趣味掌控板编程

内容提要

本书以国产开源硬件掌控板为载体，采用图形化编程的方式，通过12个项目，介绍编程的基本知识，以及掌控板上的OLED显示屏、按键、触摸键、RGB灯、蜂鸣器、声音传感器、光线传感器、三轴加速度传感器、Wi-Fi等的功能及使用方法。

本书采用项目式教学方式，在课程中融合了科学、技术、工程、数学等学科知识，渗透STEM教育理念，初步培养读者的跨学科学习及解决问题能力。

本书充分考虑初学者在学习中的难点和痛点，用对话的创新形式展开每课的内容，力争做到看着不累，学着有趣，以及“急你之所急，想你之所想”。本书适合5~8年级编程初学者自学，也适合中小学和培训机构的信息技术教师、创客教师教学使用。

序

硬件创造与计算思维

最近一年，我的主要精力都放在计算思维的理论研究和表现性评价的实践中。计算思维显然是具有时代特征和烙印的，不同时代下计算思维的重心不同。在人工智能时代下，计算思维已成为一种重要的素养，因为它可以帮助我们与身边越来越多的智能体互动协作。信息的处理即计算，人们利用信息获取物质和能量的现象在生活中比比皆是：查阅计算出的天气预报结果而非实地考察，查询实时交通情况而非亲自统计路况，网上购物而非逛购物中心。科学的飞速发展和技术的全面应用让计算思维教育成为必然的需求，因此各国的课程标准都非常重视计算思维的培养，我国的信息技术新课标也不例外。

思维的培养少不了两个重要的土壤：环境和动机。环境理论非常复杂，这里我们仅关注的是智能硬件这一要素，也就是本书的主要载体——掌控板。从Papert建造主义的理念讲，理解的关键是动手创造，通过制造和设计来学习。掌控板是一个非常优秀的计算系统，因为和单纯的编程相比，它与物理世界的互动能力更强，也因此具备更强的制造属性。或许你和我一样在小的时候对各种电子设备的构造很感兴趣，好奇其运行原理。掌控板可以在一定程度上打开黑盒，让你通过指令精准地控制信息，实现自己的创意，与物理世界互动。从动机上来说，思维的培养缺少不了真实的情境，好的情境能够带来有趣的问题和持续的探究。从这本书为读者准备的项目来看，音乐盒、声光控灯、计步器等都与生活关联紧密，读者可以通过有趣的项目激发创作的动机。

计算思维还有一个神奇的“功效”，那就是它可以很好地锻炼逻辑思维、批判性思维、创造性思维。从思维结构理论来看，任何领域的思维教学活动都可以培养上述思维品质，但在计算思维的世界中，这一点尤其明显。在编写程序时，学习者要仔细思考每一个步骤的逻辑，还要关注整体性、系统性、层次性，这就是对逻辑思维的培养；在程序调试时，学习者要不断反思自己的问题出在哪里，这就是对批判性思维的培养；在创作项目时，学习者会不断实现自己的创新想法，挑战更难、更真实的项目，这就是对创造性思维的培养。显然，掌控板作为计算思维培养工具，对学习者的思维提升也大有裨益。当我们使用它造物时，思维便可以得到充分锻炼。

回想2014年初，我进入STEM教育圈的契机正是接触和掌控板同属于开源硬件的Arduino。即使当时已学习编程多年，但第一次成功控制LED灯闪烁效果的造物欣喜感仍记忆犹新。从简单的IO项目到复杂的物联网应用，开源硬件的低门槛创造特性帮助更多创造者构建自己的应用，架起创意和实物的桥梁。

本书选用的掌控板和mPython都是低门槛造物利器。作为一本入门级图书，本书对初学者来说非常友好，能够带领初学者熟悉硬件世界。曾老师一线教学经验丰富，循序渐进地通过多个项目阐述计算概念、计算实践和工具的使用方法。课程采用PBL的思路，程序步骤清晰，每一课都有情境引入和课后练习。本书还设置了知识拓展、拓展任务等发散思维环节，这有助于创造性思维的培养。我相信这是一本数字造物的入门佳作。欢迎你来到硬件世界，做好准备在编程命令和小小电流塑造的创意空间中漫游吧！

李泽

计算思维爱好者

《Scratch高手密码》《计算思维养成指南》作者

2021年11月8日

前　　言

一、编写背景

从最近几年国家出台的各项教育政策不难看出，编程类课程不断受到国家的重视和推动。掌控板作为一种国产开源硬件，用于编程教学是非常好的载体，全国各版本的高中信息技术选修教材《开源硬件项目设计》几乎都选用掌控板作为开源硬件。

