本文发表于《教育信息技术》年第6期P18-21

：随着社会经济的发展，科技的进步，教育也在发生着变化，新的教学内容加入，机制体制也将随之逐步发生变化。创客教育在近期内将以培养具有21世纪能力的人才为宗旨，创新教育教学方法，探索多种培养方式，从而带动教育机制的根本性变革。本文通过应用软件工程学知识，在可装载各种传感器的机器人组件上，用机器人配件组装或3D打印机器人外壳，Scratch编程技术设计与制作创意智造作品的实际案例，探索以智能机器人设计制作、3D打印技术应用和Scratch与机器人融合的“三剑客”，实现培养创新型人才的目的。

：Scratch与机器人融合；创客教育；创客教育“三剑客”；创意智造

一、Scratch与机器人融合在创客教育中的地位

年3月6日，在李克强总理的政府工作报告中针对就业问题提到“大众创业,万众创新”,并首次在总结过去一年工作时提到“创客”这个词,指出通过大力调整产业结构，“众多创客脱颖而出”[1]。近年来主要是活跃在民间，在国内起步了一段时间的相关创客运动得于政府层面的首次推动。创客是指那些能够利用互联网将自己的各种创意转变为实际产品的人。随着科技的发展，创意变成产业的难度和成本逐步降低，创客们可以在创客空间里共享资源和知识，无障碍地利用互联网开源软硬件和3D打印技术等高新科技实现自己的想法，完成自己的创造梦想。而创客空间是一个具有加工车间、工作室功能的开放的实验室，全球第一家真正意义上的“创客空间”诞生于年的柏林，从年起，全球各地共成立了超过多个创客空间。年10月，“新车间”在上海落户，成为国内创客的大本营。而后，北京等大城市也逐步开展起来。根植于现代教育理念与先进科技的创客教育作为一个新的教育模式。创客教育集从做中学、创新教育、体验教育、基于项目的学习等理念和思想为一体，契合了广大学生富有好奇心和创造力的天性。它融合科学、数学、物理、化学、艺术等学科知识，培养学生的想象力、创造力以及解决问题的能力[2]。为在中小学推进创客教育，“智创空间”提出了以智能机器人设计制作、3D打印技术应用和Scratch与机器人融合作为创客教育“三剑客”[3]，Scratch与机器人融合是创客教育“三剑客”的重要组成部分。而Scratch是由麻省理工学院(MIT)设计开发的一款面向少年的简易编程工具。构成程序的命令和参数通过积木形状的模块来实现。可以用来创造互动式故事、动画、游戏、音乐和艺术的创意编程[4]。我国机器人公司结合机器人对Scratch软件进行二次开发，加入了电子模块，可以让Scratch与机器人进行完美结合，二者结合可以实现控制传感器进行创意智造编程，学生只需拖曳图标，就可以获取外部传感器的信息，并能控制机器人的马达和各种传感器等设备。因此Scratch与机器人融合是开展创客教育的一种较好载体，能够培养学生的综合素养、创新精神和实践能力。

二、Scratch与机器人融合在创客项目竞赛中的应用

年中央电化教育馆举办的全国中小学电脑制作活动中，增加了计算机程序设计（创意编程）项目和“创客项目”。计算机程序设计（创意编程）：用计算机程序语言（推荐使用图形化编程软件）编写的软件，可以是互动小游戏和仿真程序等，适用于小学组和初中组学生参加比赛；“创客项目”是指在电脑辅助下设计和创作的体现多学科综合应用和创客文化的作品，适用于初中组、普通高中组学生参加比赛。创意智造作品的项目形态界定是一个通过电脑编程的智能产品，如趣味电子装置、互动多媒体、智能机器等。鼓励利用身边易获得的材料，也可以利用3D打印、传感器等实现创意。建议使用开源软硬件进行创作。作品应突出智能技术（如传感器、单片机、物联网等）给生活带来的便利和乐趣，体现作者对健康、舒适、便捷的智能生活的期望[5]。而Scratch与机器人融合正好可以完成创意编程和创意智项目作品的制作。

三、Scratch与机器人融合实现创意智造项目的案例

现阶段的以技术引领的创客教育，可先由信息技术教师引领。基于现有的教学课程和不同年段的学生特点，创意智造项目作品可通过Scratch与机器人融合来实现。

智能机器人融合了机械制造、电子技术、传感器、无线通讯、声音识别、图像处理和人工智能等领域的先进技术，目前智能机器人已逐渐进入到我们日常生活的各个应用领域[6]。智能机器人是由计算机控制的复杂机器，它具有类似人的肢体及感官功能，动作程序灵活，有一定程度的智能，在工作时可以不依赖人的操纵。智能机器人的传感器在机器人的控制中起了非常重要的作用，正因为有了传感器，智能机器人才具备了类似人类的知觉功能和反应能力。为了检测环境和机器人的关系，在机器人上安装了触觉传感器、视觉传感器、力觉传感器、接近觉传感器、超声波传感器和听觉传感器，大大改善了智能机器人的工作状况，使其能够更充分地完成复杂的工作。将Scratch与机器人有机结合后，利用简单的积木式软件就可以完成控制机器人的编程工作。

笔者作为“智创空间”创客教育项目组成员，在“智能机器人创客教育体验中心”为中小学开设了Scratch与机器人融合的创客教育体验课程，经过近半年的教学实验，发现参加体验的中小学生通过教师的简单指导就可以完成一些项目任务。如屏幕上小猫移动到不同的位置，机器人也可以完成一系列的动作任务等。这里以设计Scratch光控机器人为例，来实现创意智造作品的机器人制作和程序设计方法。

（一）创意智造作品的设想

创造，本身就是一项工程行为，如何有效地进行创造，就需要孩子们掌握这项工程行为中的基本行为方法，一般来说，每个人都会自然遵循一套创造的行为模式，其创造流程如图1所示。

图1原始的创造活动流程

这种天然的创造工作方法特征是设计与实现的过程混为一体，但是随着实现环节的工作量越来越大，每次检验迭代的循环时间越来越长，学生就会遇到越来越多的挫折并导致最终创造失败。

为了使创造活动更有效率，就需要改进工作流程，现代协作环境下的创造活动一般采用如图2所示的流程.

