”創客課程中還有一類是與WeDo、中鳴等積木套裝的結合使用。這一類硬件設備，除了常見的傳感器以外，還可以用各種積木搭建實體的機器人，實現機器的簡易動作，更具交互性。相比于傳感器板，這類作品還需要具備對物理結構、工程結構的認識。通過前面課程的學習，學生對于積木套裝中的傳感器在作品中的應用已經非常熟悉，所以這類作品，我們將創意重點放在物理結構的搭建上，更多地思考如何將虛擬的舞臺畫面與實體的智能機器進行深度融合。

比如在《守門員》這個案例中，互動創意是要實現舞臺和實體的守門員守門的情境。學生首先在Scratch環境中，編寫程序完成守門員角色受鼠標控制在球門前守球的功能，這個過程為進一步控制實體簡易機器人做準備（如圖7所示）。然后小組討論并動手搭建球門和守門的實體機械臂，并連接控制器上的馬達。最后修改Scratch程序，實現舞臺中守門員與實體守門的機械臂的統一控制（如圖8所示）。

正如與上文的案例中所描述的情形一樣，在實際教學中學生往往對此表現出了無比的熱情。它的優勢在于既可以做圖文并茂的作品，又可以用虛擬的角色控制真實的硬件，使學生們愛不釋手。

三、基于“Scratch+X”的小學創客課程的實施

（一）課程實施的對象

為體現學校基于“Scratch+X”的小學創客拓展課程的特色，本課程每周有2課時，形成系統。課程面向四到六年級學生，通過網絡平臺自主選課。一般來說選修這個課程的學生已經對Scratch純軟件學習有一定的基礎，相當于是在純軟件學習基礎上的進階深入學習。

（二）課程實施的硬件

學校有專用信息教室4個，機器人工作室1個，都已經安裝號Scratch各個版本軟件，滿足學生學習環境的需要。機房電腦是自帶攝像頭的一體機，且前期已經擁有各款Scartch外接硬件設備（如表2）。這些都為課程的開設提供了基礎。

（三）課程實施的策略與評價

創客教育的虛實融合不僅體現在軟硬件工具上，還體現在學習環境上，既需要線上的環境提供創客交流社區和學習資源，也需要線下的創客空間以開展創意設計和創作。在 “Scratch+”互動媒體技術課程實施過程中采用教師集中講解、學生自學微課、精品案例分析、作品賞析評價等多種形式進行學習;根據課堂、社團、課外學習環境不同采用線上線下相結合、操作與講解相結合，幫助學生學習理解與熟悉各種硬件的連接方法、使用方法以及各自的功能，進而學會根據不同的主題項目（問題），由學生自己選擇不用的硬件設備設計制作不用的互動作品。

創客教育關注學習過程、創新精神和科學方法。所以每個主題完成后，采用學生自評、小組互評、班級展示相結合，過程評價與作品打分相結合，教師評分與學生互評相結合，情感態度與協作精神相結合的多元評價。

四、基于“Scratch+X”的小學創客課程實施的效果

“Scratch+X”創客課程因其虛實相融的特點，為培養學生的多方面的能力開辟了一個新型的學習內容與學習環境。學生在參與項目學習過程中，提高了創意創新、問題解決、合作交流等多方面能力，激發了學習興趣和探索欲望。

（一）培養了學生的創新與創客意識

“Scratch+X”創客課程的開展激發了學生強烈的創造熱情。在學習過程中，不斷有學生開始自己尋找生活中的問題（主題），進行創意設計。問題與主題的來源不再僅限于教師，還來源于學生和伙伴。比如有個四年級學生提出在科學課學習中，基于植物生長需要以及光合作用的知識是比較難理解的，社團中的五六年級的幾個學生就以此作為待解決的問題開展設計“光合作用”互動媒體作品，體現植物生長需要水、陽光、空氣這些必需物質，缺少任何一項，都會導致植物生長缺陷或死亡。

