了得網計算機/網絡_S4A互動程序設計

編輯推薦

如何把硬件和軟件有機地結合起來？如何激發孩子們的學習興趣？如何創造性地運用技術？S4A（Scratch for Arduino）是一款非常適合中小學生實現軟件和硬件結合的互動設計工具，它為利用Scratch和真實的世界進行互動提供了一個簡易的途徑。本書以一線教學實例為引導，介紹S4A與Arduino硬件互動設計的方法與過程，啟發學生將自己的優秀創意付諸實踐。

內容簡介

S4A（Scratch for Arduino）是一款由西班牙的Citilab團隊在Scratch基礎上開發而成的軟件，它趣味性強，
能夠與Arduino開源硬件相結合。Scratch和Arduino兩者易學易用的理念，使S4A成為針對中小學生實現軟件和
硬件相結合進行互動設計的*工具之一。
本書將學科知識、生活知識與案例相結合，由淺入深，通過完成一繫列有趣的案例制作，使學習者掌握編
程及相關硬件的知識，激發學習興趣。
本書適合作為中小學創客課程、程序設計課程的教材，也可作為教師教授S4A和Scratch的參考書，還可供
中小學生自學使用。

作者簡介

趙凱：南京市東山小學創客教育中心主任，江寧創客教育聯盟秘書長，中學高級教師；從事信息技術教學工作十餘年，具有豐富的教學經驗，現主要負責學校的創客教育和STEM教育工作；多篇論文發表於核心期刊《中國電化教育》。

