用S4A Sensor Board玩Scratch 2.0

為什麼要用S4A Sensor Board玩Scratch 2.0

2016~2020資訊總藍圖規劃，運算思維(computational thinking)成為課程發展的一項重要綱領。雖然，運算思維所要強調發展，並非僅止於程式編輯一項，反而更是一個解決問題的思維發展模式。但是，在資訊教育的課程發展中，利用程式編輯的學習經驗，是足以作為培養學生發展運算思維的媒介工具。

Inside這篇文章曾經提到：曾任 TripAdvisor 軟體工程師、現任 LinkedIn 資深軟體工程師的 Yevgeniy Brikman 在其個人部落格發表「Don't learn to code. Learn to think.」一文，認為這股鼓吹大家學習寫程式的風潮有點誤導大眾，他認為大家在學習寫程式的同時，更重要的是學習電腦科學的思維模式。

MIT Media Lab 團隊的計劃執行長 Mitch Resnick 在TED演講中也說：重點並非是要將所有年輕人培訓成程式設計師，而是透過學習程式語言，開拓更寬廣的學習途徑。「當你學會閱讀，你便能藉著閱讀學習更多知識，程式設計也是一樣的道理；如果你會撰寫程式，你能透過程式語言學習到的事物將更為多樣。」學寫程式就是在學習創意思考、有系統的推論、和團隊合作，而這些技能不僅在各專業領域都受用無窮，更是生活中不可或缺的能力。

如果您對於發展運算思維課程有興趣，想要更深入了解甚麼是運算思維！下列幾篇文章值得推薦給您。

1. 運算思惟其實一點也不神祕（上集）、演算法也有不神祕的一面（下集）。
2. 什麼是運算思維？如何培養運算思維？
3. 「教師運算思維推動計畫」研習紀錄1/3(Day 1)、「教師運算思維推動計畫」研習紀錄2/3(Day 2)、「教師運算思維推動計畫」研習紀錄3/3(Day 3)。
4. 不當工程師，為什麼也該學程式？ - 親子天下

認識S4A Sensor Board

S4A Sensor Board是由台灣 慧手科技 所出品的Arduino擴展板：S4A Sensor Board，必須結合Arduino UNO或其相容板的主板使用。本課程所使用的S4A Sensor Board擴展板，是第一代的擴展板。第二代S4A/S2A Sensor Board擴展板(S4A/S2A Sensor Board for Arduino V2 (S4A/S2A感測互動擴充板第二版))，功能更新，除了S4A課程，也是S2A課程應用非常好的學習擴展板，板體面積更小，在後續課程，我們會另外設計課程。

S4A Sensor Board for Arduino主要設計給Arduino/Motoduino 或S4A初學者使用的一塊互動板，結合麥克風、按鍵開關、光源感測、滑桿式可變電阻、LED 、蜂鳴器等元件，以及四組RJ11的接頭可供外部連接其他裝置或元件，如溫濕度感測器、土壤濕度感測器等。S4A Sensor Board的設計，避免了感測元件頻繁插拔可能造成的設備耗損或人員受傷，是非常適合教學上使用。

另外，此擴展板預留一個藍芽孔位給需要無線傳輸的使用者。可利用此無線傳輸跟Android手機或電腦溝通。AIS板子上也預留六根數位腳位給其他需要外部電源的裝置使用，例如連接多個伺服馬達。RJ11端可接至少十米長的電話線連接感測器。（原文引用自motoduino慧手科技：S4A感測互動擴充板商品簡介）

參考資料：

1. 使用手冊下載
2. 圖書：用S4A(Scratch for Arduino)：玩出科技創意大未來
3. S4A (Scratch for Arduino)互動智能積木。

