蔡艷妮

摘要：國(guó)務(wù)院《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》明確指出，“以增強(qiáng)科學(xué)興趣、創(chuàng)新意識(shí)和學(xué)習(xí)實(shí)踐能力為主，完善基礎(chǔ)教育階段的科學(xué)教育”。[1]本文基于STEAM教育理念，以籃球運(yùn)動(dòng)為切入點(diǎn)，闡述了智能籃球裁判員的開發(fā)過(guò)程。筆者用AS-Block-v3.1.2軟件，通過(guò)LED燈傳感器、紅外避障傳感器、有源蜂鳴器等傳感器，用乒乓球代替籃球，搭建籃球筐，組裝成籃球裁判員，并在軟件中設(shè)置了變量，實(shí)現(xiàn)了投籃自動(dòng)計(jì)分功能。

關(guān)鍵詞：智能籃球裁判員；編程；Scratch

中圖分類號(hào)：G648.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2018）07-0076-04

開發(fā)背景

STEAM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、藝術(shù)（Art）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Math）英文首字母的簡(jiǎn)稱。STEAM教育是由美國(guó)弗吉尼亞科技大學(xué)學(xué)者Yakman在研究綜合教育時(shí)首次提出的，它是加強(qiáng)美國(guó)K12關(guān)于科學(xué)、技術(shù)、藝術(shù)、工程及數(shù)學(xué)的教育，專門用于建立動(dòng)手類創(chuàng)造性課程。[2]它以項(xiàng)目學(xué)習(xí)為主要的學(xué)習(xí)方式，注重在跨學(xué)科的實(shí)踐過(guò)程中，解決真實(shí)問(wèn)題，注重在動(dòng)手“做”中“學(xué)”習(xí)知識(shí)，提高創(chuàng)新能力，旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、藝術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)和數(shù)學(xué)素養(yǎng)，是技術(shù)與工程教育和藝術(shù)人文教育的融合。

毛澤東早在《體育之研究》一文中寫道，“小學(xué)之時(shí)，宜專注于身體之發(fā)育，而知識(shí)之增進(jìn)、道德之養(yǎng)成次之；宜以養(yǎng)護(hù)為主，而以教授訓(xùn)練為輔”。2007年，教育部提出，開展陽(yáng)光體育運(yùn)動(dòng)，保證學(xué)生平均每個(gè)學(xué)習(xí)日有一小時(shí)體育鍛煉時(shí)間，廣泛開展學(xué)生體育集體項(xiàng)目的競(jìng)賽、大課間體育活動(dòng)?；@球運(yùn)動(dòng)以其集體性、對(duì)抗性、趣味性、健身性、觀賞性等特點(diǎn)深受學(xué)生的喜歡，筆者所在學(xué)校成立了?；@球社團(tuán)、?；@球隊(duì)，以此來(lái)促進(jìn)學(xué)生日常對(duì)籃球的學(xué)習(xí)，學(xué)校在區(qū)內(nèi)籃球比賽中獲得過(guò)第四名的好成績(jī)，這激發(fā)了學(xué)生的集體榮譽(yù)感，并增強(qiáng)了他們對(duì)籃球運(yùn)動(dòng)的喜愛(ài)。遺憾的是，在假期、課后時(shí)間，學(xué)生進(jìn)行模擬籃球?qū)箷r(shí)，沒(méi)有專業(yè)的裁判員。因此筆者萌發(fā)了設(shè)計(jì)一款智能籃球裁判員來(lái)實(shí)現(xiàn)學(xué)生隨時(shí)來(lái)場(chǎng)競(jìng)賽的愿望的想法。

智能籃球裁判員開發(fā)過(guò)程

籃球比賽是一項(xiàng)激烈的對(duì)抗運(yùn)動(dòng)，當(dāng)一方將籃球投入另一方籃筐中時(shí)即得一分，計(jì)分員要非常細(xì)心地記錄比賽的成績(jī)。筆者設(shè)計(jì)的智能籃球裁判員是以“Scratch+傳感”式為載體的。因此，利用紅外避障傳感器和數(shù)碼管可以實(shí)現(xiàn)投籃自動(dòng)計(jì)分，裁判員吹哨子可通過(guò)蜂鳴器來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)吹哨的功能。只要有了這個(gè)機(jī)器人，就可以隨時(shí)隨地來(lái)一場(chǎng)籃球比賽，也能讓更多的學(xué)生體會(huì)到用編程解決生活難題的思想。

AS-Block-v3.1.2軟件是Scratch軟件的開源升級(jí)版，它不僅有Scratch的九大模塊的基本功能，能實(shí)現(xiàn)對(duì)角色進(jìn)行動(dòng)作、外觀、聲音的控制，對(duì)變量、數(shù)據(jù)、數(shù)字和邏輯運(yùn)算的計(jì)算，還能在外接傳感器的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)人與人的交互、物與物的交互、人與物的交互功能?；诖耍P者選擇了AS-Block-v3.1.2、CF-Board-A主控板，以及LED燈傳感器、紅外避障傳感器、有源蜂鳴器等傳感器，來(lái)制作智能籃球裁判員，研究制作過(guò)程如下：

