用Scratch+Arduino踏進(jìn)互動科技世界

在教育界提到機(jī)器人教學(xué)，不免讓人聯(lián)想到樂高公司推出的LEGO Mindstorms可程序化積木系列產(chǎn)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(jìn)入互動科技的世界，但是它的價(jià)位非常高，中小學(xué)往往不容易有經(jīng)費(fèi)購置相當(dāng)?shù)臄?shù)量來進(jìn)行教學(xué)。相對于樂高機(jī)器人套件的封閉規(guī)格與高價(jià)位，Arduino開放式硬件不僅成本很便宜，配合低價(jià)位的的積木組（臺灣地區(qū)可使用的智高公司http：//www.gigo.com.tw發(fā)行各種組合方案），再加上Scratch（S4A：http：//seaside.citilab.eu）進(jìn)入門坎很低，只要懂簡單的機(jī)械原理，加上創(chuàng)意，就可以輕易地制作出獨(dú)一無二的機(jī)器人，因此“Scratch+Arduino”就成為了小朋友踏進(jìn)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(shè)計(jì)學(xué)院的教授DavidCuartielles和Massimo Banzi所設(shè)計(jì)，原始構(gòu)想是希望讓設(shè)計(jì)師及藝術(shù)家們，透過Arduino能很快地學(xué)習(xí)電子和傳感器的基本知識，快速地設(shè)計(jì)、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(shè)計(jì)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(gè)約手掌大小的控制板，提供14個(gè)數(shù)位式輸出/輸入端，6個(gè)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(shù)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(dá)等。軟件的部分是使用基于C/C++語言，如要控制接在第13個(gè)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(jīng)驗(yàn)，改寫自由軟件Scratch并命名新軟件為S4A，創(chuàng)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(jìn)一步將創(chuàng)意延伸到實(shí)體的互動科技裝置上。這種方式對中小學(xué)教育可以說是一大福音，學(xué)生不再需要有高深的專業(yè)程序知識，每個(gè)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(gè)程序不斷地與S4A主程序溝通，Arduino與計(jì)算機(jī)間可以通過有線的USB連接線或無線的藍(lán)牙模塊來傳輸，在S4A主程序中設(shè)定好使用的端口位置，就可以偵測到Arduino的狀態(tài)。以控制接在第13腳位的LED燈為例，我們可以應(yīng)用在以下的案例情境：讓蝙蝠不斷地在左右飛行，當(dāng)它碰到舞臺邊緣時(shí)，LED燈就會亮0.5秒。

傳統(tǒng)的Scratch程序中，程序的執(zhí)行結(jié)果是通過屏幕與喇叭來做輸出，在這個(gè)例子中，我們可以將程序的執(zhí)行結(jié)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(xiàn)實(shí)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(gè)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(shù)字輸出外，也可以使用模擬輸入設(shè)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(gè)模擬輸入的積木，A0腳位對應(yīng)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(diào)整籃子的位置，當(dāng)滑桿左右滑動時(shí)，就可以控制籃子的位置，如圖5。

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

由于受限于文字篇幅，無法以書面數(shù)據(jù)介紹太多的S4A案例，進(jìn)一步的數(shù)據(jù)可以參考筆者所撰寫的書籍《程序設(shè)計(jì)邏輯訓(xùn)練——使用Scratch》，其中第五章Arduino互動科技篇有專文介紹。動態(tài)的作品展示可以參考范運(yùn)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(jìn)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）