青少年科技创新丛书：Scratch测控传感器的研发与创意应用 下载 mobi epub pdf 电子书 2024

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内容简介

　　《青少年科技创新丛书：Scratch测控传感器的研发与创意应用》以Scratch为教学语言，介绍了如何将计算机的键盘、鼠标、话筒、摄像头作为传感器研究艺术、科学和工程领域的问题，并将研究结论撰写成研究论文。
　　在程序设计上，《青少年科技创新丛书：Scratch测控传感器的研发与创意应用》从零起点开始，涉及Scratch 2.0和Scratch 1.4常见的程序结构和算法； 在硬件上，《青少年科技创新丛书：Scratch测控传感器的研发与创意应用》深入浅出地从原理层面上介绍了各种计算机外部设备的获取信息的原理； 在学科定位上，本书以信息技术学科为核心，将传感器作为实现“测量—控制”的关键，体现了信息技术中信息的获取、存储、分析、表达的全过程，并且涉及与信息技术相关的其他学科； 在教学上，本书既适合大班教学，又适合学生自学。《青少年科技创新丛书：Scratch测控传感器的研发与创意应用》由从免费硬件到付费硬件、从简单程序到复杂算法、从艺术到研究再到工程、从学习别人的案例到自己研发测控传感器的应用案例4条主线出发，比较系统地介绍了研究性学习所需要的编程能力和数据分析方法，比较全面地涉及了“科学、技术、工程和数学”领域(STEM教育)的相关内容。
　　《青少年科技创新丛书：Scratch测控传感器的研发与创意应用》面向Scratch入门的师生以及课程研究人员，既可作为中、小学相关课程教材，也可作为青少年科技创新活动的参考用书。

内页插图

目录

第1章 Scratch语言基础知识
1.1 Scratch语言简介
1.2 第一个Scratch 2.0程序
1.2.1 注册Scratch账号
1.2.2 使用帮助菜单完成第一个Scratch程序
1.3 Scratch 1.4和Scratch 2.0的区别
1.4 开始使用Scratch网站
1.4.1 评论他人作品
1.4.2 管理个人信息
1.4.3 管理作品集
1.4.4 浏览作品
1.4.5 好友管理
1.5 动画基础
1.5.1 跳舞的螃蟹
1.5.2 派对舞会
1.5.3 致意贺卡
1.6 游戏基础
1.6.1 变装游戏
1.6.2 捉迷藏
1.6.3 初级迷宫
1.6.4 初级乒乓球
1.7 用Scratch语言撰写一个研究报告

第2章 计算机标准配置传感器的应用和改装
2.1 按键速度的研究——第一个研究型程序
2.1.1 硬件准备
2.1.2 搭建程序
2.1.3 进行实验
2.1.4 数据处理
2.1.5 评价反思
2.2 用键盘组成的乐队
2.2.1 硬件准备
2.2.2 搭建程序
2.2.3 实际应用
2.2.4 评价反思
2.3 拆掉键盘——楼梯钢琴
2.3.1 硬件准备
2.3.2 搭建程序
2.3.3 实际应用
2.4 用鼠标左键改装的报警器
2.4.1 硬件准备
2.4.2 搭建程序
2.4.3 实际应用
2.4.4 评价反思
2.5 用鼠标滚轮改装的曲线测量仪
2.5.1 硬件准备
2.5.2 搭建程序
2.5.3 实验与数据处理
2.5.4 评价反思
2.6 用鼠标制作画图板
2.6.1 搭建程序
2.6.2 评价反思
2.7 用鼠标模拟触摸屏功能
2.7.1 功能分析
2.7.2 搭建程序
2.7.3 评价反思
2.8 用麦克风音量值控制的闯关游戏
2.8.1 游戏设计
2.8.2 程序搭建
2.8.3 游戏体验与改进
2.8.4 评价反思
2.9 用耳机线实现双机通信
2.9.1 硬件准备
2.9.2 搭建程序
2.9.3 实际应用
2.9.4 评价反思
2.10 改造麦克风——计数器的实现
2.10.1 实现原理
2.10.2 硬件改造
2.10.3 程序编写
2.10.4 改进提高
2.11 用摄像头制作逐帧动画
2.11.1 硬件准备
2.11.2 获取图像
2.11.3 用摄像头拍摄逐帧动画
2.11.4 摄像头连续拍照的间隔时间研究
2.12 使用摄像头研究单摆的运动
2.12.1 实验装置
2.12.2 获取单摆的运动图像
2.12.3 用图章技巧生成位置—时间图像
2.13 用视频分析法研究人的步行姿态
2.14 用图像识别的方法分析运动轨迹
2.15 用颜色识别的方法识别数字
2.15.1 获取数字图像的并集
2.15.2 获取颜色识别的算法
2.15.3 将图片识别为数字
2.16 在Scratch 2.0下用摄像头制作体感游戏
2.16.1 摄像头部分的核心代码
2.16.2 我的第一个摄像头体感游戏
2.16.3 让角色跟着手指动
2.16.4 评价反思

