基于“Scratch+X”的小学创客课程的构建与实施

郭巍丹 陈欣玮

【摘 要】文章从创客教育理念出发，介绍了Scratch编程教学与各类硬件进行系统融合而构建形成的“Scratch+X”小学创客课程，并结合实例介绍了“Scratch+X”课程的设计、实施与价值以及实践感悟。

【关键词】Scratch 摄像头 传感器 创客教育

一、基于“Scratch+X”的小学创客课程的产生

创客教育的兴起与科技进步密切相关。智能手机和平板电脑的流行让各类高新信息技术的应用贴近了人们的生活，这些技术横跨软件和硬件两个领域，引导学生关注软硬件技术的有机结合和综合应用。与此同时，Scratch和由Scratch衍生而来的外接硬件设备也进入了蓬勃发展期。由于Scratch与信息素养、计算思维等有着紧密的联系，又可以提高硬件组装、互动设计等能力，所以往往被作为小学生创客教育的一种载体。

“Scratch+X”就是“Scratch +各类硬件”，但这并不是简单的两者相加，而是利用学生的创意与设计，让Scratch与一些机器人设备、可扩展的硬件进行深度融合，创造新的作品。希望通过一系列课程的学习，带领学生从虚拟向走现实，这样的课程将对于学生体验程序设计奇妙的效果和智能世界的无限创意具有很强的促进作用。

二、基于“Scratch+X”的小学创客课程的内容

“Scratch+X”的小学创客课程要求学生能通过问题分析、设备选择、程序设计、艺术创作、动手操作等方式综合性地解决问题或完成项目。在編程语言方面，图形化编程平台Scratch降低了编程技术门槛。在硬件方面，针对Scratch软件开发的外接设备作为学生探究学习的主题与学习环境，越来越受中小学生的喜爱。目前，市面上Scratch外接设备层出不穷，笔者根据产品的功能、性质、性价比等方面结合小学生的认知水平与兴趣点，选择了部分合适的具有代表性的产品，作为“Scratch+X”创客课程的硬件，并分别设置了系列课程，分为以下三类（如图1所示）：

（一）“S+摄像头→体感游戏”系列课程

Scratch最能引起学生直观感受的功能莫过于新生的“视频感知”技术，它所需的设备只是一只普通的摄像头，比较容易掌握，特别适合小学生的学习与体验。在Scratch中与摄像头有关的指令（如表1）可以直接捕捉、判断摄像头中的画面，进而对Scratch程序中舞台中的角色等产生相应的动作。

利用摄像头的捕捉技术，我们可以在作品中脱离以往的用键盘和鼠标来控制角色，代替它们的是挥手、摇头等肢体语言来与自己编写的程序产生交互，因此这一功能也常被冠以“体感”之名。这样的功能极大地激发了学生对互动媒体作品的创作欲望。

比如在《拯救小猫》这个案例中，互动创意是利用手接住即将落入水中的小猫，当摄像头检测到对于角色有物体的动作时，小猫就会反弹回顶部，否则，小猫会落入水中。作品的制作方法是：对舞台编写脚本（如图2），用于开启与关闭摄像头;对角色编写脚本（如图3），重复克隆自己，实现小猫连续不断地出现，当角色上的动作参数大于10时，则表示有事物接到了小猫，小猫弹回顶部。

（二）“S+传感器→互动作品”系列课程

Scratch传感器板是Scratch语言拓展的一组硬件，是经常用于传感器学习入门的一类设备。目前，市面上有各种不同厂家生产的传感器板（如图4），比如盛思魔盒、CK 测控板、PicoBoard传感器板……

虽然版本众多，但一般Scratch传感器板的硬件资源都包括 ：光电、声音、滑杆、按钮传感器和自定义传感器（电阻类）。4个自定义传感器接口接受常见的电阻类传感器输入，比如包括热敏电阻、湿敏电阻等;有的还有1到2个输出接口，用于输出LED灯或马达。比如我们使用的盛思魔盒套装中，还可以输出动力给水泵、蜂鸣器、风扇等，实现更多样的作品。

