Scratch與WeDo的深入瞭解

WeDo的探奇心得

 

緣起

 

原本是為了瞭解Scratch是否可以控制NXT，決定從Scratch著手，先弄清楚Scratch控制WeDo的方式。再依樣畫葫蘆試試，不料卻有了一些意外的發現。

 

從一般經驗推論，WeDo不過是另一種形式的NXT。WeDo的USB Hub就相當於NXT主機，差別在於WeDo Hub由PC直接控制，當然還需要由USB連線及供應電源。

 

想對Scratch有深入的認識必須經過一番努力，還好MIT已經公開Scratch的原始程式碼（真是造福大家！），也同時公布Scratch Plugin，想必應該很單純。豈知事情不是像”我這個憨人”所想得那麼簡單！

 

SmallTalk

 

在念書的時代就聽聞過這個物件導向語言SmallTalk，也隱約知道是一隻小老鼠（Squeak），直到今天才真是開了眼界，沒錯！Scratch就是用Smalltalk完成的。雖然各種程式語言的特色不盡相同，程式語法也有所差異，但是需要清楚地瞭解各部分的功能，簡直就是劉姥姥進大觀園，眼花撩亂（外加目瞪口呆！）。

 

還好事件驅動的特色使事情比較容易理解。加上有人在網路上提供資源，很幸運地釐清了SmallTalk VM的運作方式。

 

關於如何在Scratch修改新增Block，請有興趣的同好可以參考ItchBot(http://www.richardgoyette.com/ItchBotsMain.html)以及Flip(http://scratch.mit.edu/projects/Jens/75626)的說明。

 

 

WeDo的電子零件設計

 

        過去我對於WeDo的瞭解總是侷限於樂高積木和電子零件的結合，也或許是因為過去工作經驗的關係，總認為這只是自動控制的『小玩意』。從外觀及功能上來看的確是如此，但是內部的設計理念（包含WeDo及Scratch）卻是非常複雜，因為這牽涉到孩子如何學習，如何累積經驗及知識，如何避免太多的干擾（有點像是盡量減少科學實驗的變因）。現在稍微能夠體會MIT Media Lab成員的真正想法。

        先從WeDo的Hub說起，採用USB設計，隨插即用（熱拔插），插入電腦後作業系統自動辨識出『USB人性化裝置』，使用內建驅動程式（不用另外安裝），這樣也正好配合OLPC的觀念，方便易用。順道一題，Scratch也可以支援小型筆電的較低解析度，真是MIT的精心考量。

 

WeDo Hub只有兩個接頭，說明只能同時使用兩種電子元件，還具備自動偵測感應器種類及馬達的功能，充分保護感應器元件，也符合孩子操作的簡單直覺觀念。不論使用那個感應器，不用理會插在Hub的左邊還是右邊；也不會因為指令輸出錯誤，造成馬達或感應器的損壞。

 

根據Scratch原始程式碼的分析，它應該利用感應器及馬達內部電阻的特性，辨識不同種類的感應器，（探奇推想是利用四芯接線的其中兩條），除了傾斜感應器（tilt）及距離感應器(distance)，還預留一個Light block的編號。

 

傾斜感應器及距離感應器都是讀取感應器原始數值後換算為Scratch顯示的數值，例如距離感應器為0-100，傾斜感應器為0-4的整數值。

 

在WeDo的應用中，大部分的模型設計只使用一顆馬達，或是一顆馬達加上一個感應器。讓WeDo模型具備實體輸入及實體輸出的功能。當然也可以將實體輸入擴充為同時使用兩個感應器，孩子不必擔心哪一種感應器需要放在Hub的哪一個插座，因為Scratch已經在幕後做好準備。

 

這些自然是MIT為了降低孩子學習難度的貼心設計，也是Scratch支援weDo計畫中很重要的一項特性。

 

對WeDo的突發奇想

 

        既然發現Scratch內部預留Light Block的使用，那麼如果把我的8293拿出來，配合WeDo的使用，不是可以有更多的變化嗎？！

 

