樂高硬件環境下的Scratch3.0編程教學案例探究

摘?要：文章主要在探討樂高硬件結合小學Scratch3.0編程教學對學生的學習效果及問題解決能力的影響，研究方法為案例研究法。研究結果顯示，學生對于樂高硬件結合Scratch3.0編程教學課程非常感興趣，學生也覺得可以幫助自身理解程序設計的邏輯概念以及問題解決能力。

關鍵詞：Scratch3.0程序設計;樂高硬件;編程教學

一、 Scratch軟件簡介

Scratch是麻省理工學院媒體實驗室（MIT Media Lab）Resnick教授所領導Lifelong Kindergarten小組開發的一套圖形化編程軟件，主要目的是幫助程序設計語言初學者不需要先學習語言語法便能設計創作作品。它專為8～16歲年齡的青少年設計，是學習程序設計的入門軟件，兼具教育性和娛樂性，容易學習。Scratch3.0相比之前的版本，支持移動設備操作，可以在平板電腦（iPad）和移動設備（iOS和Android 6.0+）上運行，可以自由地為人物上色，有更多新的音效和顏色等，同時保留Scratch2.0中的JSON文件，聲音編輯模塊中可以對聲音文件進行細微的操作和調整，擴展模塊中添加了以前不支持的一些功能，例如視頻、翻譯等。

二、 樂高硬件簡介

LEGOMindstorms EV3是樂高公司在2013年初開發的Mindstorms系列的第三代機器人，采用可編程積木，擁有輸出輸入端，讀取各類傳感器的輸入值，并控制輸出端的伺服馬達運轉等，另配有各式各樣的積木。

LEGO Education WeDo 2.0包括控制器（Smarthub）、馬達、運動傳感器、傾斜傳感器和積木組件。控制器有2個端口，傳感器和電機可以任意組合連接，可以吸引學生并激發他們對科學和工程的興趣。

樂高硬件的工作原理是組合可編程化積木，結合傳動裝置、輪胎、馬達、傳感器等制作機器人，再編寫程序下載至可編程積木內，執行程序，控制輸入傳感器或輸出伺服器馬達，也就是控制機器人來完成動作。

三、 樂高硬件和Scratch3.0軟件連接

Scratch3.0要和樂高硬件藍牙連接，須安裝Scratch Link軟件，Mac版本下載地址：https：//apps.apple.com/cn/app/scratch-link/id1408863490？mt=12

Win版本下載地址：https：//downloads.scratch.mit.edu/link/windows.zip。

安裝成功后，在任務欄會出現Scratch Link的圖標。這時，我們打開Scratch軟件，開啟LEGO Mindstorms EV3可編程主機，連接之前需打開藍牙，在Scratch3.0軟件中單擊添加擴展，選擇LEGO Mindstorms EV3，點擊刷新，顯示出設備名稱，點擊連接，用默認識別碼（PIN）1234連接EV3主機，然后返回編輯器，這時軟硬件之間已經完成連接。LEGO Education WeDo 2.0連接的方法還要簡單，只要添加LEGO Education WeDo 2.0擴展，點擊開始搜索，按下控制器上的綠色按鈕，控制器上的藍色指示燈亮起表示連接完成。

四、 利用LEGO Mindstorms EV3硬件體驗Scratch彈球游戲交互性

彈球游戲教學案例是Scratch中一個經典的案例，從Scratch1.4官方實例中就有了。案例中一個小球在屏幕中移動，碰到邊緣反彈回來，下面有一塊擋板在左右移動，接到球之后就反彈，沒有接到球的話，則失敗。接下來我們利用LEGO Mindstorms EV3硬件給彈球游戲加入交互性，我們用兩個觸碰傳感器分別接在EV3控制器的1號和2號端口上。

