实战Scratch x Arduino运算思维能力养成 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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本书由Scratch与Arduino两部份组成，借由动手做的过程，培养运算思维的能力。利用上手门槛低，可以轻松自学的Scratch积木式程式语言，培养关键的程式六力（叙述力、变数力、逻辑力、重复力、模组力、抽象力）为主，透过每单元的实际范例，让学习者可以学习到此关键六力，并透过实际操作学会Scratch积木程式语言，为日后学习其他程式语言打好基础。

　　在建立Scratch程式基础后，后面的单元章节介绍Arduino与各式零组件的基础知识与整合运用，透过日常生活中的实例，如红绿灯、居家安全侦测（热敏电阻、光敏电阻、红外线、蜂鸣器等）及游戏摇桿等从做中学的单元，快速的掌握Scratch与Arduino的协同工作能力，也同时学习现今各式感测器的基础原理，培养软硬体整合的能力。

好的，这是一本关于软件开发与硬件控制的综合性技术书籍的简介，侧重于Python编程、树莓派应用、嵌入式系统基础以及物联网项目实践，内容详实且深入。 --- 《Python驱动的嵌入式系统开发与物联网实战》 书籍定位与目标读者 本书旨在成为连接软件编程与物理世界交互的桥梁。它深入剖析了如何利用现代化的编程语言和强大的微型计算机平台，构建出具有感知、决策和执行能力的智能系统。本书适合有一定编程基础（特别是对Python语言有初步了解）的工程师、创客、电子爱好者、以及希望将编程技能应用于实际硬件控制领域的计算机科学或电子工程专业的学生。 本书不涉及Scratch或Arduino，而是专注于更高级、更贴近工业级应用的开发工具和平台，帮助读者完成从概念设计到实际部署的全流程技术转化。 第一部分：Python在嵌入式系统中的基础构建 第一章：Python基础与嵌入式环境的适配 本章首先回顾了Python 3.x的核心特性，重点讲解了面向对象编程（OOP）在构建复杂系统中的应用，如类、继承和多态。随后，内容转向如何优化Python代码以适应资源受限的嵌入式环境，包括性能分析、内存管理技巧，以及使用轻量级库替代大型框架的策略。我们详细介绍了虚拟环境的设置与管理，确保项目依赖的隔离性与可移植性。 第二章：Linux与命令行下的Python程序部署 树莓派作为核心开发平台，其操作系统是Linux。本章将全面讲解Linux基础操作，包括文件系统结构、权限管理、进程控制（`systemd` 服务管理）以及网络配置。重点内容是如何编写自启动的Python脚本，以及使用`cron`进行定时任务管理。此外，我们将探讨如何使用`subprocess`模块安全地执行系统命令，实现软硬件的深度集成。 第三章：高效的I/O操作与设备驱动接口 在嵌入式开发中，高效地读写硬件寄存器和接口至关重要。本章将深入讲解Linux内核的设备树（Device Tree）概念，以及Python如何通过标准库或第三方封装库（如`RPi.GPIO`的进阶用法或更底层的`/dev/mem`访问概念）来控制通用输入/输出（GPIO）引脚。我们将详细分析I2C、SPI和UART这三种主要串行通信协议的工作原理，并提供成熟的Python代码示例，实现可靠的数据交换。 第二部分：核心硬件平台——树莓派的高级应用 第四章：树莓派的多核与异步编程实践 现代树莓派拥有多核处理器，充分利用并行能力是提升系统响应速度的关键。本章对比了Python中的多线程（`threading`）和多进程（`multiprocessing`）模型，并着重介绍了`asyncio`框架在处理大量并发I/O操作时的优势。我们将设计一个高并发的数据采集服务，演示如何使用异步非阻塞操作来维持系统的高性能。 第五章：图形用户界面（GUI）在嵌入式系统中的实现 对于需要本地交互的设备，一个轻量级的GUI是必要的。本章不使用臃肿的桌面环境，而是聚焦于专为嵌入式设计的GUI库，如`PyQt5`或`Tkinter`的轻量化配置。我们将构建一个集成了实时数据显示和用户控制面板的本地操作界面，并讨论如何优化GUI的渲染性能，以适应树莓派的图形处理能力。 第六章：摄像头与图像处理的实时应用 利用树莓派的专用摄像头模块（CSI）或USB摄像头，本章将进入计算机视觉领域。内容覆盖使用`Picamera2`库进行高效视频流捕获，并利用OpenCV for Python进行实时图像处理，例如运动检测、目标跟踪和基础的特征提取。所有处理流程都将在嵌入式平台上本地完成，强调低延迟的实现。 第三部分：物联网（IoT）集成与数据通信 第七章：网络通信协议与数据序列化 物联网的核心在于可靠的数据传输。本章详述了网络编程基础（TCP/IP套接字编程），并重点讲解了构建现代IoT应用所需的关键协议： 1. MQTT： 深入解析其发布/订阅模型、QoS级别，并演示如何使用`paho-mqtt`库构建一个低带宽、高可靠性的消息客户端。 2. RESTful API： 如何使用Python的`requests`库与云端服务器进行HTTP通信，实现数据的上传与下载。 此外，本章还详细介绍了JSON、XML以及更轻量级的MessagePack在数据序列化中的应用与选择标准。 第八章：安全通信与数据加密 在物联网环境中，数据安全至关重要。本章讲解了SSL/TLS协议的基础知识，以及如何在Python中使用`ssl`模块或配合MQTT的TLS连接，实现端到端加密的通信。同时，我们将讨论如何在资源受限的设备上安全地存储敏感信息（如API密钥和证书）。 第九章：构建端到端的云平台集成项目 本部分是全书的综合实践。我们将选择一个主流的云物联网平台（如AWS IoT Core或阿里云IoT平台），设计一个完整的解决方案： 传感器数据采集： 使用Python读取环境传感器数据。 数据预处理与安全传输： 在树莓派上进行数据清洗，并通过加密的MQTT协议上传至云端。 云端规则引擎与可视化： 介绍如何配置云服务，接收数据并将其持久化存储。 远程控制反向操作： 演示如何通过云端下发指令，使树莓派执行动作（例如开关继电器），实现双向控制。 第十部分：系统维护、容器化与未来展望 第十章：系统优化、日志与容器化部署 成功的嵌入式项目需要稳定的长期运行能力。本章涵盖了系统健康监控的策略，包括结构化的日志记录（使用Python的`logging`模块）和异常处理机制。最后，本书引导读者了解Docker的基本概念，并演示如何为树莓派构建一个轻量级的Python应用容器镜像，以确保部署环境的一致性和未来的可维护性。 --- 本书承诺： 全书内容紧密围绕Python语言及其在高性能、低功耗计算平台上的应用展开，所有代码示例均经过实际硬件验证，确保读者能够构建出真正可靠、可扩展的智能硬件解决方案。