        8293是樂高PF馬達組，零件包含9V電池盒，PF馬達一顆，LED燈泡積木（兩顆燈），這些都是拿來測試的好東西。

 

        首先想到的是使用9V的電池盒驅動PF馬達，印象中也認定PF馬達是需要9Ｖ電源。那麼WeDo Hub從USB得到電源，不是只有5V嗎？如何驅動PF馬達呢？測試發現PF馬達使用電池盒的轉速較高，接上Hub的轉速比較慢。

 

        接著測試可以接上燈泡積木嗎？答案是沒有作用。再試著將燈泡積木疊在馬達接頭上面，想說如果啟動馬達也會同時點亮電燈，結果還是無法啟動。但是當單獨接上馬達，利用指令讓馬達轉動，馬達轉動後，將燈泡積木接頭疊在馬達接頭上面時，燈泡會同時發光，這表示電源是正常供給的。也同時印證了我的推測，燈泡積木改變馬達原本的電阻值，使得Scratch無法辨識接上去的是哪一種電子零件，所以跟本不會啟動馬達。

 

        這種自動辨識感應器種類的技巧，也阻止了另外一種可能的應用，使用轉換線轉接NXT的類比感應器，接在WeDo Hub上使用。因為無法通過Scratch的辨識，Scratch不會對任何不明感應器送出命令。

 

        那麼可以同時接上兩顆馬達嗎？答案是可以的，不過Scratch的設計是讓兩顆馬達同時動作，無法分開控制。

 

        同時接上兩顆不同的感應器呢？答案是OK的，一顆傾斜感應器，一顆距離感應器，可以同時接收感應器的值，操控Scratch舞台上的角色也很有趣喔！

 

再來一題，接上兩顆相同的感應器（例如兩顆距離感應器），可以分別正常接收數值嗎？我沒有第二套WeDo，所以無法測試，不過依據Scratch程式碼的寫法應該會受到干擾。還請各位老師幫忙測試回覆喔！

 

Scratch大冒險（大亂搞）

 

        Scratch的設計為事件導向，舞台及不同的角色都由獨立的事件觸發，就好像現實世界，每個人各司其職，這樣的直覺式設計，相當於同時間的多工進行，各個角色之間可以使用變數傳遞訊息。那麼實體的輸出角色也可以分開嗎？

 

        雖然目前的測試發現同時接上兩顆馬達，兩顆馬達的動作是一樣的，同時轉動，同時停止。不過只要改變程式碼，就可以分別控制兩顆馬達。

 

        探奇做了一些嘗試後，為兩顆馬達（編號為A，B）單獨寫出控制命令，可以獨立開關。這些新增的程式命令當然無法在原始的Scratch執行，只能在修改開放程式碼的版本使用，只有英文版。

 

        有了單獨一顆馬達的控制，我們可以在WeDo的模型增加另外的動件。例如鱷魚不再只有嘴巴可以動，尾巴也可以單獨動，可是要犧牲距離感應器的功能。

 

冒險後的結論

 

        在一個好產品的設計背後，一定有很強的設計理念支持。WeDo及Scratch都是這樣的好設計，也是因為有MIT的加持。反觀NXT，特別是NXT-G，雖然有資料流及多工的概念，但為了簡化使用上的困難，限制命令方塊放在順序橫軸上，反倒不容易做出比較複雜的設計。加上圖形化介面的顯示延遲，還有佔據龐大記憶體的缺點，真希望NI能跟Tufts或MIT好好請益。（其實他們的關係很密切喔！主要還是設計者的想法）

 

        NXT因為需要驅動程式，所以Scratch可能可以使用序列埠通訊方式傳送命令，控制NXT，但是需要時間研究。

 

        如果短時間之內有這個需求，倒是可以透過Scratch Connection，以網路廣播傳遞變數的方式，撰寫JAVA或Python居中協調。

還希望有興趣的同好一起討論喔！