Step 1: 認識 Arduino！

Arduino是一種硬體開放授權的互動環境開發板，互動裝置其實無所不在，例如冷氣的恆溫裝置，便是透過溫度感測器偵測環境溫度，再進行室內溫度的自動調節；還有汽車的倒車雷達，當過於靠近障礙物體時，會發出聲音警告駕駛者。這些裝置為生活增加不少安全及便利，甚至在互動玩具上，帶給使用者驚喜，有時候，也會利用藝術品呈現在生活當中，增添生活上的精采。

Arduino 主要可區分為三個部分，Arduino硬體(例如 UNO、Leonardo...)、Arduino軟體及Arduino擴充元件(Sensor；傳感器)。Arduino 學習門檻較為簡單，不需要電子電機相關科系的背景，也可以很容易學會 Arduino 相關互動裝置的開發。由於 Arduino 以公開共享為基礎，多數人都樂於分享自己的的創品，網路上能找的創作案子非常豐富。以此會基礎，有時只需要參考分享者的作品，依據自身的需求行調整，就可以在短時間內完成自己的創作。 (更多內容請參考 - ITs通訊：認識 Arduino)

本課程使用 Arduino 的開發板選用科易(Keyes) CH340 UNO 開發板，主要是因為課程主要以Scratch為主，課程中透過Transformer作為轉譯程式，可以不需要Arduino IDE程式，所以只需要安裝CH340驅動程式即可，在教學上更便於教學同步與管理。如果您是使用ATMega328(P)相容板，則必須依據下列補充下載Arduino IDE，建置Arduino的操作環境。

Arduino 環境建置

1. 下載開發環境：至官網(arduino.cc)，點選download後，依據您的電腦作業系統下載ArduinoIDE。
2. 安裝開發環境：有2種下載檔，如下載install檔，直接執行；如為zip檔，直接解壓縮後，進入資料夾找執行檔即可使用。
3. 安裝arduino驅動程式：電腦連接arduino(若需驅動程式，位置在arduinoIDE安裝資料夾內drivers資料夾)。本課程為了教學相容性，選擇USB CH340G晶片 的 Arduino UNO R3 開發板，在主控板驅動程式部分請點選連結下載(或本Session下的檔案下載)。
4. 找出板子的COM Port號碼：於裝置管理員找到「連接埠」，內有Arduino Uno連結的COM Port 編號(這是接下來要上傳 S4A Firmwarm的位置)。
5. 連接 Arduino UNO 和 S4A Sensor Board，並確認與電腦連結完成。

Step 2: 用Kodorobot Transformer玩Scratch 2.0

本課程的進行需要下載Scratch 2.0 離線版( https://scratch.mit.edu/scratch2download/ )做為程式編輯平台，鑑於課程進度，本課程不另外進行Scratch安裝教學，有需要相關教學的朋友，請自行搜尋參考。同時，您於上課之前，還必須下載Transformaer轉譯程式，作為Scratch程式與Arduino控制板的轉譯程式。

注意：下載Scratch離線版安裝檔後，依指示安裝即可，過程中會要求安裝〔Adobe AIR〕，請按【確定】即可安裝完成。

認識Scratch！

Scratch是由MIT(美國麻省理工學院)所研發的兒童程式編輯工具，透過電子積木的形式，增加了學習過程的樂趣，讓學生從樂趣中體驗程式編輯的思維模式，亦是目前最為廣泛應用於教學現場的應用工具。

Scratch的開發目的：在讓程式設計語言初學者不需先學習語言語法便能設計產品。開發者期望通過學習Scratch，啟發和激勵用戶在愉快的環境下經由操作（如設計互動故事）去學習程式設計、數學和計算知識，同時獲得創造性的思考，邏輯編程，和協同工作的體驗。(維基百科)

更多 Scratch或程式編程課程的資源，如下列表：

1. SCRATCH-TW
2. 十四個自學 Scratch 最完整的公益開放課程
3. 宜蘭縣教師課程數位學習平台
4. 兒童程式設計 KidsCoding

認識 Kodorobot Transformer ~

Kodorobot Transformer是由台灣宇宙機器人公司所開發的Scratch與Arduino轉譯程式。什麼是轉譯程式呢？Transformer作為轉譯程式的主要功能是為了讓Scratch的電子化積木語言，可以透過轉譯程式將程式命令轉化為數位訊號，傳送至Arduino板並執行命令動作。