作者简介

吴绍裳

　　学历
　　* 新竹师专数学组毕业
　　* 新竹师院数理系毕业
　　* 育达商业技术学院资讯管理研究所毕业。

　　经历
　　* 苗栗县教育局资讯教育中心副主任
　　* 苗栗县田美国小教师、苗栗县教育处资讯教育辅导员

　　网站
　　www.facebook.com/DigitalRoadOfFree/
 

Chapter 1 认识程式
Chapter 2 探索Scratch
Chapter 3 认识座标与角色
Chapter 4 计算机计算器
Chapter 5 万花筒
Chapter 6 大风吹
Chapter 7 动画故事
Chapter 8 捡球的猫
Chapter 9 马路如虎口
Chapter 10 用动画说故事
Chapter 11 打地鼠游戏
Chapter 12 用音乐说故事
Chapter 13 天降神兵
Chapter 14 谁钓的鱼最重
Chapter 15 认识Arduino
Chapter 16 红绿灯
Chapter 17 火灾警报器
Chapter 18 夜间警卫
Chapter 19 摇桿迷宫
 

序

　　拜网路与资讯科技之赐，各式行动资讯设备与物联网正如火如荼的展开另一波的世纪革命，各国也体悟此科技浪潮，为了维持国家整体的竞争力优势，开创更多的可能性，全力发展STEM教学策略，并将程式设计的学习课程，向下延伸到国小，甚至幼儿园基础教育阶段，由国家制定相关运算思维程式教育推广方案与应用教学，让学童能从小学习如何透过程式与资讯设备沟通，俾便掌握未来的生存与话语权！