图2实用创造活动流程

这种流程的特点是设计和实现环节实现分离，并引入更多的检验测试环节降低错误率，并尽量降低改正错误的成本。这种流程为现代社会实际生产活动的基础工作形式，学习这种工作流程使得孩子们能尽早拥有创造活动所必须的工程活动相关知识。

在创客实践中，可以引入统一建模语言（UML，UnifiedModelingLanguage）作为描述创意的工具，设计并制造一个与手电光源交互的机器小狗，可以采用了UML规范中的状态图作为小狗的智能逻辑描述语言，如图3所示

图3机器小狗智能状态图

从这个状态机设计图，可以看出这只机器小狗的行为模式：小狗初始状态处于休息状态，该状态下，如果小狗的光感传感器受到持续照射，小狗会做出摇摆动作(两车轮在马达控制下交替前后转动实现小狗摇摆)拒绝与操作者玩耍，摇摆动作2秒后停止进入摇摆间歇状态，这时不会对照射行为做出反应，5秒后自动再转移到休息状态，这时如果再次感应到持续照射，还会继续进入摇头状态，做出2秒的摇摆动作。而在休息、摇头、摇头间歇三个状态下，如果感应到闪光信号(光源短促照射光感传感器)，小狗都会进入玩耍状态，这种状态下小狗的马达会根据两个光感传感器的读数计算转动速度，实现小狗对光源的追踪前进，在再次感应到闪光信号后，小狗切换回休息状态，再试图用光源去引导小狗会引发小狗摇头拒绝。

（二）创意智造作品的实现

在完成实际创意作品的时候，将状态图表达的设计，转换为实际程序代码，只要具备模块化程序设计的思想，将事件触发、状态转移等标准动作一一做好封装，由设计到代码的实现其实也同样是简单而直观的。

对于图3的光源动作触发状态切换逻辑，在Scratch中的实现代码如图4所示.

图4光感相关事件响应

图4定义的是两个光感传感器分析模块检测到闪光或持续照射事件发生后将会调用的相应事件处理函数，在这个处理函数中实现了图3中设计的传感器触发状态转移逻辑，变量State2(实际实现中允许存在多个状态机以表达更复杂的功能组合，所以状态机对象拥有一个编号)的值代表的就是图3所描述的整个状态机的状态，其值等于1时代表的是休息状态，等于2时代表的是玩耍状态，值3代表的是摇头状态，值4代表摇头间歇状态。调用函数“设置状态机(状态机编号,新状态值)”实现了状态机的状态转移功能。

每当小狗切换到一个新的状态,首先要做的几个动作是：设置马达停止动作；取消与小狗状态改变相关的定时器；设置状态机3的状态值为1。状态机3用于控制小狗的摇摆动作，其值1代表停止摇摆状态。

然后根据新状态的不同执行不同的动作指令：进入状态值1（休息状态）时设置状态机1值为20（状态机1控制彩灯，值1表示让彩灯开始一长两短闪动）；进入状态值2（玩耍状态）时设置状态机2值为22（彩灯控制，代表彩灯2闪）；进入状态值3时设置状态机3值为2（摇摆动作控制，值2代表开始摇摆）并同时设定定时器毫秒后让状态机2进入状态值4(小狗从摇头状态进入摇头间歇状态)；进入状态值4时设定定时器毫秒后让状态机2进入状态值1（从摇头间歇状态进入休息状态）。

从第一个条件语句可以看出联动代码仅当小狗处于玩耍状态(State2=2)时才有效，其中会根据两个光线传感器的数值(P2L和P3L)计算马达M1和M2的转速,从而实现了小狗可以根据光线的强弱强度决定转向的速度或者移动/停止。

由图4代码片段可以看出，由状态图转换出来的代码依然可以是相当简洁易懂，比起用大量的条件分支嵌套来处理复杂逻辑，其简洁性方面的优势是巨大的。

此光控智能小狗系统的设计开发，实践了由常规的线性轮询结构代码，向事件驱动结构代码转变，由分支式逻辑算法设计，向状态自动机算法设计的转变。对于培养学员接触和认识现代程序结构与设计模式是一条有益的途径。

四、结束语

中国孩子从来不缺乏创造力，缺乏的可能只是展示创造力的舞台。当越来越多的孩子在创客、创意制造等方面表现出兴趣与特长的时候，从自然观察到物理实验，从硬件设计到计算机编程，可以变成“小小创客”，运用科学知识与科技工具改进存在问题的产品，或用科技来改善值得解决的社会问题。可见，随着社会经济的发展，科技的进步，教育也在发生着变化，新的教学内容加入，机制体制也将随之逐步发生变化。创客教育顺应历史潮流在各经济大国中不断发展壮大，在近时期内将以培养具有21世纪能力的人才为宗旨，创新教育教学方法，探索多种培养方式，从而带动教育机制的根本性变革。

参考文献：

[1]让天然的创新智慧健康成长[EB/OL].[-03-10].







































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