過去，這個角色一直都是利用S4A(Scratch for Arduino)，對於利用S4A學習S4A Sensor Board有興趣的朋友，可以參考我們之前的課程：S4A Sensor Board。本課程主要是以Scratch 2.0作為程式編輯的工具，透過Kodorobot Transformer協助，讓學生藉由學習Scratch的經驗，進而控制Arduino及其相關感測器。

Kodorobot Transformer的安裝與應用：

下載檔案區之Transformer應用程式，直接依照步驟即可安裝完成，安裝完成後，確認硬體環境無誤，即可開始進入課程。關於Kodorobot Transformer的安裝、應用及其進階課程，各位亦可以連結由奕學所設計的課程，作為課後補充學習。

補充教材：

1. 網路線上版scratch2.0操控arduino(S2A) ( http://blog.ilc.edu.tw/blog/blog/868/post/97121/629471 )
2. 竹林資訊站( http://blog.ilc.edu.tw/blog/blog/868/page/2 )
3. WFduino初級班課程( http://blog.ilc.edu.tw/blog/blog/868/post/97509/641433 )
4. 外部感應器初體驗：軟、硬體選擇建議( http://blog.ilc.edu.tw/blog/blog/868/post/10898/634141 )

【宇宙機器人教育團隊】
該團隊希望讓STEM教育方法做到【平民化機器人普及教育】的宗旨，運用平價方式，理論課程運用STEAM實務學會，把翻轉教育當教學目標讓學生和老師增加更多互動性。

由該奕學的團隊所主持的理念社團: https://goo.gl/DH67x6 、粉絲專頁：https://goo.gl/DH67x6

宇宙機器人 KODOROBOT官方網站：http://www.kodorobot.com/ (最新版免費軟體提供下載唷)

Step 3: 課前準備：課程進行之軟硬體環境確認！

裝置管理員：

操作Transformer前，先確認硬體的連接狀態，例如：MS Windows系統可於裝置管理員中確認(如圖一)。

啟動Transformer：

1. 啟動Transformer並於「介面」選擇您的連結硬體內容；本案例COM3(USB-Serial CH340)。(如提二、圖三)
2. 勾選「自動燒錄韌體」。
3. 於檔案處選擇「自動開啟Scratch」。
4. 選擇S4A Plus或S2A Plus...等，按「連線」執行。(圖四：案例選擇S4A Plus)
5. 硬體連線成功後會看到「配對 S4A Firmware 成功!」字樣。(如圖五)
   PS.硬體Firmware只需寫入一次，下次可以不需重複寫入，除非板子又再寫入過其他內容。
6. 自動開啟Scratch 2後，點選程式/其他積木。會發現硬體連接的燈號亮綠燈，如果是紅燈表示硬體連接失敗或離線，需要再重新連結。(如圖六)

Step 4: 讓 LED 燈亮起來

這一個 Session 開始，將要以 Arduino UNO 搭配 S4A Sensor Board 進行傳感器的控制與應用。

課堂的第一步~ LED 燈的控制，這個 Session 總共有三個範例，提供你練習。

Step 1：(範例：S4A_Sensor_Board_01.sb2)
按下綠旗執行程式，讓S4A Sensor Board 的紅色 LED 燈(D10) 亮起來

Step 2：(範例：S4A_Sensor_Board_02.sb2)
按下綠旗執行程式，讓S4A Sensor Board 的紅色 LED 燈(D10) 亮起來，3 秒後再熄燈。

Step 3：(範例：S4A_Sensor_Board_03.sb2)
按下綠旗執行程式，讓S4A Sensor Board 的紅色 LED 燈(D10) 閃爍兩次。

