面向STEM教育的创客载育模式研究

二、物理计算与基于Scratch的物理计算平台

前沿数字技术是开展创客教育的必要技术支撑，基于3D打印技术的个性化制造、建立人与数字世界交互关系的物理计算(Physical Computing)和为人工制品赋予生命和种能的程序设计[[3]是其中三项重要的核心技术。这里主要就物理计算概念及其工具/平台进行阐述。

(一)物理计算

从广义上说，物理计算(或称为物理交互设计，Physical Interaction Design)就是借助软硬件，建立能感知和响应现实模拟世界的活动式、交互式物理系统，它为我们理解人与数字世界的交互提供了一整套充满创造性的框架。在实际应用层面上，物理计算就是使用微控制器(Microcontroller)、传感器((Sensor)和执行器(Actuator)，把模拟输人转换为一种软件系统，或者控制诸如马达、舵机、照明设备或其他硬件的电子机械装置，从而完成人与人、人与物、物与物交互的手工制作艺术品、设计或DIY发烧友项目[[4]0

目前，物理计算已在博物馆展品、艺术展示、产品设计、种能家电、种能家居、商业营销、科学研究等领域得到广泛应用。例如，2010年上海世博会及一些科学艺术展览会和电视节目中，许多吸引眼球、融合多种新颖人机交互方式的互动媒体艺术作品大放异彩，如电子鱼缸、互动投影、虚拟翻书、4D影院等[5]。实际上，这些让观众徜徉、参与其中的奇幻世界就是通过由微控制器、传感器和执行器构建的互动装置系统与真实世界发生联系而形成的(如下图所示)，它们将数字化的虚拟世界与现实的模拟世界无缝衔接(也称虚实结合)，这些互动媒体作品背后的工作原理就是物理计算。

一般来说，一个典型的基于物理计算原理而创作的互动媒体作品包括动作采集(即多样化的输人)、种能处理(即快速准确地处理)和显示输出(即多样化的输出)三个关键环节。为了实现这些关键环节，需要应用多种技术，如传感器技术、控制技术、编程技术、网络通信技术等。利用这些互动媒体技术和物理计算原理所创造的互动媒体作品实际上需要融合创作者的多学科领域知识，例如结构设计与制作、操作与执行、驱动与控制、检测与感知、种能与程序设计和艺术与媒体设计等「}l，其跨界综合程度可见一斑。因此，利用物理计算平台、制作互动媒体作品使学生有机会通过设计和制造计算机增强的物品和空间，在探究技术/工程与数学、科学、艺术等跨学科之间交叉和融合的过程中培育学生的STEM综合素养。

(二)基于Scratch的物理计算工具/平台

由于一些开源的物理计算平台(如Arduino)隐藏了直接操作微控制器的大多数技术细节，为用户封装了一个易于使用的工具包，用户只要通过输人、输出接口就能方便地与其打交道。这就使得物理计算工具/平台越来越普及，前沿、综合的数字技术不再遥不可及，普通的设计师、艺术家和中小学生都可以利用这些物理计算平台实现创意想法。

Scratch是美国麻省理工学院MIT媒体实验室推出的一款可视化、代码块拖拉式的教育性编程工具，因其界面友好、寓教于乐，深受国内外师生的喜欢。Scratch风靡全球的原因，一方面在于它激发了学生的信息化表达和数字化创作的热情，学生可以在互动媒体作品的创作、玩耍、分享过程中提升创意计算能力(即创意设计和计算思维);另一方面在于Scratch连接硬件平台的拓展性特别突出，它可以连接诸如Picoboard传感器板、MakeyMakey/酷乐宅电路板、Arduino单片机、Kinect体感设备等物理计算平台，这些平台大多廉价、开源、跨平台，提供简易易用的硬件编程环境。学生可以通过使用各种输人和输出接口，与周围的现实世界打交道，制作摆脱键盘、鼠标束缚的、虚实结合的互动媒体作品。以下简要介绍四类适合中小学生使用的、基于Scratch的物理计算工具/平台。

1.Picoboard传感器板

Picoboard传感器板是一种能支持Scratch感应外部环境的电路板，通过USB接口与计算机相连。它具有五种感应、侦测外部环境的硬件接口，包括声音传感器、光线传感器、按钮、滑杆和自定义(电阻型)传感器，能采集数字和模拟输人量。由于Picoboard传感器板是一种数据输人型电路板，因此它只能感知外界的信息(即通过各种硬件接口获取外部数据)而不能输出控制信息「n。连接Picoboard传感器板后，人们操控Scratch程序的交互手段更加丰富多样，可以结合其他材料(如铜箔纸)制作各种控制器，使Scratch程序与外界真实世界无缝衔接。

2. MakeyMakey/酷乐宅

MakeyMakey/酷乐宅是两款功能接近但实现手段不一的小型电路板，通过USB接口连接电脑，使用鳄鱼夹挂接其它物体，实现外接映射键盘。前者由美国麻省理工大学媒体实验室的两名博士生Jay Silver和Eric Rosenhaum研发，后者由国内温州地区一群对科技和创意有着无限热情的年轻人研发。这两种神奇的电路板可以让各种日常物品成为一个计算机输人设备，如让楼梯变成钢琴，让香蕉变成键盘，让橡皮泥变成游戏手柄。只要物体(如橡皮泥、水、人体或各种植物、金属)表面湿润或导电，微控制器就能检测出微弱的电流，并通过USB发送一个按键、鼠标或执行程序等信号给计算机，从而让任何连接到电路板上的物体拥有类似触摸感应的功能[[A]0

3. Arduino单片机

Arduino单片机是一款开源的可编程微型控制器，可用于搭建机器人和种能机器。数字的或者模拟的输人输出端口是Arduino单片机与现实世界连接的重要通道，借由这些输人输出端口，Arduino单片机可以与各种输人设备和输出设备连接。常见的输人设备有光敏元件、热敏元件、超声波元件、电位器等，常见的输出设备有LED,电机马达、蜂鸣器等。当Arduino单片机对这些输人、输出数据进行动作采集、显示输出时，就实现了感知外界环境和控制现实世界的目的「9}。与Scratch传感器板相比，Arduino单片机具有双向输人输出数据的接口，因此Arduino单片机的互动性远远胜过Scratch传感器板，可以搭建输人、输出相互影响的反馈系统。通常可以使用Arduino IDE ,S4A、Ardublock , Mind+等开发环境进行硬件编程。

4.体感设备

支持体感交互的设备逐渐走向平民百姓。Kinect(全身体感设备)、普通摄像头和Leap Motion(手势感应设备)就是其中的三种体感交互设备。Kinect是微软开发的一种3D体感摄影机(又称为体感设备)，它集成了诸多先进视觉技术，具有骨架跟踪、动作识别、人脸识别、语音识别等功能，正如其宣传语所i兑一一

"You Are the Controller"游就是遥控器)，Kinect已成为彻底突破人机控制界限的自然交互设备，将对未来的生活、娱乐带来创意性的改变[}lo}o Kinect for Window提支持体感型应用程序开发的外设，通过Kinect2Scratch驱动程序可以与Scratch编程环境相连接，支持学生开发自己定制的体感游戏或其他体感应用，如双手操纵演奏音乐、双肚口操作飞机大战游戏、用肢体运动认识奇偶数，学生可以在玩中学、做中学的过程中感受屏幕替身、骨架跟踪的基本概念和思想方法。Scratch2.0也支持基于摄像头的体感应用开发，它能侦测视频画面变化的幅度，当变化的幅度超过设定值，就能激活后续的行为。