在《日升日落》案例中，互动创意是利用传感器控制太阳的升起与降落：当太阳升起，舞台和角色变清晰;当太阳下降，舞台与角色看不见。不同的学生提出了不同的解决思路：有学生提议既然是太阳和亮度有关系，就使用光线传感器来接收外界亮度值，外界亮度越亮太阳越高，舞台与角色更亮（如图5）;也有学生提议用滑杆传感器（0-100值），来决定太阳在舞台中的y值（如图6）。

由于这种传感器板存在入门快、容易理解的优势，学生可以迅速举一反三利用传感器的侦测值，对数据加以分析、归纳，进而游刃有余地进行创作。

（三）“S+积木套装→智能机器”系列课程

“Scratch+X”创客课程中还有一类是与WeDo、中鸣等积木套装的结合使用。这一类硬件设备，除了常见的传感器以外，还可以用各种积木搭建实体的机器人，实现机器的简易动作，更具交互性。相比于传感器板，这类作品还需要具备对物理结构、工程结构的认识。通过前面课程的学习，学生对于积木套装中的传感器在作品中的应用已经非常熟悉，所以这类作品，我们将创意重点放在物理结构的搭建上，更多地思考如何将虚拟的舞台画面与实体的智能机器进行深度融合。

比如在《守门员》这个案例中，互动创意是要实现舞台和实体的守门员守门的情境。学生首先在Scratch环境中，编写程序完成守门员角色受鼠标控制在球门前守球的功能，这个过程为进一步控制实体简易机器人做准备（如图7所示）。然后小组讨论并动手搭建球门和守门的实体机械臂，并连接控制器上的马达。最后修改Scratch程序，实现舞台中守门员与实体守门的机械臂的统一控制（如图8所示）。

正如与上文的案例中所描述的情形一样，在实际教学中学生往往对此表现出了无比的热情。它的优势在于既可以做图文并茂的作品，又可以用虚拟的角色控制真实的硬件，使学生们爱不释手。

三、基于“Scratch+X”的小学创客课程的实施

（一）课程实施的对象

为体现学校基于“Scratch+X”的小学创客拓展课程的特色，本课程每周有2课时，形成系统。课程面向四到六年级学生，通过网络平台自主选课。一般来说选修这个课程的学生已经对Scratch纯软件学习有一定的基础，相当于是在纯软件学习基础上的进阶深入学习。

（二）课程实施的硬件

学校有专用信息教室4个，机器人工作室1个，都已经安装号Scratch各个版本软件，满足学生学习环境的需要。机房电脑是自带摄像头的一体机，且前期已经拥有各款Scartch外接硬件设备（如表2）。这些都为课程的开设提供了基础。

（三）课程实施的策略与评价

创客教育的虚实融合不仅体现在软硬件工具上，还体现在学习环境上，既需要线上的环境提供创客交流社区和学习资源，也需要线下的创客空间以开展创意设计和创作。在 “Scratch+”互动媒体技术课程实施过程中采用教师集中讲解、学生自学微课、精品案例分析、作品赏析评价等多种形式进行学习;根据课堂、社团、课外学习环境不同采用线上线下相结合、操作与讲解相结合，帮助学生学习理解与熟悉各种硬件的连接方法、使用方法以及各自的功能，进而学会根据不同的主题项目（问题），由学生自己选择不用的硬件设备设计制作不用的互动作品。

创客教育关注学习过程、创新精神和科学方法。所以每个主题完成后，采用学生自评、小组互评、班级展示相结合，过程评价与作品打分相结合，教师评分与学生互评相结合，情感态度与协作精神相结合的多元评价。

四、基于“Scratch+X”的小学创客课程实施的效果

“Scratch+X”創客课程因其虚实相融的特点，为培养学生的多方面的能力开辟了一个新型的学习内容与学习环境。学生在参与项目学习过程中，提高了创意创新、问题解决、合作交流等多方面能力，激发了学习兴趣和探索欲望。

（一）培养了学生的创新与创客意识

“Scratch+X”创客课程的开展激发了学生强烈的创造热情。在学习过程中，不断有学生开始自己寻找生活中的问题（主题），进行创意设计。问题与主题的来源不再仅限于教师，还来源于学生和伙伴。比如有个四年级学生提出在科学课学习中，基于植物生长需要以及光合作用的知识是比较难理解的，社团中的五六年级的几个学生就以此作为待解决的问题开展设计“光合作用”互动媒体作品，体现植物生长需要水、阳光、空气这些必需物质，缺少任何一项，都会导致植物生长缺陷或死亡。