　　学习程式语言不是熟记硬背下各式语法！教育部在107年度课纲中，将程式语言的学习课程列入国中的正式课程中，国小则强调以培养学生运算思维之能力为主轴！借由运算思维的培养，打好国中学习程式设计时的基础！接踵而来的问题是，什么是运算思维？它和程式设计与程式语言学习有什么关连？如果在现行的国中小课程中再加入这些课程，会不会更增加学生之学习负担并排挤其他课程之学习！在不变动现有的国小课程中，是不是可以将运算思维的概念融入来进行教学，让学生在学习完即有的课程之后，就可以建立好相关的基础能力，让国中进行正式的电脑与程式设计课程时，能事半功倍学好程式设计！运算思维又和现在的电脑学习以及程式学习有什么关连？它是不是另一种资讯融入教学？国中小非资讯本科系的教师，如何在此浪潮下掌握运算思维之概念与技巧进行课程教学！许多非资讯科系的教师，在阅读目前许多指导运算思维的文章时，发现将原本已经够抽象的运算思维，变得更抽象，能不能用非常简单浅显的说法来学习运算思维的概念呢！在此提出最基本的六大法则，让非资讯科系的教师和学生能在最短的时间内，具体的习得基础的概念并将其转换运用在一般日常生活课程上！

　　第一招：可预测性与逻辑性
　　这是运算思维与程式设计里，最核心也是最基础的概念与训练，在国小自然领域里，能形成预测式的假设，相同的操作会有相同的结果，透过可预测性建立电脑逻辑概念。例如国小三四年级自然科技领域中力与运动，能力指标定义知道要表达物体的「位置」，应包括座标、距离、方向等资料。这种透过位置的预测来进行可预测性与逻辑性是容易且可行的，code.org网站就有许多的学习范例是以这种游戏人物位置的改变来学习基础观念。事实上这些案例都可以在日常生活中举手可得，诸如天上一堆乌云就表示可能要下雨了，出门就要带把伞；把手放在火的上方，越靠近会越热，甚至会烧烫烧等等。

　　第二招：演算法
　　在这里指的，不是仅针对资讯科系学的那种复杂的二元树排序法、加解密演算法等等，请特别注意，它不是指某个计算公式，而是完成指某件事的一系列有序的方法，可以说是广义的演算法，例如做饼干的方法、汽车导航系统（最短或是最快路径）、各式实验的步骤方法等，其实在现有课程中，各种的自然实验就是广义的演算法，它早就存在了。

　　第三招：解构
　　处理大型专案必备良药，也就是将演算法程序再度细分，让工作更细致化精确化，这样可以确保合作与分工，这种解构的训练，例如语文领域将故事利用5W1H法细分，透过谁？何时？何地？何事？何物？做什么？指导学习者将故事解构！也可以把自然科实验过程解构，再解构！透过这个过程更了解完成事物的有序方法（演算法）

　　第四招：归纳模组化
　　说白一些，解构的目的就是找寻相似性的事物给予重构，也就是进行模组化的作业！模组化的主要目的，就是利用电脑的可快速可重复执行的特性，将执行的过程给予函数模组化，让它达到可重用性！这是正式的程式设计中很重要的一环！很抽象？我们以节奏教学为例，我们可以利用节拍让寻找同样的节拍，再将节拍重组产生更多且不同的节奏！再例如透过5W1H法解构出来的物件进行重组，就可以产出无数的新故事出来！事实上，未来就是要将这些化为程式物件的方法或函数，达到快速且重复执行的优势！

　　第五招：抽象化
　　这是最难的部份，必须能具有模组化（概念化）的观念之后，才能更进一步的指导！例如面包机就是一种抽象化之后的具体机器！市面上有很多种不同厂牌的面包机，只要把原料放进去，启动电源，就会做出面包！程式设计也是类似的抽象化概念，例如将一个图档传入一个压缩类别的函数中，它就会产出一个压缩好的档案，这个压缩就是一个抽象化的函数库！

　　第六招：评价
　　评价是一门艺术，并不是正确完成即可，它其实可以考虑的因素非常的多，诸如价格、效能、投入产出比、最快、最少资源、最节能等等，通常它不会有一个唯一答案，而是依需要会有不同的最佳解决方案。