（1）在角色庫中導入3個角色，分別是彈球、擋板、停止線，分別調整大小，把停止線移動到舞臺區底部，當彈球碰到停止線的時候，游戲就結束。

（2）編寫彈球的腳本。將小綠旗添加到編輯區，在程序的一開始先讓它停留在（0，160）的位置。Scratch中的方向用角度值來表示，既然彈球的初始位置為舞臺的上邊緣中部，則初始運動方向可以向下以一定角度運動，則角度值范圍為135度到225度之間，為了增加游戲的不確定性，使用隨機數模塊。

（3）編寫擋板的腳本。擋板Y坐標值是固定不變的，所以在程序的一開始，將Y坐標值設為120，通過LEGO Mindstorms EV3按鈕傳感器對擋板左右移動控制，來攔截彈球。接下來就是程序的關鍵之處，編寫按鈕控制擋板移動的腳本。這里要用到控制模塊里面的“如果……那么”指令，還要用到LEGO EV3模塊里的“按下按鈕”指令。當按下按鈕1，將X坐標增加-5，實現擋板的左移;當按下按鈕2，將X坐標增加5，實現擋板的右移。

（4）編寫彈球碰到擋板的腳本。在彈球腳本中，繼續拖動控制模塊“如果……那么”指令，把偵測模塊中的“碰到”指令拖動到“如果”后面，選擇“擋板”，彈球碰到擋板之后，先播放聲音“pop”，接著讓彈球面向-45至45這個區間移動。

（5）編寫彈球碰到停止線的腳本。程序編寫到這里，我們發現整個程序不會結束，角色“停止線”還沒有派上用場，我們還要對彈球碰到停止線進行設定，繼續在彈球腳本的下面拖動“如果……那么”指令，在偵測模塊中選擇“碰到鼠標指針”，拖動到如果后面，選擇“停止線”角色，最后在“控制”模塊中選擇“停止全部腳本”。這樣一旦彈球沒有被擋板接住，掉落到紅色停止線的話，游戲就結束了。

（6）編寫得分的腳本。擋板每接住一次小球，加1分。得分是彈球游戲最重要的反饋機制之一，添加得分，需要新建一個變量。游戲開始時，得分為0，所以需要在腳本開頭處，將變量“得分”設為0。當小球碰到擋板時，變量“得分”的值增加1。

（7）增加彈球游戲的難度，小球隨著得分的增加，速度越來越快。之前的腳本，小球的運動速度為恒定的“5步”，我們可以將小球的運動速度設定為“5+得分”。這樣，當得分越高，速度就越快。

五、 利用LEGO Education WeDo 2.0硬件提升Scratch彈球游戲交互性

在LEGO Mindstorms EV3硬件中我們用2個觸碰傳感器完成擋板的左移和右移，實現了用硬件控制角色的動作，接下來我們嘗試用LEGO Education WeDo 2.0硬件中的傾斜傳感器模擬手勢控制擋板的移動。

LEGO Education WeDo 2.0硬件中的傾斜傳感器可以偵測機器人的六種狀態，即前、后、左、右、平放、抖動。在彈球游戲例子中，我們只用到左、右兩種狀態。把傾斜傳感器固定在WeDo 2.0控制器上之后，前面的弧形箭頭代表左、右方向，側面的弧形箭頭代表上、下方向，這里我們改變擋板角色的腳本。在程序的一開始，將Y坐標值設為120，通過LEGO Education WeDo 2.0的傾斜傳感器對擋板左右移動控制，來攔截彈球。這里要用到控制模塊里面的“如果……那么”指令，還要用到WeDo 2.0模塊里的“向任意方向傾斜”指令。當向左傾斜時，將X坐標增加-5，實現擋板的左移;當向右傾斜時，將X坐標增加5，實現擋板的右移。

這樣我們就可以用手握住控制器，模擬手勢控制擋板的移動，相比用LEGO Mindstorms EV3硬件的兩個觸碰傳感器來控制擋板的移動，用傾斜傳感器控制更加提升了彈球游戲的交互性。