（二）提高了学生的创意落地的能力

随着作品的不断完善，一个完整的创意作品往往有好几页脚本。比如在“光合作用”的作品中，由于影响植物生长的因素较多，在编写程序前必须要仔细罗列出各种可能性（如图9所示），再针对各种可能性进行编程（如图10所示）。

在这个过程中，学生需要不断地尝试、编写、计算、测试、推翻、修改。但是也正因为这个艰难的过程，学生学会了对于问题的全面思考、对于编程的细致耐心，这对他们的逻辑思维、计算思维、编程能力提升都有很大的帮助。在自己的创意慢慢落地的同时，学生感受知识学习的价值，获得创造的成就感和愉悦性。

（三）提升了学生的合作学习的能力

创客教育的学习活动通常都是基于一个项目开展的，且学习成果可视化，帮助学生形成自我激励、规划设计、时间管理、自主学习、小组协作等素养。在学生自主设计的“光合作用”互动媒体作品中，涉及了编程、传感器、美术、计算等多方面的知识。小组成员通力合作，有个女生画画比较好，她就主动承担起绘制舞台与角色（造型）的任务。当他们发现自己设计的作品，虽然在舞台中精美细致，但是所有的传感器都只能呆板地放在桌子上，影响整体表现效果时，组员中有一个学过3D设计的学生想到可以利用自己学的建模知识，为这个主题和传感器的摆放量身定制一盆植物（如图11所示）。在这样的学习过程中，同伴们献计献策，相互学习。为了实现“造物”，驱使学生更主动地去学习其他课程与知识。

五.问题与设想

“Scratch+X”创客课程引入教学活动，有利于培养学生从小对科技产生积极兴趣，并激发创新思维和创造意识。在课程实施的过程中，笔者也发现了一些问题，并对此进行了思考与进一步的设想。

（一）视频侦测精度不高

Scratch 2.0的视频技术相对简单，这是它的劣势。准确来说Scratch 2.0的视频感知仅仅是识别画面中物体的灰度变化，而不能识别人体或颜色。确实有Scratch爱好者利用该功能实现了非常精准的“人体跟踪”效果，但是这个功能实现的“人体跟踪”由于数据的计算相当复杂并不适合小学课堂教学。

为解决这个问题，在“Scratch+X”创客课程中将尝试引入体感控制器Leap Motion。它体积小巧，通过USB连接电脑后，它会创造出一个工作空间。10个手指的动作都会被即时追踪，误差在0.01毫米以内，相信这样的精准程度将带给学生完美的体感互动体验。

（二）传感器板作品单一

虽然Scratch传感器板种类很多，但无论从外观还是功能上都大同小异。这些传感器内嵌在传感器板中，不可分割、不可移动，不能随心所欲根据自己的作品需要安装，极大地限制了学生大型互动作品的创作。此外，由于Scratch软件的开源性，各种厂家都纷纷针对自己的硬件设计符合自己特色需求的Scratch软件版本，在丰富学生们选择之余，导致了学生需要根据硬件安装不同的软件等问题。

为解决这个问题，在课程的下一个阶段，我们还试图将Scratch和Arduino相结合进行互动作品的创作。Arduino可以使用现有的电子元件，也可以独立运行，并与软件进行交互。这将使中小学的学生实现“有技术含量的创新”成为可能，进一步接近真正的互动媒体技术的本身。

通过基于“Scratch+X”的小学创客课程的实施，我们实现了通过技术门槛很低的平台，让学生了解技术、爱上技术，从而研究技术。让学生知道，所谓的新技术不是什么高高在上无法接触的神奇事物。创客教育不是少数学生和教师依靠技术和设计进行的创新，而是每一个学生和教师都能通过自己努力实现的创新。未来如何为学生提供更多更适宜的空间去想象、去创造，这个问题值得我们进一步去探讨。在今后，我们将继续围绕问题，进一步丰富课程。