目錄

4.2 旋鈕可調延時燈 69

4.3 控制角色旋轉 70

4.4 調速風車 71

4.5 街舞男孩 72

4.6 打開密碼箱 74

4.7 控制角色水平移動 77

第1章初識S4A與Arduino 1

1.1 S4A的下載與安裝 1

1.2 初識S4A 2

1.3 Arduino概述 4

1.4 認識CF-Board 5

1.5 Arduino IDE開發環境的安裝 8

1.6 Arduino與S4A的連接 12

1.7 S4A傳感器信息的使用 17

1.8 刪除和添加Arduino 角色 20

第2章可愛的LED燈 23

2.1 點亮你的盞燈 23

2.2 S4A文件的保存與打開 25

2.3 同時控制兩個LED燈 26

2.4 模擬小星星 27

2.5 用PWM值控制LED燈閃爍 30

2.6 燈塔 31

2.7 會呼吸的燈 32

2.8 LED燈火焰效果 34

2.9 猜猜看 34

2.10 泳池馬拉松 35

2.11 車流量統計 38

2.12 酷炫RGB LED模塊 40

第3章按鈕的應用 43

3.1 按鈕開關燈 43

3.2 會魔法的貓 45

3.3 瞬間移動 47

3.4 會發聲的按鈕 48

3.5 按鈕開關房間燈 50

3.6 延時關燈 52

3.7 按鈕交替控制3個LED燈 53

3.8 按鈕控制閃爍頻率 54

3.9 3擋可調亮度燈 55

3.10 火災報警 56

3.11 雙控燈 57

3.12 定時炸彈 59

3.13 可變向風車 61

3.14 密碼鎖 62

3.15 計時碼表 63

3.16 簡易播放器 65

第4章滑杆、旋鈕和搖杆的

應用 67

4.1 房間調光 67

4.2 旋鈕可調延時燈 69

4.3 控制角色旋轉 70

4.4 調速風車 71

4.5 街舞男孩 72

4.6 打開密碼箱 74

4.7 控制角色水平移動 77

4.8 控制角色垂直移動 79

4.9 控制角色沿斜線移動 80

4.10 校園小DJ 82

4.11 超級調光臺 84

4.12 搖杆的應用 86

4.13 酷炫收音機 87

第5章光敏傳感器的應用 92

5.1 會報警的盒子 93

5.2 神奇的按鈕 93

5.3 開心小鼓手 94

5.4 自動窗簾 95

5.5 快樂俯臥撐 97

5.6 手勢識別 98

5.7 變臉 99

第6章件的應用 102

6.1 聲控延時燈 102

6.2 聲控開關燈 103

6.3 聽話的狗狗 103

6.4 洋娃娃和小熊跳舞 105

6.5 神奇的魔法棒 107

6.6 點燃生日蠟燭 108

6.7 檢測溫度 110

6.8 LED燈溫度示警 110

6.9 控制舵機旋轉 111

6.10 指針溫度計 113

第7章手機與S4A的互動 115

7.1 HiS4A的安裝 115

7.2 HiS4A的基本應用 116

第8章 S4A與S4A的互動 119

8.1 控制小貓移動 119

8.2 遠程控制電風扇 120

8.3 遠程監控LED燈 121

8.4 魚兒穿越 122

參考文獻 125

前言

前言
為什麼要寫這本書
很多年前，我發現孩子們對於教學教材中的程序設計內容都不感興趣。有沒有好的、適合的軟件呢？國外是如何進行程序設計教學的呢？帶著這些問題，我開始搜索、查閱國外的資料。2008年，我接觸了Scratch軟件感到無比興奮，於是立即在網絡上購買了兩本英文Scratch書和一塊Picoboard，從那時開始，我每天都沉浸在Scratch的世界裡。
很多年以後，我又接觸到了開源硬件Arduino和S4A軟件。S4A是由西班牙的Citilab團隊在Scratch基礎上開發而成的，它依然采用圖形化的命令，隻是增加了針對Arduino硬件的命令和部分網絡功能。S4A給孩子們提供了使用更多硬件的機會，降低了孩子們使用硬件的門檻，使他們能創造出更多富有創意的作品。
時至今日，在學校領導的大力支持下，學校創客教育已初具規模。在市、區教育局領導的關心下，學校四百多平方米的新創客空間已經建成，越來越多的孩子們參與其中。從Scratch課堂、社團教學到S4A社團的教學，使自己多了一份經驗的積累。同時我也在思考，創客教育抑或STEM教育的核心是什麼？自己覺得首先學校要建構合理的課程體繫，其次就是體繫中具體的每一門課程的建設、實施和優化，隻有優秀的課程纔能讓孩子們享受到優質的教育。前言
為什麼要寫這本書
很多年前，我發現孩子們對於教學教材中的程序設計內容都不感興趣。有沒有好的、適合的軟件呢？國外是如何進行程序設計教學的呢？帶著這些問題，我開始搜索、查閱國外的資料。2008年，我接觸了Scratch軟件感到無比興奮，於是立即在網絡上購買了兩本英文Scratch書和一塊Picoboard，從那時開始，我每天都沉浸在Scratch的世界裡。