　　以上这六招，以简单轻松的角度来认识这个运算思维概念，做为日后学习的基础！为能熟悉并应用此运算思维理念，须建构完整的运算思维程式设计鹰架课程，让学生得以由浅入深、由点而面、由具体而抽象，透过此完善鹰架课程，深化程式设计力，培育国家廿一世纪的科技人材！

　　本书透过Scratch以及Arduino的课程，培养初学者能够从实作中习得运算思维及物联网的基本概念，书中的内容皆以实际的范例为主，以程式六力（叙述力、变数力、逻辑力、重复力、模组力及抽象力）为主轴，并配合初级的系统开发的架构概念，让学习者不光是学到Scratch与Arduino的语法与操作，更可以在此基础概念下，踏入学习其他正式文字形的程式语言（如Python、Java或C++）。

　　在此感谢彰师大吴志文老师，开发一套适合初学者使用的Arduino感测器套件及扩充版，配合扩充版可以让初学者避开使用传统的面包版接线方式，减少接线错误，大大增加学习的乐趣。本书使用的套件盒就是志文老师的心血结晶。

　　最后期望本书能够带给大家一个丰富而有趣的Scratch与Arduino程式之旅。

评分☆☆☆☆☆

這本《實戰Scratch x Arduino運算思維能力養成》真的是我近期讀過最讓人眼睛一亮的程式設計入門書了！身為一個在台灣生活、對新事物總是充滿好奇的讀者，我一直覺得程式設計離我們的生活好像有點遠，但這本書卻巧妙地將Scratch那種拖拉式的圖形化編程，與Arduino這個超酷的硬體結合，瞬間就拉近了距離。 我還記得第一次打開書，就被那些生動的插畫和清晰的步驟圖吸引住了。書中從最基礎的Scratch概念開始講起，例如變數、迴圈、判斷式這些核心概念，作者用非常生活化的例子來解釋，一點也不枯燥。像是 Scratch 的角色可以透過簡單的指令來「跳舞」或「對話」，這真的太直觀了！我常常自己玩得不亦樂乎，有時候都忘了時間。 更讓我驚喜的是，書裡面的 Arduino 部分，完全沒有我想像中的那種複雜的硬體線路圖和燒錄程式的恐懼感。作者提供了許多常見的感測器和執行器，像是 LED 燈、按鈕、甚至是一個小型的伺服馬達，並且詳細地教你如何將它們連接到 Arduino 板上。最棒的是，每一個範例都與 Scratch 結合，讓你可以用 Scratch 的邏輯來控制 Arduino 的硬體行為。 我印象特別深刻的一個範例，是利用 Scratch 設計一個遊戲，當你在 Arduino 上按下按鈕時，遊戲裡的角色就會做出相對應的動作。這種「虛擬」與「實體」的結合，真的讓整個學習過程充滿了互動性和成就感。我女兒看到我用Scratch 控制 Arduino 做的東西，也整個被吸引進來，母女倆一起動手做，那種樂趣真的是無價。 總之，這本書不僅僅是教你寫程式，更重要的是在培養解決問題的能力，也就是書名裡提到的「運算思維」。它讓你學會如何拆解問題、分析問題、設計解決方案，然後透過程式和硬體來實現。對於想要培養孩子邏輯思考和創造力的家長，或是對程式設計感興趣但又怕入門難度的成人，我真心推薦這本《實戰Scratch x Arduino運算思維能力養成》，絕對會讓你收穫滿滿！