第一步：熟悉應(yīng)用AS-Block-v3.1.2軟件的變量，如何記錄分?jǐn)?shù)并依據(jù)一定的規(guī)則增加分?jǐn)?shù)；測(cè)試紅外避障傳感器、有源蜂鳴器、LED燈傳感器的單個(gè)功能如何工作。

第二步：初步設(shè)計(jì)軟件的功能，籃球比賽時(shí)，要想通過(guò)智能籃球裁判員實(shí)現(xiàn)當(dāng)籃球投入籃筐時(shí)，自動(dòng)記錄分?jǐn)?shù)、吹哨子，指示燈亮表示進(jìn)球了，需要運(yùn)用紅外避障傳感器判斷是否進(jìn)球，從而明確是否增加分?jǐn)?shù)，分?jǐn)?shù)如何顯示。與此同時(shí)，當(dāng)進(jìn)球時(shí)，要運(yùn)用有源蜂鳴器來(lái)吹出聲音，提醒比賽停止，LED燈亮。

第三步：①開始制作，先拼裝投籃器，投籃器用了9個(gè)折角板、1個(gè)中板、1個(gè)長(zhǎng)條板、1個(gè)短條；再拼裝智能裁判員的外形及各種傳感器的位置，如1個(gè)紅外避障傳感器應(yīng)放在離籃筐最近的位置，方便第一時(shí)間檢測(cè)是否進(jìn)球，1個(gè)有源蜂鳴器、1個(gè)LED燈傳感器則可根據(jù)喜好放在合適的位置。

②用小貓當(dāng)智能裁判員記錄分?jǐn)?shù)，設(shè)置變量把原始分?jǐn)?shù)設(shè)定為0。

③編輯腳本：在紅外避障傳感器中，選擇數(shù)字3作為插口。因而在設(shè)置紅外避障的腳本時(shí)，要把讀取的傳感值設(shè)置為3。如果球進(jìn)了，紅外避障器檢測(cè)到有物體，就會(huì)執(zhí)行開啟LED燈的命令，燈就會(huì)亮；如果球沒(méi)進(jìn)，燈就會(huì)滅了，隨著比賽的進(jìn)行，投中籃球的次數(shù)越來(lái)越多，獲得的分?jǐn)?shù)也越來(lái)越多，此時(shí)，運(yùn)用重復(fù)執(zhí)行直到的命令，當(dāng)分?jǐn)?shù)加到分?jǐn)?shù)=100時(shí)，程序停止，出現(xiàn)提示勝利的笑臉（如下頁(yè)圖1）。

有源蜂鳴器選擇數(shù)字5作為插口，當(dāng)球進(jìn)了后就會(huì)發(fā)出音調(diào)為C2，節(jié)拍為1/2的聲音（如下頁(yè)圖2）。

把球投進(jìn)了籃筐后，用來(lái)記錄分?jǐn)?shù)的變量會(huì)自動(dòng)增加分?jǐn)?shù)，可根據(jù)比賽規(guī)則來(lái)設(shè)定每進(jìn)一球?qū)?yīng)增加的分?jǐn)?shù)值。這里設(shè)定初始分?jǐn)?shù)為0，每投中一球分?jǐn)?shù)就加5分（如下頁(yè)圖3）。

當(dāng)滿分后自動(dòng)停止，自動(dòng)關(guān)燈。完善籃球?qū)官惖奶摂M場(chǎng)景，并設(shè)置勝利的話語(yǔ)（如圖4）。

④測(cè)試程序，發(fā)現(xiàn)、修改問(wèn)題。學(xué)生在程序中把紅外避障傳感器（數(shù)字3）的編程錯(cuò)弄成數(shù)字4，導(dǎo)致紅外避障傳感器無(wú)法將獲得的信號(hào)傳輸?shù)街靼澹瑥亩鸪绦驘o(wú)法正常運(yùn)行。有源蜂鳴器的引腳設(shè)置為5，每一種傳感器的信號(hào)傳輸通道必須是唯一的，不能同時(shí)并用一個(gè)通道。學(xué)生查出錯(cuò)誤并進(jìn)行改正。

⑤完成軟件。智能籃球裁判員程序界面圖及機(jī)器人正背面如圖5所示，實(shí)現(xiàn)了籃球愛(ài)好者不用裁判就可以打籃球，并具有分?jǐn)?shù)記錄、吹哨子等功能，受到學(xué)生們的喜愛(ài)。