Step 4：(範例：S4A_Sensor_Board_04.sb2)
按下綠旗執行程式，讓S4A Sensor Board 的紅色 LED 燈(D10) 和綠色 LED 燈(D11)輪流閃爍兩次。

Step 5：(範例：S4A_Sensor_Board_05.sb2)
按下綠旗執行程式，讓S4A Sensor Board 的紅色 LED 燈(D10) 和綠色 LED 燈(D11)重複輪流閃爍共十次。

Worksheet：

1. Step 3 還可以用哪一種程式積木的方式呈現呢?
2. Step 4 還可以用哪一種程式積木的方式呈現呢?

Step 5: 用按鈕控制 LED 燈

除了讓 LED 亮起來，這個Session 的課程內容，要學習如何透過按鈕，控制 LED 燈的開關。

Step 1：(範例：S4A_Sensor_Board_06.sb2)
按下綠旗執行程式，讓S4A Sensor Board 的紅色 LED 燈(D10) ，可以透過按鍵(D2)控制，讓燈亮起來。

Step 2：(範例：S4A_Sensor_Board_07.sb2)
按下綠旗執行程式，控制 S4A Sensor Board 的紅色 LED 燈(D10) ，按下按鍵(D2)控制，讓燈亮起來。否則紅色 LED 燈(D10)就不亮。

Worksheet：

1. 按下綠旗執行程式，可有透過按鍵(D2)，啟動 S4A Sensor Board 的紅色 LED 燈(D10) 不斷閃爍。
2. 請您設計一個程式，按下按鍵(D2)時，啟動 S4A Sensor Board 的紅色 LED 燈(D10) 和綠色 LED 燈(D11)，交互不斷閃爍。

Step 6: 請你利用鍵盤搭配 S4A 控制 Sensor

請您利用 S4A 中的「偵測指令」積木，操作 S4A Sensor Board的按鍵與LED燈。

Step 1：(範例：S4A_Sensor_Board_08.sb2)
執行一次，按下鍵盤的「上移鍵」，啟動執行動作：按下按鍵(D2)，啟動 S4A Sensor Board 的紅色 LED 燈(D10) 亮起來，等待3秒後熄燈。

Step 2：(範例：S4A_Sensor_Board_09.sb2)
重複執行，按下鍵盤的「下移鍵」，啟動執行動作：按下按鍵(D2)，啟動 S4A Sensor Board 的綠色 LED 燈(D11) 亮起來，等待1秒後熄燈。

WorkSheet：

1. 請將上面兩個練習範例，放在同一個執行緒中。

Step 7: 練習(Workshop) 01

請將前一個的兩個範例題，整合在同一個執行緒中。

Step 1：(範例：S4A_Sensor_Board_10.sb2)
按下鍵盤的「上移鍵」，啟動執行動作：按下按鍵(D2)，啟動 S4A Sensor Board 的紅色 LED 燈(D10) 亮起來，等待3秒後熄燈。 按下鍵盤的「下移鍵」，啟動執行動作：按下按鍵(D2)，啟動 S4A Sensor Board 的綠色 LED 燈(D11) 亮起來，等待3秒後熄燈。

Step 2：(範例：S4A_Sensor_Board_11.sb2)
重複執行動作，直到新的條件出現，判斷新條件後執行動作。

提示：

1. 執行緒中，需要有「條件」判斷式。
2. 請比較範例中的差異。

Step 8: 讀取電位器(可變電阻)的偵測值

類比埠的輸出值是0~1023。在S4A Sensor Board 上，類比埠除了應用在RJ11的擴充腳位上，在板子上也預設使用3組類比埠，即 A0：電位器(可變電阻)、A1：光源感測器(也可透過D3 PWM)、A2：麥克風。從這個 Session 開始，我們要練習電位器的控制與應用。