（二）提高了學生的創意落地的能力

隨著作品的不斷完善，一個完整的創意作品往往有好幾頁腳本。比如在“光合作用”的作品中，由于影響植物生長的因素較多，在編寫程序前必須要仔細羅列出各種可能性（如圖9所示），再針對各種可能性進行編程（如圖10所示）。

在這個過程中，學生需要不斷地嘗試、編寫、計算、測試、推翻、修改。但是也正因為這個艱難的過程，學生學會了對于問題的全面思考、對于編程的細致耐心，這對他們的邏輯思維、計算思維、編程能力提升都有很大的幫助。在自己的創意慢慢落地的同時，學生感受知識學習的價值，獲得創造的成就感和愉悅性。

（三）提升了學生的合作學習的能力

創客教育的學習活動通常都是基于一個項目開展的，且學習成果可視化，幫助學生形成自我激勵、規劃設計、時間管理、自主學習、小組協作等素養。在學生自主設計的“光合作用”互動媒體作品中，涉及了編程、傳感器、美術、計算等多方面的知識。小組成員通力合作，有個女生畫畫比較好，她就主動承擔起繪制舞臺與角色（造型）的任務。當他們發現自己設計的作品，雖然在舞臺中精美細致，但是所有的傳感器都只能呆板地放在桌子上，影響整體表現效果時，組員中有一個學過3D設計的學生想到可以利用自己學的建模知識，為這個主題和傳感器的擺放量身定制一盆植物（如圖11所示）。在這樣的學習過程中，同伴們獻計獻策，相互學習。為了實現“造物”，驅使學生更主動地去學習其他課程與知識。

五.問題與設想

“Scratch+X”創客課程引入教學活動，有利于培養學生從小對科技產生積極興趣，并激發創新思維和創造意識。在課程實施的過程中，筆者也發現了一些問題，并對此進行了思考與進一步的設想。

（一）視頻偵測精度不高

Scratch 2.0的視頻技術相對簡單，這是它的劣勢。準確來說Scratch 2.0的視頻感知僅僅是識別畫面中物體的灰度變化，而不能識別人體或顏色。確實有Scratch愛好者利用該功能實現了非常精準的“人體跟蹤”效果，但是這個功能實現的“人體跟蹤”由于數據的計算相當復雜并不適合小學課堂教學。

為解決這個問題，在“Scratch+X”創客課程中將嘗試引入體感控制器Leap Motion。它體積小巧，通過USB連接電腦后，它會創造出一個工作空間。10個手指的動作都會被即時追蹤，誤差在0.01毫米以內，相信這樣的精準程度將帶給學生完美的體感互動體驗。

（二）傳感器板作品單一

雖然Scratch傳感器板種類很多，但無論從外觀還是功能上都大同小異。這些傳感器內嵌在傳感器板中，不可分割、不可移動，不能隨心所欲根據自己的作品需要安裝，極大地限制了學生大型互動作品的創作。此外，由于Scratch軟件的開源性，各種廠家都紛紛針對自己的硬件設計符合自己特色需求的Scratch軟件版本，在豐富學生們選擇之余，導致了學生需要根據硬件安裝不同的軟件等問題。

為解決這個問題，在課程的下一個階段，我們還試圖將Scratch和Arduino相結合進行互動作品的創作。Arduino可以使用現有的電子元件，也可以獨立運行，并與軟件進行交互。這將使中小學的學生實現“有技術含量的創新”成為可能，進一步接近真正的互動媒體技術的本身。

通過基于“Scratch+X”的小學創客課程的實施，我們實現了通過技術門檻很低的平臺，讓學生了解技術、愛上技術，從而研究技術。讓學生知道，所謂的新技術不是什么高高在上無法接觸的神奇事物。創客教育不是少數學生和教師依靠技術和設計進行的創新，而是每一個學生和教師都能通過自己努力實現的創新。未來如何為學生提供更多更適宜的空間去想象、去創造，這個問題值得我們進一步去探討。在今后，我們將繼續圍繞問題，進一步豐富課程。