评分☆☆☆☆☆

最近我入手了《實戰Scratch x Arduino運算思維能力養成》這本書，身為一個在台灣的讀者，我一直對能動手做的科技學習很有興趣，而這本書完全滿足了我的期待。它巧妙地將 Scratch 的圖形化編程和 Arduino 的硬體平台結合，讓程式設計不再只是冰冷的文字，而是充滿了互動性和趣味性。 書中對於 Scratch 的介紹非常扎實，從最基礎的積木指令，像是「移動」、「說話」、「造型切換」，到比較進階的「變數」、「廣播」等，都講得非常清楚。作者用了許多生動的比喻，讓原本可能有點抽象的程式概念變得容易理解。我記得有個範例是讓 Scratch 角色模擬一個迷宮探險，透過簡單的上下左右控制，角色就能在螢幕上移動，這種即時的回饋感，真的非常吸引人。 接著，書裡帶入了 Arduino 的部分，這是我覺得最令人驚豔的地方。作者並沒有把 Arduino 講得非常高深莫測，而是從最基本的 Arduino 板認識、USB 連接、到如何安裝驅動程式，都一一詳細說明。最關鍵的是，書中提供了許多非常實用的感測器和執行器，例如 LED 燈、按鈕、光敏電阻、甚至是簡易的馬達。 讓我印象最深刻的是，書裡有教你如何用 Scratch 來控制 Arduino 的 LED 燈。你可以設計一個 Scratch 腳本，當某個遊戲事件發生時，對應的 Arduino LED 燈就會亮起或閃爍。這種虛擬世界的程式邏輯，能夠直接影響到實體世界的硬體表現，那種成就感和驚喜感，真的是無法言喻。我女兒看到我做的，也躍躍欲試，母女倆一起動手，其樂無窮。 整本書的設計，我覺得最大的亮點在於「運算思維」的培養。它不只是教你照著步驟做，更重要的是引導你思考如何分析問題、分解問題，然後設計出解決方案。透過 Scratch 邏輯的編排，再將這些邏輯與 Arduino 的硬體互動連結，你會發現自己解決問題的能力，不知不覺中就大幅提升了。對於想要從零開始接觸程式設計，又想培養邏輯思考能力的朋友，這本《實戰Scratch x Arduino運算思維能力養成》絕對是個非常棒的選擇！

评分☆☆☆☆☆

身為一個在台灣生活、對新事物總是抱持著高度好奇心的科技愛好者，我最近入手了《實戰Scratch x Arduino運算思維能力養成》這本書，真的讓我大開眼界！我一直覺得程式設計離我的生活很遙遠，感覺是要數學天才或電腦高手才能學的，但這本書完全打破了我的迷思，它用一種非常生動有趣的方式，把 Scratch 的圖形化程式和 Arduino 的硬體操作結合在一起。 書一開始，就非常細心地介紹了 Scratch 這個工具。它用的是拖拉式的程式積木，這對我來說就像在玩樂高一樣，非常直觀，而且不容易出錯。作者從最基礎的「事件」、「動作」、「外觀」這些積木開始講起，一步步引導我們建立程式邏輯。我記得有個範例是讓 Scratch 角色模擬一個時間管理系統，透過簡單的指令，就可以讓角色在不同時間做出不同的反應，那種互動性真的很有趣，讓我對程式設計的枯燥感蕩然無存。 接著，這本書就順勢帶入了 Arduino 的世界。作者在介紹 Arduino 的部分，非常貼心，從基本的板子介紹、如何連接電腦、到最重要的軟體環境搭建，都說得非常清楚。而且，書中提供了許多市面上容易取得的感測器和執行器，像是 LED 燈、按鈕、甚至是一個小型的顯示螢幕，都有詳細的介紹和接線圖。 讓我最印象深刻的是，書中有很多將 Scratch 和 Arduino 結合的實作範例。你可以用 Scratch 設計一個介面，然後透過這個介面來控制 Arduino 板上的 LED 燈顏色，或是讀取 Arduino 上的感測器數據，並在 Scratch 裡顯示出來。這種「虛擬」與「實體」的連結，真的讓我感覺到程式設計的強大之處。我試了一個範例，是利用 Scratch 設計一個簡易的「天氣預報」介面，然後搭配 Arduino 上的溫濕度感測器，即時顯示當下的溫濕度，那種成就感真的很棒！ 這本書最吸引我的地方，其實是它強調的「運算思維」。它不是單純教你模仿範例，而是引導你思考如何將問題拆解、分析、然後設計出解決方案。透過 Scratch 和 Arduino 的實作，你會學會如何透過程式邏輯來控制硬體，這是一種非常寶貴的解決問題能力。對於想要踏入程式設計領域，又希望培養邏輯思考和動手能力的朋友，我真心推薦這本《實戰Scratch x Arduino運算思維能力養成》，絕對會讓你收穫滿滿！