笔者长期从事高中信息技术、通用技术、创客教育，在开源硬件教学中采用掌控板作为载体，在教学过程中发现市面上适合中小学教学，尤其是培训机构教学使用的有关掌控板编程的教材很少。笔者在学习和教学实践中不断摸索，逐渐萌生了编写本书的想法。

希望本书能方便读者自学，更能方便广大信息技术教师、创客教师进行教学。希望通过本书，能让更多的学生和教师入门编程、成为创客，在心里种下一粒小小的种子，在未来成长为优秀学生、优秀教师，也希望自己能为编程教育和创客教育普及贡献一点绵薄之力。

二、适用对象

本书适合5~8年级编程初学者自学，也适合中小学和培训机构的信息技术教师、创客教师教学使用。

三、教学理念

本书中的内容基于一个编程零基础的学生学习编程的认知规律，从日常生活中的问题、需求、场景等切入，激发读者求知欲和好奇心，引导读者主动思考、主动学习、主动探究。探究过程中允许试错，鼓励大胆尝试，鼓励“先行后知”，在产生错误、发现错误、纠正错误、反思错误、避免错误的过程中习得相关知识和技能。

本书主要采用项目式教学（PBL）方式，全书共13课，除第0课以外，每课都设计了一个贴近生活的项目，在完成项目的过程中，穿插介绍知识与技能，让读者在学习过程中不断地在设计师、工程师和普通用户之间切换角色，引导读者时时处处为用户着想，体现“以人为本”的设计思想，在不知不觉中掌握每课内容，提升核心素养，成为富有人文情怀的小创客。

本书秉持“做中学，学中做”的实践与理论并重的教学理念，以任务驱动、问题引领的方式，激发学习内驱力。同时，书中渗透了STEM教育理念，强调跨学科学习，在学习编程之外，还要学习物理、数学、地理、音乐、数学、工程等学科知识，通过知识拓展和拓展任务，开拓视野、发散思维，努力引导读者真正做到学以致用，先行后知，知行合一。

四、使用说明

1. 软硬件环境

● 软件：mPython 0.6.0及以上版本。

● 操作系统：Windows 7或Windows 10，64位操作系统。

● 掌控板硬件：推荐购买掌控板2.0+数据线套装，如果条件允许，建议直接购买掌中宝2.0（掌控板2.0+拓展板，送硅胶套和数据线）。可以和掌控板搭配使用的拓展板有很多种，本书使用掌中宝（也叫掌控宝）套件。

掌中宝（掌控板+拓展板）

2. 学习建议

（1）自学。建议按照课时顺序阅读，遇到问题或挑战任务时先自己思考、尝试，没有思路或需要“参考答案”时再继续往下看，不要直接照着“小白同学”的程序“抄”，这样就失去了学习和探究的乐趣，学习效果也会大打折扣。

（2）教学。教学时长：建议培训机构每次课90分钟，中小学校把每个项目分为两课时（每课时40分钟），每课时完成一个任务，有条件的学校每次连上两节课，完成本书一课内容。

教学条件：每人一台计算机，每人一套掌中宝，条件不足的学校可2 ~ 4人一组。

五、 栏目设置

序号	栏目名称	设计意图
1		导入课程，激发好奇心与求知欲
2		将项目分解为若干任务和挑战，在完成任务和挑战的过程中，习得相关知识和技能，建议先自己尝试完成任务，再看小白同学是怎么做的
3		介绍新知识及与项目相关的知识
4		一些值得思考和尝试的任务需要课后抽空完成，希望学有余力的读者尽量尝试完成
5		以思维导图的方式梳理每课的知识体系
6		强烈建议在学习过程中同步填写，当然也可在课后作为检验教学效果的评价依据，也便于梳理和巩固每课的核心知识

六、人物设定

本书有两位人物全程陪伴你一起学习，他们是小白同学和创客曾老师，下面就请他们做个自我介绍。

我上5年级了，平时喜欢动手制作一些小玩意儿，特别喜欢玩有电的东西（当然，我会特别注意用电安全的）。我发现生活中很多带电的东西是用程序控制的，如电梯、停车场、智能家用电器等。如果我也会用程序控制各种电动的小玩意儿，那一定特别好玩！所以我最近特别想学编程，想通过编程控制各种电动的小玩意儿，学校老师建议我去做创客。

其实我最大的爱好就是“问问题”，我脑子里经常会有各种奇奇怪怪的想法，经常问得老师和家长答不上来，令他们很尴尬。我最近认识了创客曾老师，这个老师不怕问问题，而且什么都懂，好厉害的样子。他答应教我学掌控板编程，我好开心啊！

