Scratch与机器人融合的创客作品设计

王同聚

【摘 要】在“互联网+”时代背景下，创客成了一个网络热词，创客运动风起云涌，创客教育也呈现出爆发趋势。第十七届全国中小学电脑制作活动首次加入创客元素，为中小学开展创客教育和STEAM教育提供了展示的平台。本文提出了利用Scratch与机器人融合开发创意编程和创意智造项目作品的解决方案，以电子钢琴和电子爵士鼓的设计为例，介绍了通过Scratch与机器人融合来实现创客项目作品的设计和编程策略。

【关键词】Scratch与机器人融合；创客教育；STEAM教育；创客作品；设计

【中图分类号】G434 【文献标识码】B

【论文编号】1671-7384（2016）03-0067-03

2015年12月，《中央电化教育馆关于举办第十七届全国中小学电脑制作活动的通知》[1]中增加了两个新项目：创意编程和创意智造。从这两个项目的要求来看，运用Scratch与机器人融合能较好地完成项目作品的设计与创作。受此启发，笔者设计开发了电子钢琴和电子爵士鼓应用案例，可实现用计算机键盘、机器人传感器两种方式分别进行钢琴弹奏和打爵士鼓，所实现的作品交互性强、动画效果逼真，达到了“所想即所得”的效果。现在，笔者把这两个作品的设计方案与大家分享，希望能抛砖引玉。

全国中小学电脑制作活动新增创意项目实现策略

根据创意编程和创意智造两个项目的编程环境以及对软硬件的相关要求，将Scratch2-JMD与中鸣E2教育机器人融合，可较好地实现这两个项目的软件编写和硬件设计。Scratch2-JMD在Scratch开源软件的基础上经二次开发后增加了电子控制模块，而E2-RCU控制器是由Arduino板二次开发而成的，它能够让Scratch与机器人完美融合，可以实现即时编写程序即时运行，利用它可轻松创建自己的互动故事、动画、游戏、音乐并在网络上分享作品[2]。Scratch与机器人之间可以通过有线USB、无线蓝牙或Wi-Fi等多种方式连接，获取电子传感器信息，控制电子执行模块，可使动画与电子模块完美结合并进行一系列的创作，实现所见即所得的教学效果。[3] [4]

电子钢琴的设计制作

1. 电子钢琴图片的准备与角色导入

通过电子钢琴拍照或从iPad的App软件中截取一个电子钢琴全键盘的图片，再用Photoshop软件抠图，获取4个琴键的图片。为保证所有图片文件为底色透明，将文件保存为.PNG格式。在Scratch2-JMD中依次导入全键盘、琴键和“小女孩”角色的图片，导入后键盘布局及各琴键角色如图1所示。

图1 导入角色图片

2. 用计算机键盘弹琴的程序设计

（1）计算机键盘与琴键的对应关系

Scratch2-JMD软件内部提供了2个八度音阶的音源，根据使用习惯，笔者将计算机键盘上的字母z、x、c、v、b、n、m分别对应低音区音名LC、LD、LE、LF、LG、LA、LB，字母a对应低音区音名LB，字母s、d、f、g、h、j、k分别对应中音区音名C、D、E、F、G、A、B，字母l对应高音区音名HC，字母q、w、e、r、t、y、u、i、o、p分别对应琴键上的黑键L#D、L#F、L#G、L#A、#C、#D、#F、#G、#A、H#C等音名，这样就可以完成两个八度音阶的布局。

（2）示范曲的程序编写

利用Scratch2-JMD软件平台所提供的音源文件可以编写多首乐曲。这里以《两只老虎》为例（如图2），当按下计算机的空格键时，会自动演奏该乐曲。

（3）弹琴程序与动画效果程序的设计

利用计算机键盘弹琴的动画效果可以通过两种方式呈现：一是针对“女孩”角色进行编程，计算机键盘弹奏到哪个键，“女孩”就会移动到电子钢琴的相应位置跳动一下并发出该键的声音；二是弹到哪个键，电子钢琴的相应琴键出现灰色闪烁一次。以“s”键为例，用计算机键盘弹琴程序及计算机屏幕呈现动画效果程序如图3所示。

图3 计算机键盘对应键的程序编写

3. 用机器人传感器弹琴的程序设计

用机器人弹琴可以使用触碰传感器或超声波传感器来实现，两种传感器弹琴的操作方式分别是接触式和悬空式。现以触碰传感器为例，介绍电子钢琴的程序设计方案。

（1）触碰传感器与琴键的对应关系

Scratch2-JMD软件内部提供了2个八度音阶的音源，E2机器人可以连接8个触碰传感器（可扩展为16个）。以C调为例，将触碰传感器P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7分别对应中音区音名C、D、E、F、G、A、B，将触碰传感器P8对应低音区音名LG，这样的布局（如图4）可以完成多个常见曲目的弹奏。