评分☆☆☆☆☆

身為一個對科技產品總是抱持著「試試看」心態的台灣人，我這次入手了《實戰Scratch x Arduino運算思維能力養成》，真的覺得挖到寶了！以往提到程式設計，我總覺得是很遙遠、很學術的東西，但這本書完全打破了我的刻板印象，它用一種非常親民、非常有趣的方式，把 Scratch 的圖形化程式設計和 Arduino 這個熱門的硬體平台巧妙地結合在一起。 我最喜歡的是書裡面循序漸進的教學方式。它不會一開始就丟給你一堆複雜的程式碼，而是從 Scratch 最基本的指令積木開始，讓你了解程式的邏輯。像是判斷式「如果...那麼...」、迴圈「重複執行」這些概念，作者都用非常生動的例子來解釋，我常常看著看著就自己動手在電腦上試驗，感覺就像在玩一個有趣的益智遊戲。 而當 Scratch 的基礎打穩了之後，書裡就順勢帶入了 Arduino 的部分。這是我覺得最令人興奮的地方。作者詳細地介紹了 Arduino 的基本板子，還有各種常見的感測器和執行器，像是讓 LED 燈閃爍、讓蜂鳴器發出聲音、感測距離等等。重點是，每一個硬體操作，都與 Scratch 緊密連結。也就是說，你可以用 Scratch 的邏輯，來控制 Arduino 的這些「實體」元件。 我嘗試了書中的一個範例，是用 Scratch 設計一個簡單的「躲避障礙物」遊戲，然後透過 Arduino 上的超音波感測器來偵測障礙物。當感測器偵測到距離太近時，遊戲中的角色就會自動往後移動。這種將虛擬遊戲和真實世界的感測結合的感覺，真的非常奇妙，也讓我深刻體會到程式設計的無限可能性。 這本書最讓我印象深刻的是，它不只是教你「怎麼做」，更重要的是引導你思考「為什麼要這麼做」。透過大量的實作練習，你會慢慢學會如何將一個大問題拆解成小步驟，然後用程式邏輯一步一步去解決。這種「運算思維」的培養，我覺得對我這種從小到大對理工科有點「小疙瘩」的人來說，真的是一個非常棒的啟蒙。總之，這本《實戰Scratch x Arduino運算思維能力養成》絕對是我近期最滿意的一本書，強力推薦給所有對程式設計有興趣的朋友！

评分☆☆☆☆☆

身為一個在台灣生活的普通上班族，對於程式設計一直有點嚮往，但又覺得門檻很高。《實戰Scratch x Arduino運算思維能力養成》這本書，真的是意外地讓我愛上了程式設計！它將 Scratch 那種圖形化的、像是玩積木一樣的編程方式，與 Arduino 這個強大的硬體平台完美結合，讓學習過程充滿了樂趣和成就感。 書的一開始，對於 Scratch 的介紹非常詳盡。作者用了很多生活化的例子，解釋了像是「序列」、「迴圈」、「判斷」、「事件」這些程式的核心概念。我印象最深刻的是，書裡有一個範例是製作一個互動式的故事，你可以設計角色、背景、對話，然後透過簡單的積木指令，讓故事按照你的想法進行。這種創作的自由度，讓我非常驚喜，也讓我更理解程式就是一種「告訴電腦要做什麼」的指令。 緊接著，書就巧妙地引入了 Arduino 的部分。這是我覺得最令人興奮的環節。作者把 Arduino 的基本板子、各式各樣的感測器（像是光線、聲音、距離）和執行器（像是 LED、馬達、顯示器）都介紹得非常清楚，並且提供了詳細的接線圖和說明。重點是，每一個硬體操作，都可以透過 Scratch 的圖形化介面來控制。 我特別喜歡書中一個結合 Scratch 和 Arduino 的範例，是製作一個「智慧照明系統」。你可以用 Scratch 設計一個介面，然後搭配 Arduino 上的光敏電阻，當偵測到環境光線不足時，Arduino 板上的 LED 燈就會自動亮起。這種將程式邏輯與實際的物理世界連結的感覺，真的非常奇妙，也讓我對程式的應用有了全新的認識。 更重要的是，這本書強調的是「運算思維」的培養。它鼓勵讀者從解決問題的角度出發，將複雜的問題拆解成更小的、可管理的步驟，然後運用程式和硬體來實現解決方案。透過一次次的實作練習，你會發現自己解決問題的能力，以及邏輯思考的能力，都在不知不覺中得到了提升。如果你也對程式設計感到好奇，又擔心入門困難，這本《實戰Scratch x Arduino運算思維能力養成》絕對是你最好的敲門磚！