Step 1：(範例：S4A_Sensor_Board_12.sb2)
讀出電位器 (A0) 的偵測值，將電位器(可變電阻)的偵測值顯示在舞台區

Step 9: 讀取電位器(可變電阻)的偵測值，判斷數值的大、中、小

這個 Session 主要在練習「運算」與「變數」的條件式應用，透過操作練習，了解「運算」指令積木的功能，能夠運用「運算」指令在程式的數學運算。同時學習利用「變數」的功能來增加效率，讓重複的指令，透過變數的宣告，直接執行，簡化程式的架構。

Step 1：(範例：S4A_Sensor_Board_13.sb2)
利用變數作為宣告電位器(可變電阻)的偵測值讀取值，再透過「運算」指令的功能，判斷變數值得大小。

Step 10: 「運算」與「變數」的應用

這個 Session 主要在練習應用「運算」與「變數」的執行結果，將讀取值作為其他感測器應用的輸入值。以本範例來說，就是利用電位器(可變電阻)的偵測值，作為判斷讓蜂鳴器聲音變大或變小的數據。

Step 1：(範例：S4A_Sensor_Board_14.sb2)
在 S4A Sensor Board 上，蜂鳴器的位置腳位是 D9 的PWM腳，可以透過電位器提供輸出的電壓值，控制蜂鳴器音量，電壓的計算公式為 V=(n/255)*5，所以當 n=0 時，電壓為 0 V；當 n=255 時，電壓為 5 V。

電位器本身透過電阻的大小，改變電壓的輸出值，取得不同的類比訊號。S4A Sensor Board 上的電位器是接在類比埠A0 ，電位器的類比輸入值是 0~1023；但是，PWM 的類比輸出值是 0~255，因為類比輸入數值與PWM的值不符，會出現錯誤提示。所以，通常會再將(類比訊號的值/4)之後取整數(四捨五入)，再修正 >255設定為255，<0的值設定為 0，最後再將其值送出給PWM。

Step 11: 使用光源感測器

S4A Sensor Board 的光源控制器是透過 D3 或 A1 腳位引出，在這個 Session 的學習課程，光源感測器與電位器(可變電阻)一樣，都是利用類比埠輸出，輸出值介於0~1023。

Step 1：(範例：S4A_Sensor_Board_15.sb2)
讀出光源感測器 (A1) 的亮度偵測值，將亮度的偵測數值顯示在舞台區。

Step 12: 使用光源感測器控制燈光的開關

承接上一個 Session 的課程內容，這個Session 將利用「運算」與「變數」的執行結果，將讀取值作為判斷值。透過光源的明暗變化，控制 LED 燈的動作與開關。

Step 1：(範例：S4A_Sensor_Board_16.sb2)
利用光源感測器(A1)的偵測值，判斷光線的明暗，當亮度大於620時，說：你好。當亮度不足(小於400)時，閃爍紅色 LED 警示。

Step 2：(範例：S4A_Sensor_Board_17.sb2)
利用光源感測器(A1)的偵測值，判斷光線的明暗，當亮度大於620時，關閉 LED燈。當亮度不足(小於400)時，開啟LED 燈。

Step 13: 偵測聲音的大小數值

在 S4A Sensor Board 的 A2 腳位，設有一個類比埠的麥克風，可以透過麥克風的聲音輸入，偵測聲音值得大小。

Step 1：(範例：S4A_Sensor_Board_18.sb2)
讀出麥克風 (A2) 的偵測值，將麥克風偵測的聲音大小數值顯示在舞台區。

Step 14: 聲控開關

延續上一個單元 (Session 09)，利用麥克風偵測的聲音值，判斷值得大小，作為啟動 LED 燈的開關。

Step 1：(範例：S4A_Sensor_Board_19.sb2)
利用麥克風 (A2) 偵測聲音的大小，當聲音大於開燈預設值 (範例：300) 時，讓LED (D10) 燈亮起來。
利用麥克風 (A2) 偵測聲音的大小，當聲音小於關燈預設值 (範例：200) 時，讓LED (D10) 燈熄燈。