很多年以後，我又接觸到了開源硬件Arduino和S4A軟件。S4A是由西班牙的Citilab團隊在Scratch基礎上開發而成的，它依然采用圖形化的命令，隻是增加了針對Arduino硬件的命令和部分網絡功能。S4A給孩子們提供了使用更多硬件的機會，降低了孩子們使用硬件的門檻，使他們能創造出更多富有創意的作品。
時至今日，在學校領導的大力支持下，學校創客教育已初具規模。在市、區教育局領導的關心下，學校四百多平方米的新創客空間已經建成，越來越多的孩子們參與其中。從Scratch課堂、社團教學到S4A社團的教學，使自己多了一份經驗的積累。同時我也在思考，創客教育抑或STEM教育的核心是什麼？自己覺得首先學校要建構合理的課程體繫，其次就是體繫中具體的每一門課程的建設、實施和優化，隻有優秀的課程纔能讓孩子們享受到優質的教育。
目前國內關於S4A的書不多，在S4A推廣之初，其教學更多的是面向硬件的操作。如何使用某個硬件的基本功能？如何把硬件和軟件有機地結合起來？如何激發孩子們的學習興趣？如何去創造性地運用技術？在日常教學中，我帶著這些問題去思考、去實踐，記錄下教學的點滴心得、靈感的火花，日積月累，在校本課程的基礎上終成此書。
關於本書的使用
本書可作為教師教授S4A的參考書，其中的例子由淺入深，前後具有一定的聯繫。很多例子與生活相聯繫，也具有一定的創意，能激發學習者學習的興趣。本書也可供小學生及初中生自學使用。如果使用者具有一定的Scratch編程基礎，使用起來會更加得心應手。
需要特別說明的是，本書所使用的硬件可以是市面上與Arduino兼容的硬件，不受硬件品牌限制。不同品牌的Arduino兼容硬件在使用中可能會略有不同，但並不影響本書的使用。
本書中的很多例子同樣適用於Scratch教學，所以本書也可以作為Scratch教學或學習的參考書。如本書中使用一個滑杆、一個按鈕及聲音傳感器的例子，在Scratch中利用Picoboard或其他品牌的Scratch傳感器板都可以實現。使用兩個按鈕、兩個或多個光敏電阻的例子，在Scratch中也可以實現，可以用鱷魚夾與它們連接後利用Scratch傳感器板上阻力值的變化來實現。其實隻要肯動腦筋，很多例子在Scratch中都能實現。
本書在寫作風格上力求輕松、活潑，使讀者能帶著一份愉悅的心情去閱讀，去學習編程。其實編程是一件很快樂的事，你就像一個指揮官，指揮著各種程序命令，開動腦筋，讓它們實現你的目標。通過編程，你也將體會到戰勝困難和挑戰自我帶來的快樂與滿足感。
由於作者的水平有限，書中難免存在不足之處，懇請廣大讀者不吝指正！
致謝
首先要感謝鄭劍春老師和李夢軍老師，感謝你們給了我參與叢書編寫的機會！感謝南京市電化教育館陳平館長、南京市教育裝備鄧中材主任的鼓勵與支持，感謝南京市電化教寧、李為、汪波、馬睿，以及南京教育裝備的宋濤、瀋衛等領導的支持與幫助。感謝南京市教研室信息技術教研員王少峰老師、江寧區電化教育中心王家文主任對本書提出的寶貴建議。感謝南京市東山小學領導的大力支持。
還要感謝東山小學的一群可愛的孩子們，有時他們的表現總令我感到驚奇。每天和他們一起成長著、快樂著，覺得自己就是世界上幸福的老師。
感謝我可愛的女兒趙若予和我一起鑽研、一起進步，你永遠是我前進的動力！
感謝家人給予我的支持！
編者寄語
喜歡玩Scratch嗎？相信你的回答是肯定的。Scratch在麻省理工學院媒體實驗室的推廣下，已經成為全世界適合小朋友或編程初學者學習程序設計的軟件之一。喜歡Picoboard嗎？Picoboard上面有滑杆、按鈕、聲音傳感器、光線傳感器等。利用它們，我們可以編寫出很多優秀的互動程序。
或許有的時候，你會覺得Picoboard的硬件功能十分有限，它的功能已經無法跟上你的想像力和創造力的步伐了。你喜歡遊戲機手柄上的搖杆，可是Picoboard無法滿足你的需要；你覺得聖誕樹上的彩燈很酷，可是Picoboard卻無法幫你實現這一夢想。有沒有能與Scratch結合得更好，能讓我們實現更多創意的硬件呢？
答案是：有。這就是Arduino。Arduino硬件簡單易用，這恰好可以克服過去人們對硬件使用的恐懼感和挫敗感。Scratch和Arduino兩者易學易用的理念，更使S4A（Scratch for Arduino）成為針對中小學生實現軟件和硬件相結合進行互動設計的工具之一。S4A由西班牙的Citilab團隊在Scratch基礎上開發而成，其目的就是為能夠利用Scratch和真實的世界進行互動提供一個簡易的途徑。從技術上看，S4A門檻較低，趣味性強，而且S4A是基於Scratch開發而成的，除去硬件功能的命令和網絡功能的命令外，其餘的程序命令和Scratch一樣。
目前的S4A 1.6版本具有很好的適應性，在S4A的官網上，下載名為S4AFirmware16.ino固件程序，將其寫入市面上一些兼容的Arduino板上，都能和S4A軟件進行連接並使用，這也是我喜歡S4A的一個重要原因。
特別要說明的是，本書中的一些例子對於硬件的品牌並沒有限制，如果你使用自己在網上購得的硬件，同樣可以進行學習。此外，本書中的很多例子使用Scratch的傳感器板及相應的硬件在Scratch軟件中也能實現，用本書去學習Scratch或許也能帶給你一些啟發。
編者
2017年1月