第3章 Scratch测控板的原理及应用
3.1 Scratch测控板的常见类型
3.2 Scratch测控板入门——传感器的连接
3.3 Scratch测控板的二值量的使用
3.3.1 投票装置
3.3.2 按钮计数器
3.3.3 启动装置
3.3.4 报警器
3.3.5 用4个端口制作方向控制游戏
3.4 二值量的组合应用：3-8译码器
3.4.1 3-8译码装置的原理
3.4.2 用铜箔制作一个简单的3-8译码器
3.4.3 制作键盘式的3-8译码器
3.4.4 互动效果设计
3.5 标定实验入门——滑杆传感器的标定
3.5.1 用滑杆传感器玩互动游戏
3.5.2 用滑杆传感器制作卡尺
3.5.3 确定游标卡尺的分度值
3.6 曲线关系的标定初步——光敏黑白扫描仪
3.6.1 利用光敏电阻实现灰度识别
3.6.2 计算机作为光源的灰度扫描仪
3.6.3 改进程序使其拼接效果更好
3.7 曲线关系的标定提高——光场的研究
3.7.1 探究LED灯的等效功率
3.7.2 探究光强与距离的关系——制作一把光尺
3.7.3 探究平面光场的光强
3.8 曲线关系的直化——用Scratch测控板测电阻
3.8.1 实验装置
3.8.2 确定稳定的对应关系
3.8.3 标定实验
3.8.4 曲线的直化
3.8.5 检验并修正
3.8.6 讨论
3.9 如何通过测量实现精确的控制

附录 Labplus Scratch Box套件说明

参考文献

精彩书摘

　　3.1Scratch测控板的常见类型

　　Scratch传感器板是Scratch语言拓展的一组硬件，其基本功能如下。Scratch传感器板的硬件资源包括1个光传感器、1个声音传感器、1个滑动杆、1个按钮、4个自定义传感器(电阻类)接口。其中，按钮是数字输入量，有0和1两种状态，其他的接口都是模拟量输入接口，输入范围是0~100。Scratch传感器板的4个自定义传感器接口接受常见的电阻类传感器输入，包括热敏电阻、湿敏电阻、弯曲传感器(电阻型)和光敏电阻等。

　　因此Scratch Labplus测控板对它做了改进，使Scratch传感器板变成了Scratch测控板，除了感知外界信息外，还可以输出电动机、蜂鸣器、LED灯等多种控制信号，如图3.1所示。

　　图3.1Scratch Labplus测控板

　　下面的案例将会用Labplus Scratch测控板来完成一系列Scratch基础测控传感器的研发，并且使用它的输出功能，完成一些富有创意的案例。

　　3.2Scratch测控板入门——传感器的连接

　　Scratch测控板和计算机通过USB接口通信，可以感知外界的温度、光强、电学量(如电阻、电压和电流)等物理量。Scratch测控板的输入量包括数字量(开/关、连接/断开)和模拟量(电阻、温度、光照、湿度、声音、位置)两种，其使用方法与其他侦测量一样。首先需要将Scratch测控板和计算机进行连接。

　　第一次使用Scratch测控板硬件时需要安装硬件驱动程序。首先，要安装盛思驱动程序，如图3.2所示。单击Next按钮，直到出现Finish按钮。

　　图3.2安装驱动程序

　　接下来，将USB线插入计算机的USB接口后，向下按Scratch测控板上的按钮，直到蓝色的指示灯亮起来。这时，计算机会显示出“找到新硬件”，由于之前已经安装了驱动程序，这时只需单击“自动安装”按钮即可。