我曾教过10年高中信息技术、通用技术课，2016年开始钻研创客和创客教育。我平时喜欢研究各种东西，学习各种新技术，喜欢爱问问题、思维活跃的学生，我独立研发过少儿编程、趣味掌控板编程、3D设计与3D打印、CAD与激光切割造物、Python编程、趣味科学实验、乐高科技与机械等多门课程，我的学生们都挺喜欢的，希望你也能喜欢！

就让我带着小白同学和大家一起来学习《趣味掌控板编程》吧，它适合5 ~ 8年级编程零基础的学生。只要你有一台计算机，有一块掌控板，就可以开启掌控板编程学习之旅了。在本书中，你将掌握掌控板上的主要板载硬件，通过完成一系列有趣的项目，掌握掌控板的一些基本操作、基本编程思想、基本电子知识，并能做出各种各样有趣又好玩，还有实用价值的小作品，成为一个初级小创客！

七、相关资源

本书涉及的所有程序和项目手册等资源都可以免费下载（下载方法见图书封底），有任何问题都可以在论坛互动专区进行交流，也欢迎大家积极分享自己的作品，与其他学习者碰撞出更多思维的火花。

八、致谢

感谢DF创客社区、盛思掌控板论坛、知识星球STEAM&创客教育能量站中广大网友和教师分享的各种优秀的案例和教程；感谢吴俊杰、朱现伟、康留元编写的创客教育普惠课程STEM之mPythonX@BEST课程掌控板，刘金鹏、裘炯涛、王小华编写的《来吧，一起创客》，李泽、陈婷婷、金乔编写的《计算思维养成指南》。这些案例、教程和图书给了我很多帮助和启发，让我能快速掌握掌控板，并将其运用到教学实践中，最终才能使本书得以成形。

感谢乌鲁木齐斐翔教育刘斐校长、陈刚副校长在我平时的教学中给予的大力支持，使我在教学中有任何想法和需求都能得以实现和满足。

感谢我的恩师——新疆师范大学刘卫军老师给我的点拨和帮助，使我在遇到困难时能够得到专业的指导和建议。

最后要真诚地感谢我的家人对我的支持和鼓励，没有他们，我可能没有勇气写这本书，没有他们的分担，我也无法抽出足够的时间完成本书，但是为了完成本书，我也失去了很多陪伴他们的时间和机会，如果本书能得到广大读者的认可，也许是对他们最大的安慰和回报。

由于本人能力有限，书中若存在错误和瑕疵，恳请广大读者批评指正，谢谢！

曾海威

2021年10月

第0课　课前准备

任务1：掌控板是什么？

掌控板是创客教育专家委员会、猫友汇、广大一线教师共同提出需求并与创客教育行业优秀企业代表共同参与研发的教具、学具，是为编程教育教学“量身定制”的开源硬件，其功能结构如图0-1所示。

图0-1 掌控板及其板载设备

表0-1 掌控板板载设备及功能

掌控板是一个可玩性、可拓展性非常强的微型掌上电脑，集多种传感器、感应器于一身，配备一块OLED屏幕，支持Wi-Fi和蓝牙双模通信，可作为物联网节点，实现物联网应用。同时，掌控板支持主流的图形化编程软件及Python代码编程，可实现智能机器人、创客智造作品等智能控制类应用。利用掌控板上丰富的传感器，结合它尺寸小的特点还可以制作很多智能穿戴、电子饰品等各种DIY作品应用。掌控板可以帮助用户通过编程和制作将想法变为现实。掌控板还可以外接各种设备，如图0-2所示。

图0-2 掌控板外接设备（需要用到拓展板）

任务2：如何控制掌控板？

掌控板的编程软件有很多种，常见的有盛思的mPythonX和mPython、DFRobot的Mind+、北京师范大学的Mixly等。本书以mPython作为编程软件进行教学，因为它有仿真功能，可以模拟掌控板进行一些简单程序的测试，还有科学探究功能，可以快捷生成实验数据。mPython既有适合初学者学习的图形化编程模式，又支持适合高阶用户使用的代码模式。在拖曳图形化编程积木时，会自动生成Python代码，而Python是近几年发展非常迅速，在全球很受欢迎且应用广泛的一种编程语言，所以使用mPython对学习Python也有一定帮助。综合各种因素，本书选择使用mPython作为编程软件，用来给掌控板编程，控制掌控板完成各项任务和挑战。

mPython分为普通模式（见图0-3）和教学模式（见图0-4）两种模式，可以自由切换，本书以普通模式为例进行介绍。

图0-3 mPython编程软件界面（普通模式）

图0-4 mPython编程软件界面（教学模式）

图0-5 打开夜间开关后的界面