“Scratch+体育”的STEAM教育案例开发

蔡艳妮

摘要：国务院《“十三五”国家科技创新规划》明确指出，“以增强科学兴趣、创新意识和学习实践能力为主，完善基础教育阶段的科学教育”。[1]本文基于STEAM教育理念，以篮球运动为切入点，阐述了智能篮球裁判员的开发过程。笔者用AS-Block-v3.1.2软件，通过LED灯传感器、红外避障传感器、有源蜂鸣器等传感器，用乒乓球代替篮球，搭建篮球筐，组装成篮球裁判员，并在软件中设置了变量，实现了投篮自动计分功能。

关键词：智能篮球裁判员；编程；Scratch

中图分类号：G648.1 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2018）07-0076-04

开发背景

STEAM是科学（Science）、技术（Technology）、艺术（Art）、工程（Engineering）和数学（Math）英文首字母的简称。STEAM教育是由美国弗吉尼亚科技大学学者Yakman在研究综合教育时首次提出的，它是加强美国K12关于科学、技术、艺术、工程及数学的教育，专门用于建立动手类创造性课程。[2]它以项目学习为主要的学习方式，注重在跨学科的实践过程中，解决真实问题，注重在动手“做”中“学”习知识，提高创新能力，旨在培养学生的科学素养、技术素养、艺术素养、工程素养和数学素养，是技术与工程教育和艺术人文教育的融合。

毛泽东早在《体育之研究》一文中写道，“小学之时，宜专注于身体之发育，而知识之增进、道德之养成次之；宜以养护为主，而以教授训练为辅”。2007年，教育部提出，开展阳光体育运动，保证学生平均每个学习日有一小时体育锻炼时间，广泛开展学生体育集体项目的竞赛、大课间体育活动。篮球运动以其集体性、对抗性、趣味性、健身性、观赏性等特点深受学生的喜欢，笔者所在学校成立了校篮球社团、校篮球队，以此来促进学生日常对篮球的学习，学校在区内篮球比赛中获得过第四名的好成绩，这激发了学生的集体荣誉感，并增强了他们对篮球运动的喜爱。遗憾的是，在假期、课后时间，学生进行模拟篮球对抗时，没有专业的裁判员。因此笔者萌发了设计一款智能篮球裁判员来实现学生随时来场竞赛的愿望的想法。

智能篮球裁判员开发过程

篮球比赛是一项激烈的对抗运动，当一方将篮球投入另一方篮筐中时即得一分，计分员要非常细心地记录比赛的成绩。笔者设计的智能篮球裁判员是以“Scratch+传感”式为载体的。因此，利用红外避障传感器和数码管可以实现投篮自动计分，裁判员吹哨子可通过蜂鸣器来实现自动吹哨的功能。只要有了这个机器人，就可以随时随地来一场篮球比赛，也能让更多的学生体会到用编程解决生活难题的思想。

AS-Block-v3.1.2软件是Scratch软件的开源升级版，它不仅有Scratch的九大模块的基本功能，能实现对角色进行动作、外观、声音的控制，对变量、数据、数字和逻辑运算的计算，还能在外接传感器的基础上，实现人与人的交互、物与物的交互、人与物的交互功能。基于此，笔者选择了AS-Block-v3.1.2、CF-Board-A主控板，以及LED灯传感器、红外避障传感器、有源蜂鸣器等传感器，来制作智能篮球裁判员，研究制作过程如下：

第一步：熟悉应用AS-Block-v3.1.2软件的变量，如何记录分数并依据一定的规则增加分数；测试红外避障传感器、有源蜂鸣器、LED灯传感器的单个功能如何工作。

第二步：初步设计软件的功能，篮球比赛时，要想通过智能篮球裁判员实现当篮球投入篮筐时，自动记录分数、吹哨子，指示灯亮表示进球了，需要运用红外避障传感器判断是否进球，从而明确是否增加分数，分数如何显示。与此同时，当进球时，要运用有源蜂鸣器來吹出声音，提醒比赛停止，LED灯亮。

第三步：①开始制作，先拼装投篮器，投篮器用了9个折角板、1个中板、1个长条板、1个短条；再拼装智能裁判员的外形及各种传感器的位置，如1个红外避障传感器应放在离篮筐最近的位置，方便第一时间检测是否进球，1个有源蜂鸣器、1个LED灯传感器则可根据喜好放在合适的位置。