Step 15: 控制舵機 (Servo) 角度

這個 Session ，我們將學習控制外接的傳感器：Servo(舵機)，透過指令調整舵機的角度變化。（範例舵機型號 SG90 或 SG90）

Step 1：(範例：S4A_Sensor_Board_20.sb2)
透過動作指令的程式積木，設定不同的轉度角度位置 (範例：20、60、90、180)，讓 Servo (舵機；D4)依序重複變換轉動的角度位置。

注意：
連接 Servo (舵機)時，要注意接線與 S4A Sensor Board上的腳位位置：S(訊號；黃線)、V (5V電源；橘紅線)、G (地線；棕色線)。

Step 16: 製作停車場閘門

Step 1：(範例：S4A_Sensor_Board_21.sb2)
結合 Servo (舵機；D4)與按鍵 (D2) 的程式指令積木，設計一個類似停車場出入口的閘門，透過按鍵 (D2) 控制閘門的開關。 當閘門關閉時，Servo (舵機；D4)的角度位置是在 20 度。

當按下開關，閘門開啟時，Servo (舵機；D4)的角度位置是在 90 度。開啟閘門後，於 10 秒鐘後自動關閉閘門。

Step 17: 利用「變數」控制 Servo 的角度變化

這個 Session 將利用變數來作為 Servo 角度的變化，控制 Sevo 的轉動。

Step 1：(範例：S4A_Sensor_Board_22.sb2)
預設 Servo 的角度起始位置是 0 度，每隔 0.01 秒增加 1 度(時間的設定值可以控制 Servo轉動的平順度)。由於 Servo 的轉動角度只有 180 度 (SG90 或 MG90)，當舵機依序從 0 度轉動到 180 度時，回到 0 度，重複步驟轉動。

Step 18: 利用電位器(可變電阻)控制 Servo 的變化

這個 Session 是這一堂課程的最後一單元，利用先前所學的電位器(可變電阻)控制方法，控制 Servo (舵機)的轉動角度。由於電位器(可變電阻)的讀取值是 0~1023，我們將把電位器(可變電阻)的讀取值分成大、中、小三段，作為控制 Servo (舵機)角度的值。

Step 1：(範例：S4A_Sensor_Board_23.sb2)
利用變數設定 Servo (舵機)的起始位置是 90 度，「角度」 作為 Servo (舵機)轉動角度位置的變數，範例設定當電位器(可變電阻)變數的讀取值大於 612 時，Servo (舵機)的角度隨讀取值增加而增加。 反之，當電位器(可變電阻)變數的讀取值小於 412 時，Servo (舵機)的角度隨讀取值減少而角度變小。

Step 2：(範例：S4A_Sensor_Board_24.sb2)
承Step 1，利用副程式的概念，設計警示燈號，當 Servo (舵機)的角度達最大值時，亮綠色(D11)燈號。當 Servo (舵機)的角度達最小值時，亮紅色(D10)燈號。

設計一副程式語法關閉程式。

Step 19: 練習 (Workshop) 02

請你利用前面所學過的程式經驗，設計一個光感應自動開啟或關閉窗簾的裝置。

Step 1：(範例：S4A_Sensor_Board_25.sb2)
利用光感應器(A1)感測光源的大小，當光線的亮度大於 612 時，關閉燈(D11)，並且打開窗簾(motor 4)，直到設定條件停止(角度=179)。

當光線的亮度小於 200 時，打開燈(D11)，並且關閉窗簾(motor 4)，直到設定條件停止(角度=0)。

Step 20: 课程补充资源！

教学资源网站：

1. SCRATCH-TW (http://scratch-tw.strikingly.com/)
2. 阿玉Arduino研究區-05Transformer ( https://sites.google.com/site/studyarduino/05transformer )
3. kodorobot 宇宙機器人 ( http://www.kodorobot.com/ )

補充教材：

1. Scratch2.0(邱文盛老師)
2. Scratch2.0+Transformer(邱文盛老師)
3. Scratch2.0 + Transformer(阿簡老師)