實戰Scratch x Arduino運算思維能力養成

Chapter 1 認識程式
Chapter 2 探索Scratch
Chapter 3 認識座標與角色
Chapter 4 計算機計算器
Chapter 5 萬花筒
Chapter 6 大風吹
Chapter 7 動畫故事
Chapter 8 撿球的貓
Chapter 9 馬路如虎口
Chapter 10 用動畫說故事
Chapter 11 打地鼠遊戲
Chapter 12 用音樂說故事
Chapter 13 天降神兵
Chapter 14 誰釣的魚最重
Chapter 15 認識Arduino
Chapter 16 紅綠燈
Chapter 17 火災警報器
Chapter 18 夜間警衛
Chapter 19 搖桿迷宮
 

序

　　拜網路與資訊科技之賜，各式行動資訊設備與物聯網正如火如荼的展開另一波的世紀革命，各國也體悟此科技浪潮，為了維持國家整體的競爭力優勢，開創更多的可能性，全力發展STEM教學策略，並將程式設計的學習課程，向下延伸到國小，甚至幼兒園基礎教育階段，由國家制定相關運算思維程式教育推廣方案與應用教學，讓學童能從小學習如何透過程式與資訊設備溝通，俾便掌握未來的生存與話語權！

　　學習程式語言不是熟記硬背下各式語法！教育部在107年度課綱中，將程式語言的學習課程列入國中的正式課程中，國小則強調以培養學生運算思維之能力為主軸！藉由運算思維的培養，打好國中學習程式設計時的基礎！接踵而來的問題是，什麼是運算思維？它和程式設計與程式語言學習有什麼關連？如果在現行的國中小課程中再加入這些課程，會不會更增加學生之學習負擔並排擠其他課程之學習！在不變動現有的國小課程中，是不是可以將運算思維的概念融入來進行教學，讓學生在學習完即有的課程之後，就可以建立好相關的基礎能力，讓國中進行正式的電腦與程式設計課程時，能事半功倍學好程式設計！運算思維又和現在的電腦學習以及程式學習有什麼關連？它是不是另一種資訊融入教學？國中小非資訊本科系的教師，如何在此浪潮下掌握運算思維之概念與技巧進行課程教學！許多非資訊科系的教師，在閱讀目前許多指導運算思維的文章時，發現將原本已經夠抽象的運算思維，變得更抽象，能不能用非常簡單淺顯的說法來學習運算思維的概念呢！在此提出最基本的六大法則，讓非資訊科系的教師和學生能在最短的時間內，具體的習得基礎的概念並將其轉換運用在一般日常生活課程上！

　　第一招：可預測性與邏輯性
　　這是運算思維與程式設計裡，最核心也是最基礎的概念與訓練，在國小自然領域裡，能形成預測式的假設，相同的操作會有相同的結果，透過可預測性建立電腦邏輯概念。例如國小三四年級自然科技領域中力與運動，能力指標定義知道要表達物體的「位置」，應包括座標、距離、方向等資料。這種透過位置的預測來進行可預測性與邏輯性是容易且可行的，code.org網站就有許多的學習範例是以這種遊戲人物位置的改變來學習基礎觀念。事實上這些案例都可以在日常生活中舉手可得，諸如天上一堆烏雲就表示可能要下雨了，出門就要帶把傘；把手放在火的上方，越靠近會越熱，甚至會燒燙燒等等。

　　第二招：演算法
　　在這裡指的，不是僅針對資訊科系學的那種複雜的二元樹排序法、加解密演算法等等，請特別注意，它不是指某個計算公式，而是完成指某件事的一系列有序的方法，可以說是廣義的演算法，例如做餅乾的方法、汽車導航系統（最短或是最快路徑）、各式實驗的步驟方法等，其實在現有課程中，各種的自然實驗就是廣義的演算法，它早就存在了。

　　第三招：解構
　　處理大型專案必備良藥，也就是將演算法程序再度細分，讓工作更細緻化精確化，這樣可以確保合作與分工，這種解構的訓練，例如語文領域將故事利用5W1H法細分，透過誰？何時？何地？何事？何物？做什麼？指導學習者將故事解構！也可以把自然科實驗過程解構，再解構！透過這個過程更了解完成事物的有序方法（演算法）

　　第四招：歸納模組化
　　說白一些，解構的目的就是找尋相似性的事物給予重構，也就是進行模組化的作業！模組化的主要目的，就是利用電腦的可快速可重複執行的特性，將執行的過程給予函數模組化，讓它達到可重用性！這是正式的程式設計中很重要的一環！很抽象？我們以節奏教學為例，我們可以利用節拍讓尋找同樣的節拍，再將節拍重組產生更多且不同的節奏！再例如透過5W1H法解構出來的物件進行重組，就可以產出無數的新故事出來！事實上，未來就是要將這些化為程式物件的方法或函數，達到快速且重複執行的優勢！

　　第五招：抽象化
　　這是最難的部份，必須能具有模組化（概念化）的觀念之後，才能更進一步的指導！例如麵包機就是一種抽象化之後的具體機器！市面上有很多種不同廠牌的麵包機，只要把原料放進去，啟動電源，就會做出麵包！程式設計也是類似的抽象化概念，例如將一個圖檔傳入一個壓縮類別的函數中，它就會產出一個壓縮好的檔案，這個壓縮就是一個抽象化的函數庫！

　　第六招：評價
　　評價是一門藝術，並不是正確完成即可，它其實可以考慮的因素非常的多，諸如價格、效能、投入產出比、最快、最少資源、最節能等等，通常它不會有一個唯一答案，而是依需要會有不同的最佳解決方案。

　　以上這六招，以簡單輕鬆的角度來認識這個運算思維概念，做為日後學習的基礎！為能熟悉並應用此運算思維理念，須建構完整的運算思維程式設計鷹架課程，讓學生得以由淺入深、由點而面、由具體而抽象，透過此完善鷹架課程，深化程式設計力，培育國家廿一世紀的科技人材！

　　本書透過Scratch以及Arduino的課程，培養初學者能夠從實作中習得運算思維及物聯網的基本概念，書中的內容皆以實際的範例為主，以程式六力（敘述力、變數力、邏輯力、重複力、模組力及抽象力）為主軸，並配合初級的系統開發的架構概念，讓學習者不光是學到Scratch與Arduino的語法與操作，更可以在此基礎概念下，踏入學習其他正式文字形的程式語言（如Python、Java或C++）。

　　在此感謝彰師大吳志文老師，開發一套適合初學者使用的Arduino感測器套件及擴充版，配合擴充版可以讓初學者避開使用傳統的麵包版接線方式，減少接線錯誤，大大增加學習的樂趣。本書使用的套件盒就是志文老師的心血結晶。

　　最後期望本書能夠帶給大家一個豐富而有趣的Scratch與Arduino程式之旅。