图4 触碰传感器机器人模型

（2）弹琴程序与动画效果程序的设计

以P1输入口为例，用机器人触碰传感器弹琴及计算机屏幕动画效果的程序如图5所示。

图5 机器人每个触碰传感器的程序编写

电子爵士鼓的设计制作

1. 电子爵士鼓图片的准备与角色导入

通过爵士鼓拍照或从iPad的App软件中截取一个电子爵士鼓总图的图片，再用Photoshop软件将总图中的每个鼓图片抠取出来。为保证所有图片文件为底色透明的，将文件保存为.PNG格式。在Scratch2-JMD中依次导入爵士鼓总图、单个鼓和鼓棒角色图片，导入后如图6所示。

图6 导入角色图片

2. 爵士鼓音源文件的采集

利用GoldWave、Cool Edit Pro2.0等音频处理软件对每个鼓进行声音文件的录制、加工和处理，分别完成地鼓、军鼓、一嗵、二嗵、三嗵、四嗵、左吊镲、右吊镲、节奏镲、开镲和闭镲等多个鼓音源文件的采集，音源文件格式为.MP3。

3. 用计算机键盘打爵士鼓的程序设计

（1）计算机键盘与每个鼓的对应关系

将计算机键盘上字母z、x、c、v、b、n、m分别对应爵士鼓的闭镲、开镲、节奏镲、一嗵、二嗵、三嗵、四嗵，字母s、h、j、l分别对应爵士鼓的左吊镲、右吊镲、军鼓、地鼓。这样，就可以完成计算机键盘与爵士鼓上每个鼓的布局。

（2）打鼓程序与动画效果程序的设计

利用计算机键盘打鼓的动画效果可以通过两种方式呈现：一是针对“鼓棒”角色进行编程，计算机键盘弹奏到哪个键，“鼓棒”就移动到电子爵士鼓的相应位置跳动一下，发出该键对应鼓的声音，鼓棒的颜色也会发生变化；二是弹到哪个键时，电子爵士鼓的相应鼓跳动一次。通过导入声音文件，可以设定每个鼓的声音文件并用键盘控制鼓的发音，同时可导入多首示范曲，如数字键可以对应多个示范曲。这里以《光辉岁月》为例，当按下计算机键盘数字“1”时，乐曲会自动响起来。以“s”键为例，用计算机键盘打鼓及计算机屏幕呈现动画效果的程序如图7所示。

图7 计算机键盘按键程序的编写

4. 用机器人传感器打鼓的程序设计

用机器人打鼓也可以使用触碰传感器或超声波传感器来实现。现在以触碰传感器为例，介绍电子爵士鼓的程序设计方案。

（1）触碰传感器与琴键的对应关系

E2机器人可以连接8个触碰传感器（可扩展为16个），将触碰传感器P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8分别对应爵士鼓的军鼓、地鼓、左吊镲、钉钉、闭镲、一嗵、二嗵、四嗵，这样就可以完成传感器与每个鼓的布局。

（2）打鼓程序与动画效果程序的设计

用机器人触碰感器打鼓及计算机屏幕动画效果程序如图8所示。

图8 每个触碰传感器控制爵士鼓的程序编写

通过创客项目作品的设计与开发应用，可以促进中小学开展创客教育和STEAM教育的进程，让学生以信息技术课程和STEAM（科学、技术、工程、艺术和数学）课程为基础，开展基于Scratch与机器人融合的创新设计项目研究，让学生在合作探究和问题解决过程中通过做中学、学中做、做中创，将自己的创意和想法变成创新设计作品，从而培养学生的动手实践能力、创新思维能力和团队协作能力，并形成独立思考和开拓创新的良好习惯，在实践、创新、协作和分享的过程中，促进学生的个性发展。

注：本文系全国教育信息技术研究“十二五”规划2012年度重点课题子课题“微课在中小学机器人教育中的应用研究”（立项号：123620577-0037）、广东省教育科学“十二五”规划2012年度教育信息技术研究课题“中小学智能机器人科技教育教学模式的构建与评价研究”（立项号：12JXN011）和2016年广州市青少年科技教育项目“基于智能机器人创客教育的科技教师培训”（立项号：2016-299）研究成果。

（作者单位：广东广州市教育信息中心）