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內容簡介

　　《青少年科技創新叢書：Scratch測控傳感器的研發與創意應用》以Scratch為教學語言，介紹瞭如何將計算機的鍵盤、鼠標、話筒、攝像頭作為傳感器研究藝術、科學和工程領域的問題，並將研究結論撰寫成研究論文。
　　在程序設計上，《青少年科技創新叢書：Scratch測控傳感器的研發與創意應用》從零起點開始，涉及Scratch 2.0和Scratch 1.4常見的程序結構和算法； 在硬件上，《青少年科技創新叢書：Scratch測控傳感器的研發與創意應用》深入淺齣地從原理層麵上介紹瞭各種計算機外部設備的獲取信息的原理； 在學科定位上，本書以信息技術學科為核心，將傳感器作為實現“測量—控製”的關鍵，體現瞭信息技術中信息的獲取、存儲、分析、錶達的全過程，並且涉及與信息技術相關的其他學科； 在教學上，本書既適閤大班教學，又適閤學生自學。《青少年科技創新叢書：Scratch測控傳感器的研發與創意應用》由從免費硬件到付費硬件、從簡單程序到復雜算法、從藝術到研究再到工程、從學習彆人的案例到自己研發測控傳感器的應用案例4條主綫齣發，比較係統地介紹瞭研究性學習所需要的編程能力和數據分析方法，比較全麵地涉及瞭“科學、技術、工程和數學”領域(STEM教育)的相關內容。
　　《青少年科技創新叢書：Scratch測控傳感器的研發與創意應用》麵嚮Scratch入門的師生以及課程研究人員，既可作為中、小學相關課程教材，也可作為青少年科技創新活動的參考用書。

內頁插圖

目錄

第1章 Scratch語言基礎知識
1.1 Scratch語言簡介
1.2 第一個Scratch 2.0程序
1.2.1 注冊Scratch賬號
1.2.2 使用幫助菜單完成第一個Scratch程序
1.3 Scratch 1.4和Scratch 2.0的區彆
1.4 開始使用Scratch網站
1.4.1 評論他人作品
1.4.2 管理個人信息
1.4.3 管理作品集
1.4.4 瀏覽作品
1.4.5 好友管理
1.5 動畫基礎
1.5.1 跳舞的螃蟹
1.5.2 派對舞會
1.5.3 緻意賀卡
1.6 遊戲基礎
1.6.1 變裝遊戲
1.6.2 捉迷藏
1.6.3 初級迷宮
1.6.4 初級乒乓球
1.7 用Scratch語言撰寫一個研究報告

第2章 計算機標準配置傳感器的應用和改裝
2.1 按鍵速度的研究——第一個研究型程序
2.1.1 硬件準備
2.1.2 搭建程序
2.1.3 進行實驗
2.1.4 數據處理
2.1.5 評價反思
2.2 用鍵盤組成的樂隊
2.2.1 硬件準備
2.2.2 搭建程序
2.2.3 實際應用
2.2.4 評價反思
2.3 拆掉鍵盤——樓梯鋼琴
2.3.1 硬件準備
2.3.2 搭建程序
2.3.3 實際應用
2.4 用鼠標左鍵改裝的報警器
2.4.1 硬件準備
2.4.2 搭建程序
2.4.3 實際應用
2.4.4 評價反思
2.5 用鼠標滾輪改裝的麯綫測量儀
2.5.1 硬件準備
2.5.2 搭建程序
2.5.3 實驗與數據處理
2.5.4 評價反思
2.6 用鼠標製作畫圖闆
2.6.1 搭建程序
2.6.2 評價反思
2.7 用鼠標模擬觸摸屏功能
2.7.1 功能分析
2.7.2 搭建程序
2.7.3 評價反思
2.8 用麥剋風音量值控製的闖關遊戲
2.8.1 遊戲設計
2.8.2 程序搭建
2.8.3 遊戲體驗與改進
2.8.4 評價反思
2.9 用耳機綫實現雙機通信
2.9.1 硬件準備
2.9.2 搭建程序
2.9.3 實際應用
2.9.4 評價反思
2.10 改造麥剋風——計數器的實現
2.10.1 實現原理
2.10.2 硬件改造
2.10.3 程序編寫
2.10.4 改進提高
2.11 用攝像頭製作逐幀動畫
2.11.1 硬件準備
2.11.2 獲取圖像
2.11.3 用攝像頭拍攝逐幀動畫
2.11.4 攝像頭連續拍照的間隔時間研究
2.12 使用攝像頭研究單擺的運動
2.12.1 實驗裝置
2.12.2 獲取單擺的運動圖像
2.12.3 用圖章技巧生成位置—時間圖像
2.13 用視頻分析法研究人的步行姿態
2.14 用圖像識彆的方法分析運動軌跡
2.15 用顔色識彆的方法識彆數字
2.15.1 獲取數字圖像的並集
2.15.2 獲取顔色識彆的算法
2.15.3 將圖片識彆為數字
2.16 在Scratch 2.0下用攝像頭製作體感遊戲
2.16.1 攝像頭部分的核心代碼
2.16.2 我的第一個攝像頭體感遊戲
2.16.3 讓角色跟著手指動
2.16.4 評價反思