媒體評論

評論

在線試讀

第3章
按鈕的應用
3.1 按鈕開關燈
按鈕是很常見件，生活中在很多電器或設施上都能見到。當按下按鈕時可能打開了一盞燈或者一個電器，電影中或是觸發了一個機關……。按鈕有兩種狀態：一種是按下去，即導通；另一種是彈起，即斷開。按鈕作為“開關”其實也是一種傳感器。
本書所用的按鈕模塊有3個引腳，即GND、VCC和SIG，如圖3-1所示。數據線和按鈕模塊的連接方法同LED模塊一樣，但是按鈕模塊在與Arduino板進行連接時隻能接在D2或D3端口。前面提到要把名為S4A16firmware.ino的固件程序寫到Arduino板裡，這個固件程序就設定了D2和D3兩個端口用於連接按鈕，如果想在S4A中使用其他的端口連接按鈕，必須要對固件程序進行設置，具體方法可查閱相關的資料。
在S4A中利用按鈕打開和關閉一個LED燈，就是實現按一下按鈕LED燈就亮，再按一下按鈕LED燈就滅的效果。把按鈕模塊接在D2端口，LED模塊接在D13端口。圖3-2所示的這個程序可行嗎？
圖3-1 本書所使用的按鈕模塊圖3-2 參考程序

S4A互動程序設計
44
其實不需要運行程序，隻需分析一下就知道這樣是不行的。當按下按鈕時LED燈是亮的，手一松開LED燈就滅了。希望的是這樣的效果，按下按鈕、手松開，按鈕經歷了一次按下和彈起的過程，這時LED燈亮了。再按下按鈕、手松開，這時按鈕又經歷了一次按下和彈起的過程，LED燈滅了。為了實現令人滿意的效果，可以使用圖3-3所示的程序。

圖3-3 Arduino1程序第3章
按鈕的應用
3.1 按鈕開關燈
按鈕是很常見件，生活中在很多電器或設施上都能見到。當按下按鈕時可能打開了一盞燈或者一個電器，電影中或是觸發了一個機關……。按鈕有兩種狀態：一種是按下去，即導通；另一種是彈起，即斷開。按鈕作為“開關”其實也是一種傳感器。
本書所用的按鈕模塊有3個引腳，即GND、VCC和SIG，如圖3-1所示。數據線和按鈕模塊的連接方法同LED模塊一樣，但是按鈕模塊在與Arduino板進行連接時隻能接在D2或D3端口。前面提到要把名為S4A16firmware.ino的固件程序寫到Arduino板裡，這個固件程序就設定了D2和D3兩個端口用於連接按鈕，如果想在S4A中使用其他的端口連接按鈕，必須要對固件程序進行設置，具體方法可查閱相關的資料。
在S4A中利用按鈕打開和關閉一個LED燈，就是實現按一下按鈕LED燈就亮，再按一下按鈕LED燈就滅的效果。把按鈕模塊接在D2端口，LED模塊接在D13端口。圖3-2所示的這個程序可行嗎？
圖3-1 本書所使用的按鈕模塊圖3-2 參考程序

S4A互動程序設計
44
其實不需要運行程序，隻需分析一下就知道這樣是不行的。當按下按鈕時LED燈是亮的，手一松開LED燈就滅了。希望的是這樣的效果，按下按鈕、手松開，按鈕經歷了一次按下和彈起的過程，這時LED燈亮了。再按下按鈕、手松開，這時按鈕又經歷了一次按下和彈起的過程，LED燈滅了。為了實現令人滿意的效果，可以使用圖3-3所示的程序。