此作品參加了龍華區(qū)青少年科技創(chuàng)新大賽，并獲得發(fā)明類一等獎(jiǎng)；參加了深圳市青少年科技創(chuàng)新大賽，并獲得發(fā)明類二等獎(jiǎng)，得到評(píng)委們的一致好評(píng)。

反思

筆者以智能籃球裁判員的開發(fā)為例說(shuō)明了“Scratch+體育”的STEAM教育開發(fā)案例，據(jù)此筆者有以下三點(diǎn)思考。

1.智能籃球裁判員的完善構(gòu)想

如果能將蜂鳴聲改成音樂(lè)聲，并將傳感器的連接線捆好，把紅外避障傳感器放在框后，再利用3D打印機(jī)，打出一個(gè)盒子套住后半身（籃筐不套），那么外形將更美觀。如果能再給它裝上輪子，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)功能則更完美。移動(dòng)的方案有兩種：第一種，利用電機(jī)設(shè)置一定的旋轉(zhuǎn)速度，讓它在左右一定的范圍內(nèi)輕微移動(dòng)，像人在踱步一般；第二種，通過(guò)無(wú)線遙感來(lái)控制，不同的按鍵代表不同的方向，并可調(diào)節(jié)移動(dòng)的速度，也將更加智能，但帶來(lái)的不利因素是增加了投中的難度。因此應(yīng)用此功能時(shí)，可設(shè)置不同難度的挑戰(zhàn)賽。

2.“Scratch+學(xué)科”與STEAM教育相互契合

“Scratch+學(xué)科”與STEAM教育相互契合，相互促進(jìn)：①兩者引入課堂教學(xué)的目標(biāo)是一致的，均是為了培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維，提升其科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)、工程、藝術(shù)等核心素養(yǎng)，使其能在日?；顒?dòng)、問(wèn)題解決、適應(yīng)環(huán)境等方面，通過(guò)學(xué)習(xí)、理解、運(yùn)用跨學(xué)科的知識(shí)與技能、思維與方法形成理性思維，勇于探究。②兩者引入課堂教學(xué)的方式是一致的，均是以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)為基點(diǎn)?；陧?xiàng)目的學(xué)習(xí)是以學(xué)科的概念和原理為中心，以制作作品并將作品推銷給客戶為目的，在真實(shí)世界中借助多種資源開展探究活動(dòng)，并在一定時(shí)間內(nèi)解決一系列相互關(guān)聯(lián)著的問(wèn)題的一種新型的探究性學(xué)習(xí)模式。[3]它強(qiáng)調(diào)以現(xiàn)實(shí)生活或真實(shí)情境中的多學(xué)科交叉問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，利用多學(xué)科的工具和技術(shù)來(lái)解決，最終呈現(xiàn)出的作品或方案具有一定的社會(huì)效益。③兩者引入課堂教學(xué)的內(nèi)容是一致的，均是以跨學(xué)科應(yīng)用為師生教與學(xué)的引導(dǎo)線?！癝cratch+學(xué)科”實(shí)現(xiàn)了編程與學(xué)科的融合，具有靈活性與擴(kuò)展性的特點(diǎn)；依據(jù)不同的項(xiàng)目需求，以“科學(xué)”的程序思維方法，運(yùn)用“數(shù)學(xué)”原理，利用不同傳感“技術(shù)”，來(lái)搭建符合現(xiàn)實(shí)“工程”標(biāo)準(zhǔn)又兼具“藝術(shù)”美感的作品，“Scratch+學(xué)科”既是跨學(xué)科教的內(nèi)容，也是跨學(xué)科學(xué)的內(nèi)容，更是解決問(wèn)題中跨學(xué)科的工具與思維的應(yīng)用過(guò)程，故跨學(xué)科是兩者教育形態(tài)的貫穿線。

3.“Scratch+傳感”式的結(jié)合，豐富了交互的可能性

“Scratch+傳感”式的智能籃球裁判員，將Scratch所描繪的虛擬世界與真實(shí)生活所涉及的客觀世界相連接，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互，此模式增大了人與人交互、人與物交互、物與物交互的可能性。以此案例作為STEAM教育的切入點(diǎn)，符合學(xué)生的認(rèn)知由掌握、應(yīng)用到分析、綜合的提升，使其思維的過(guò)程由運(yùn)用符號(hào)象征的事物，用符號(hào)從事簡(jiǎn)單思考活動(dòng)的前運(yùn)算階段，過(guò)渡到運(yùn)用符號(hào)進(jìn)行有邏輯的思考活動(dòng)的具體運(yùn)算階段，最終進(jìn)階到從具體的形象事物中，運(yùn)用抽象的概括提出合理的假設(shè)并驗(yàn)證，從而了解事物有多種可能性的形式運(yùn)算階段。筆者從實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，它確實(shí)能有效提高學(xué)生的信息技術(shù)核心素養(yǎng)，為學(xué)生成為智能時(shí)代的開發(fā)者打下創(chuàng)新基礎(chǔ)。