第3章 Scratch測控闆的原理及應用
3.1 Scratch測控闆的常見類型
3.2 Scratch測控闆入門——傳感器的連接
3.3 Scratch測控闆的二值量的使用
3.3.1 投票裝置
3.3.2 按鈕計數器
3.3.3 啓動裝置
3.3.4 報警器
3.3.5 用4個端口製作方嚮控製遊戲
3.4 二值量的組閤應用：3-8譯碼器
3.4.1 3-8譯碼裝置的原理
3.4.2 用銅箔製作一個簡單的3-8譯碼器
3.4.3 製作鍵盤式的3-8譯碼器
3.4.4 互動效果設計
3.5 標定實驗入門——滑杆傳感器的標定
3.5.1 用滑杆傳感器玩互動遊戲
3.5.2 用滑杆傳感器製作卡尺
3.5.3 確定遊標卡尺的分度值
3.6 麯綫關係的標定初步——光敏黑白掃描儀
3.6.1 利用光敏電阻實現灰度識彆
3.6.2 計算機作為光源的灰度掃描儀
3.6.3 改進程序使其拼接效果更好
3.7 麯綫關係的標定提高——光場的研究
3.7.1 探究LED燈的等效功率
3.7.2 探究光強與距離的關係——製作一把光尺
3.7.3 探究平麵光場的光強
3.8 麯綫關係的直化——用Scratch測控闆測電阻
3.8.1 實驗裝置
3.8.2 確定穩定的對應關係
3.8.3 標定實驗
3.8.4 麯綫的直化
3.8.5 檢驗並修正
3.8.6 討論
3.9 如何通過測量實現精確的控製

附錄 Labplus Scratch Box套件說明

參考文獻

精彩書摘

　　3.1Scratch測控闆的常見類型

　　Scratch傳感器闆是Scratch語言拓展的一組硬件，其基本功能如下。Scratch傳感器闆的硬件資源包括1個光傳感器、1個聲音傳感器、1個滑動杆、1個按鈕、4個自定義傳感器(電阻類)接口。其中，按鈕是數字輸入量，有0和1兩種狀態，其他的接口都是模擬量輸入接口，輸入範圍是0~100。Scratch傳感器闆的4個自定義傳感器接口接受常見的電阻類傳感器輸入，包括熱敏電阻、濕敏電阻、彎麯傳感器(電阻型)和光敏電阻等。

　　因此Scratch Labplus測控闆對它做瞭改進，使Scratch傳感器闆變成瞭Scratch測控闆，除瞭感知外界信息外，還可以輸齣電動機、蜂鳴器、LED燈等多種控製信號，如圖3.1所示。

　　圖3.1Scratch Labplus測控闆

　　下麵的案例將會用Labplus Scratch測控闆來完成一係列Scratch基礎測控傳感器的研發，並且使用它的輸齣功能，完成一些富有創意的案例。

　　3.2Scratch測控闆入門——傳感器的連接

　　Scratch測控闆和計算機通過USB接口通信，可以感知外界的溫度、光強、電學量(如電阻、電壓和電流)等物理量。Scratch測控闆的輸入量包括數字量(開/關、連接/斷開)和模擬量(電阻、溫度、光照、濕度、聲音、位置)兩種，其使用方法與其他偵測量一樣。首先需要將Scratch測控闆和計算機進行連接。

　　第一次使用Scratch測控闆硬件時需要安裝硬件驅動程序。首先，要安裝盛思驅動程序，如圖3.2所示。單擊Next按鈕，直到齣現Finish按鈕。

　　圖3.2安裝驅動程序

　　接下來，將USB綫插入計算機的USB接口後，嚮下按Scratch測控闆上的按鈕，直到藍色的指示燈亮起來。這時，計算機會顯示齣“找到新硬件”，由於之前已經安裝瞭驅動程序，這時隻需單擊“自動安裝”按鈕即可。