②用小猫当智能裁判员记录分数，设置变量把原始分数设定为0。

③编辑脚本：在红外避障传感器中，选择数字3作为插口。因而在设置红外避障的脚本时，要把读取的传感值设置为3。如果球进了，红外避障器检测到有物体，就会执行开启LED灯的命令，灯就会亮；如果球没进，灯就会灭了，随着比赛的进行，投中篮球的次数越来越多，获得的分数也越来越多，此时，运用重复执行直到的命令，当分数加到分数=100时，程序停止，出现提示胜利的笑脸（如下页图1）。

有源蜂鸣器选择数字5作为插口，当球进了后就会发出音调为C2，节拍为1/2的声音（如下页图2）。

把球投进了篮筐后，用来记录分数的变量会自动增加分数，可根据比赛规则来设定每进一球对应增加的分数值。这里设定初始分数为0，每投中一球分数就加5分（如下页图3）。

当满分后自动停止，自动关灯。完善篮球对抗赛的虚拟场景，并设置胜利的话语（如图4）。

④测试程序，发现、修改问题。学生在程序中把红外避障传感器（数字3）的编程错弄成数字4，导致红外避障传感器无法将获得的信号传输到主板，从而引起程序无法正常运行。有源蜂鸣器的引脚设置为5，每一种传感器的信号传输通道必须是唯一的，不能同时并用一个通道。学生查出错误并进行改正。

⑤完成软件。智能篮球裁判员程序界面图及机器人正背面如图5所示，实现了篮球爱好者不用裁判就可以打篮球，并具有分数记录、吹哨子等功能，受到学生们的喜爱。

此作品参加了龙华区青少年科技创新大赛，并获得发明类一等奖；参加了深圳市青少年科技创新大赛，并获得发明类二等奖，得到评委们的一致好评。

反思

笔者以智能篮球裁判员的开发为例说明了“Scratch+体育”的STEAM教育开发案例，据此笔者有以下三点思考。

1.智能篮球裁判员的完善构想

如果能将蜂鸣声改成音乐声，并将传感器的连接线捆好，把红外避障传感器放在框后，再利用3D打印机，打出一个盒子套住后半身（篮筐不套），那么外形将更美观。如果能再给它装上轮子，实现移动功能则更完美。移动的方案有两种：第一种，利用电机设置一定的旋转速度，让它在左右一定的范围内轻微移动，像人在踱步一般；第二种，通过无线遥感来控制，不同的按键代表不同的方向，并可调节移动的速度，也将更加智能，但带来的不利因素是增加了投中的难度。因此应用此功能时，可设置不同难度的挑战赛。

2.“Scratch+学科”与STEAM教育相互契合

“Scratch+学科”与STEAM教育相互契合，相互促进：①两者引入课堂教学的目标是一致的，均是为了培养学生的动手实践能力，培养他们的创新思维，提升其科学、技术、数学、工程、艺术等核心素养，使其能在日常活动、问题解决、适应环境等方面，通过学习、理解、运用跨学科的知识与技能、思维与方法形成理性思维，勇于探究。②两者引入课堂教学的方式是一致的，均是以项目式学习为基点。基于项目的学习是以学科的概念和原理为中心，以制作作品并将作品推销给客户为目的，在真实世界中借助多种资源开展探究活动，并在一定时间内解决一系列相互关联着的问题的一种新型的探究性学习模式。[3]它强调以现实生活或真实情境中的多学科交叉问题为出发点，利用多学科的工具和技术来解决，最终呈现出的作品或方案具有一定的社会效益。③两者引入课堂教学的内容是一致的，均是以跨学科应用为师生教与学的引导线。“Scratch+学科”实现了编程与学科的融合，具有灵活性与扩展性的特点；依据不同的项目需求，以“科学”的程序思维方法，运用“数学”原理，利用不同传感“技术”，来搭建符合现实“工程”标准又兼具“艺术”美感的作品，“Scratch+学科”既是跨学科教的内容，也是跨学科学的内容，更是解决问题中跨学科的工具与思维的应用过程，故跨学科是两者教育形态的贯穿线。

3.“Scratch+传感”式的结合，丰富了交互的可能性

“Scratch+传感”式的智能篮球裁判员，将Scratch所描绘的虚拟世界与真实生活所涉及的客观世界相连接，实现了人机交互，此模式增大了人与人交互、人与物交互、物与物交互的可能性。以此案例作为STEAM教育的切入点，符合学生的认知由掌握、应用到分析、综合的提升，使其思维的过程由运用符号象征的事物，用符号从事简单思考活动的前运算阶段，过渡到运用符号进行有逻辑的思考活动的具体运算阶段，最终进阶到从具体的形象事物中，运用抽象的概括提出合理的假设并验证，从而了解事物有多种可能性的形式运算阶段。笔者从实践中发现，它确实能有效提高学生的信息技术核心素养，为學生成为智能时代的开发者打下创新基础。