六、 利用樂高硬件結合問題導向助力中小學編程教學

中小學編程教學是指在計算機環境中解決問題的所有任務，包括思考和解決問題的過程。出于這個原因，當前教學越來越多地使用計算思維的概念來描述獲取和實施編程教學所需要的思維過程。計算思維不僅有助于發現解決問題的方法，還利用人類的創造力和批判性思維使計算機增強解決問題的能力。要在編程教學領域獲得成功，個人必須首先發展和獲得高級思維技能，例如解決問題的能力、邏輯能力、數學思維能力、批判性思維能力和創造性思維能力。此外，也可以說，學習計算機編程也是培養這些技能的有效途徑。在這種情況下，解決問題和邏輯數學思維能力對于編程教學至關重要。為了確保學生在計算機編程中表現出色，首先需要培養他們的解決問題和邏輯數學思維能力，這可以通過學習編程來實現。

Scratch3.0編程軟件可以方便地讓教師設計情境問題，學生在面對情境問題時，必須先去設計程序，并且分析程序的難度，將問題分為各個小問題，再去搜集相關的資料，經過分析、推理與歸納的過程后，寫出解決問題的程序，最后加以驗證，再不斷修正程序來真正完整的解決問題。Scratch3.0軟件圖形化的創作方式讓編程更為方便，而且作品創作的過程與問題解決的過程相融合。Scratch軟件在教學上具有提升學生問題解決能力的作用，它使每位學生更容易理解計算機編程。作為一個圖形化編程軟件，它使得學生更輕松的理解和掌握編程邏輯和算法思維技能，有助于提高學生數學思維、解決問題的能力。

樂高硬件系統包括控制器、傳感器和樂高積木等，基于樂高硬件的編程教學相比基于Scratch傳統編程教學活動對學生解決問題的能力有更大的幫助。樂高硬件編程教學活動通常是基于項目的教學應用，要求學生通過設計自己的方案來解決預先確定的問題，基于樂高硬件的編程教學活動將對解決問題的能力產生積極影響。

問題導向學習（Problem-Based Learning，PBL）是指在教學過程中，教師設計一個符合真實情境的問題為核心，建立學習目標，鼓勵小組合作討論，經過不斷的試驗后，最終提出問題的解決方案，借此讓學習者透過問題解決的過程，培養主動學習、批判思考和問題解決的能力，并學習建構知識的過程，獲得新知。

中小學教學領域中最被廣泛認可的提升問題解決能力的教學策略就是問題導向學習，所以利用樂高硬件結合問題導向進行編程教學，設計適用于中小學生的編程教學課程，能夠提升學生的問題解決能力。

七、 結語

在彈球游戲這個課例中，我們使用LEGO Mindstorms EV3按鈕傳感器、LEGO Education WeDo 2.0傾斜傳感器來控制彈球的左右移動，使得經典的彈球游戲玩法更加豐富，學生對Scratch3.0擴展硬件項目有了更深入的了解。在這個課例中體現了對象、指令、數據、順序、條件、循環等編程思想，在調試程序的過程中又培養了學生的計算思維，在小組和全班同學的合作與討論中又體現了創意與表達、交流與協作、理解與質疑等計算理念。樂高硬件拓展了Scratch3.0的應用，使得編程變得更加有趣，更具有互動性。LEGO Mindstorms EV3還配備了豐富的傳感器，例如聲音、超聲波、陀螺儀、顏色等傳感器，學生可以在彈球游戲的基礎上舉一反三，利用這些傳感器制作更加具有交互性、更加有趣的Scratch作品。

參考文獻：

[1]錢晨露.基于Scratch3.0的圖像識別程序制作[J].北極光，2019（11）.

[2]顧曙敏.淺談教師的心理健康及訓練策略[J].石家莊師范專科學校學報，2003（3）.

作者簡介：

朱春健，江蘇省南通市，南通市海門實驗學校附屬小學。