圖3-3 Arduino1程序
程序中使用了圖3-4所示的兩個命令組合在一起，而且使用了兩次。

圖3-4 按鈕的按下和彈起
個命令就是等待按鈕是否已經按下，第二個命令用來等待按鈕是否彈起，這兩個命令組合在一起其實就是按鈕經歷一次按下和松開的過程，就可以檢測一個按鈕按下後並彈起的過程。次按下、松開按鈕後就打開LED燈，第二次按下、松開按鈕後讓LED燈關閉。利用循環，就能實現按鈕開關燈的效果。
在上面的程序中，按下按鈕時LED燈是不亮的，直到松開後纔會有動作，打開或關閉，這樣就造成了LED燈對按鈕的響應速度比較慢。可以把程序做圖3-5所示的修改。
修改後的程序可以使LED燈對按鈕的響應速度變快，隻要按下按鈕，LED燈就會立即打開或關閉。當然，如果不介意響應速度，也可以不用考慮這個問題。

第3章按鈕的應用
45

圖3-5 修改後的Arduino1程序
3.2 會魔法的貓
會魔法的貓有什麼魔法呢？當按一次按鈕，小貓會變大；再按一次按鈕小貓又變回到原來的大小，如此循環變化，如圖3-6所示。試一試，在舞臺上添加熟悉的Scratch小貓角色。

圖3-6 改變角色的大小
受到上一個例子的啟發，相信這個創意的實現不是一件難事！把按鈕模塊連接在D2端口，程序如圖3-7所示。
Arduino1程序使用hide board命令將Arduino監視器隱藏起來，同時使用“隱藏”命令將Arduino的默認角色也隱藏起來，讓它在舞臺後默默地工作。按一下按鈕，發出廣播“變大”，再按一次按鈕，再發送一個廣播“還原”。小貓收到廣播“變大”後將大小設定為200，因為角色的默認大小都是100，所以收到廣播“還原”時將小貓的大小設

定為100。
接下來，要讓總在幕後默默奉獻的Arduino1角色從幕後走到臺前。會不會影響小貓的魔法表演呢？不用擔心。

圖3-7 小貓改變大小程序
在Arduino1角色中導入小貓的造型，如圖3-8所示，將原來的Arduino默認造型刪除。現在，這隻小貓可不是一隻普通角色的小貓了，而是Arduino角色。這樣就可以讓Arduino1角色化身小貓，走上舞臺表演魔法了。還有一個好處就是不需要使用廣播命令了，直接使用硬件命令即可。程序如圖3-9所示。
圖3-8 在Arduino默認角色中添加小貓造型圖3-9 控制小貓大小的Arduino1程序

3.3 瞬間移動
“凌波微步”是武林奇學，可惜已經失傳很久了。其基本功法就是在瞬間就能移動到另一個位置，所用的時間幾乎可以忽略不計。舞臺上有一隻貓和一隻狗，如圖3-10所示，如何讓它們實現“凌波微步”呢？這裡指的是每按一下按鈕，貓和狗就以迅雷不及掩耳之勢互換一次位置。

圖3-10 添加貓和狗的角色
實現“凌波微步”，要使用移動命令。在這個例子中不使用移動命令能實現嗎？當然能，不過得玩點小技巧。在Arduino1角色中依次導入小貓的造型和狗的造型，並將原有的默認Arduino造型刪除。再添加狗的角色，在狗的造型中再添加貓的造型，聽起來有點復雜。如圖3-11所示，對於理解會有所幫助。

圖3-11 在貓、狗角色中分別添加相應的造型
一定要注意Arduino1角色和狗的角色分別添加造型時的順序。Arduino1角色的造型1是貓，造型2是狗。而角色狗的造型1是狗，造型2是貓。二者造型正好相反。

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