　　利用硬件更新向导进行安装，安装驱动程序成功后，可以在“我的电脑”中右击，在弹出的快捷菜单中，选择“管理”选项，进入“设备管理器”中，在端口(COM和LPT)中发现多了一个新设备，在这里要记住设备的端口号，如图3.3所示。此处Scratch测控板的端口号为COM21(有些计算机之前没有安装过各种传感器板，其端口号可能是COM3或COM4)。

　　图3.3查看测控板的端口号

　　这样，Scratch测控板就已经和计算机建立了通信关系。需要注意的一点是，Scratch测控传感器使用的是一个改进版本的Scratch，称为Scratch_Labplus，该版本的Scratch是免安装的，解压缩之后就可以使用，如图3.4所示。

　　图3.4解压缩Scratch_Labplus程序

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前言/序言

　　STEM(Science Technology Engineering Mathematics Education)意指“科学、技术、工程学、数学教育”，是由美国发起的一项旨在通过提高STEM领域劳动者人数和受教育者综合应用STEM领域的能力，提高国家的人力资源水平继而提升国家竞争力。本课程将科学、技术、工程学和数学4个领域通过一个具体的研究性学习案例融合起来，使大家在掌握信息技术的基础上，设计、开发和制作实验装置(工程)，应用其中的数学原理，得到一个科学的结论，并尝试用多种不同的形式表达这一科学结论。期望培养一个“数字科学家”，即对任何一个感兴趣的问题都能用科学的方法独立地开展研究的“自由的研究者”。通过数据的“获取、存储、分析、表达”来实现结论的定量化、精确化和理论化。本书以麻省理工学院开发的Scratch语言为编程环境，将常见的计算机外部设备当作传感器来使用，展示了一系列适合中学生甚至大学生的研究性学习案例，对于培养学生的能力、提高学生的编程水平和对计算机的理解都很有帮助。

　　2013年9月，麻省理工学院团队发布了Scratch 2.0的离线测试版，Scratch 2.0的编程环境已经比较成熟，因此本书使用Scratch 2.0作为Scratch程序语言基础的教学平台，并比较了Scratch 1.4和Scratch 2.0的区别。通过一组动画和游戏案例，介绍Scratch语言的基础和Scratch网站的学习方法，并将这些作为接下来学习感测与控制技术的基础。

　　通过将生活中常见的计算机外部设备改装成为传感器，并结合Scratch程序的传感器板，使有研究能力的学生可以自由地发挥想象，将编程渗透到游戏、娱乐和科学探究中，其学习角色可向科学家、交互设计师、工程师等多种STEM领域的职业角色转换。在这个过程中，学生会明白自己适合做什么和喜欢做什么，以及完成一项工作自己需要找哪些人合作，这些能力将会使学生受益终生。

　　本书作者

　　之一贾思博于2010年获得 “明天小小科学家”比赛二等奖，并顺利保送清华大学；作者朱忠旻凭借Scratch领域的研究，受邀参加了2012年麻省理工学院举办的Scratch 2012年年会；作者范力彬是景山学校最早一批学习Scratch语言的学生，未来会成为一名教师，将Scratch教给更多的人。作为他们的教师，在教学相长的过程中，看到学生慢慢地成为我的合作者，甚至成为我所崇拜的人，我深深地体会到作为一名教师的职业幸福，也非常期待着能够有更多的人通过测控传感器的研发过程，打通程序编写、科学研究、创意应用之间的鸿沟，成为一个“数字科学家”。他们的共同特征是“对于任何一个感兴趣的问题都能用科学的研究方法定量地开展研究”，他们的研究是出于好奇心和兴趣而非功利和强迫，他们知道如何获取数据、得出结论，更知道如何和别人分享结论、传播思想。总之，他们将是一群自由的研究者，这个梦想虽然很难但是很值得为之而努力。

　　自由，虽然是一个“奢侈”的目标，却是人类永恒的追求！

　　本书整体规划以及第1章的编写由吴俊杰负责，第2章由贾思博、范力彬编写，第3章由吴俊杰、梁森山、朱忠旻编写。

　　由于作者水平所限，书中疏漏在所难免，欢迎读者批评指正。

　　北京景山学校吴俊杰

　　2013年5月于自缚居

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彩印的，中学生看不错

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