　　利用硬件更新嚮導進行安裝，安裝驅動程序成功後，可以在“我的電腦”中右擊，在彈齣的快捷菜單中，選擇“管理”選項，進入“設備管理器”中，在端口(COM和LPT)中發現多瞭一個新設備，在這裏要記住設備的端口號，如圖3.3所示。此處Scratch測控闆的端口號為COM21(有些計算機之前沒有安裝過各種傳感器闆，其端口號可能是COM3或COM4)。

　　圖3.3查看測控闆的端口號

　　這樣，Scratch測控闆就已經和計算機建立瞭通信關係。需要注意的一點是，Scratch測控傳感器使用的是一個改進版本的Scratch，稱為Scratch_Labplus，該版本的Scratch是免安裝的，解壓縮之後就可以使用，如圖3.4所示。

　　圖3.4解壓縮Scratch_Labplus程序

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前言/序言

　　STEM(Science Technology Engineering Mathematics Education)意指“科學、技術、工程學、數學教育”，是由美國發起的一項旨在通過提高STEM領域勞動者人數和受教育者綜閤應用STEM領域的能力，提高國傢的人力資源水平繼而提升國傢競爭力。本課程將科學、技術、工程學和數學4個領域通過一個具體的研究性學習案例融閤起來，使大傢在掌握信息技術的基礎上，設計、開發和製作實驗裝置(工程)，應用其中的數學原理，得到一個科學的結論，並嘗試用多種不同的形式錶達這一科學結論。期望培養一個“數字科學傢”，即對任何一個感興趣的問題都能用科學的方法獨立地開展研究的“自由的研究者”。通過數據的“獲取、存儲、分析、錶達”來實現結論的定量化、精確化和理論化。本書以麻省理工學院開發的Scratch語言為編程環境，將常見的計算機外部設備當作傳感器來使用，展示瞭一係列適閤中學生甚至大學生的研究性學習案例，對於培養學生的能力、提高學生的編程水平和對計算機的理解都很有幫助。

　　2013年9月，麻省理工學院團隊發布瞭Scratch 2.0的離綫測試版，Scratch 2.0的編程環境已經比較成熟，因此本書使用Scratch 2.0作為Scratch程序語言基礎的教學平颱，並比較瞭Scratch 1.4和Scratch 2.0的區彆。通過一組動畫和遊戲案例，介紹Scratch語言的基礎和Scratch網站的學習方法，並將這些作為接下來學習感測與控製技術的基礎。

　　通過將生活中常見的計算機外部設備改裝成為傳感器，並結閤Scratch程序的傳感器闆，使有研究能力的學生可以自由地發揮想象，將編程滲透到遊戲、娛樂和科學探究中，其學習角色可嚮科學傢、交互設計師、工程師等多種STEM領域的職業角色轉換。在這個過程中，學生會明白自己適閤做什麼和喜歡做什麼，以及完成一項工作自己需要找哪些人閤作，這些能力將會使學生受益終生。

　　本書作者

　　之一賈思博於2010年獲得 “明天小小科學傢”比賽二等奬，並順利保送清華大學；作者硃忠旻憑藉Scratch領域的研究，受邀參加瞭2012年麻省理工學院舉辦的Scratch 2012年年會；作者範力彬是景山學校最早一批學習Scratch語言的學生，未來會成為一名教師，將Scratch教給更多的人。作為他們的教師，在教學相長的過程中，看到學生慢慢地成為我的閤作者，甚至成為我所崇拜的人，我深深地體會到作為一名教師的職業幸福，也非常期待著能夠有更多的人通過測控傳感器的研發過程，打通程序編寫、科學研究、創意應用之間的鴻溝，成為一個“數字科學傢”。他們的共同特徵是“對於任何一個感興趣的問題都能用科學的研究方法定量地開展研究”，他們的研究是齣於好奇心和興趣而非功利和強迫，他們知道如何獲取數據、得齣結論，更知道如何和彆人分享結論、傳播思想。總之，他們將是一群自由的研究者，這個夢想雖然很難但是很值得為之而努力。

　　自由，雖然是一個“奢侈”的目標，卻是人類永恒的追求！

　　本書整體規劃以及第1章的編寫由吳俊傑負責，第2章由賈思博、範力彬編寫，第3章由吳俊傑、梁森山、硃忠旻編寫。

　　由於作者水平所限，書中疏漏在所難免，歡迎讀者批評指正。

　　北京景山學校吳俊傑

　　2013年5月於自縛居

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