ROBÓTICA UNIDAD 3

ROBÓTICA Y PROGRAMACIÓN APLICADA A LA EDUCACIÓN

FMEM010PO

ÍNDICE

UNIDAD DIDÁCTICA 1. INTRODUCCIÓN: LAS TIC COMO HERRAMIENTA TRANSFORMADORA. 1.1. ¿Cómo nos puede servir para introducir la programación a nuestros alumnos?. 1.2. Aplicaciones de la programación al currículo escolar. UNIDAD DIDÁCTICA 2. ELABORACIÓN DE PROYECTOS. 2.1. Diseño, documentación y partes de un proyecto. 2.2. Elaboración de un anteproyecto. 2.3. Elaboración de una memoria. 2.4. Diseño de componentes: AUTOCAD/ DIBUJO TÉCNICO. 2.5. Impresión 3D. UNIDAD DIDÁCTICA 3. APLICACIONES INFORMÁTICAS. 3.1. Lenguaje de programación: diagrama de flujo. 3.2. Programas de programación. 3.3. Scratch: presentación de la interfaz, manejo del programa, elaboración propia de videojuegos educativos aplicables a todas las áreas del conocimiento. 3.4. Arduino: presentación de la interfaz, familiarización con la placa base, sensores y actuadores, relación del hardware con el software, elaboración de robots sencillos: sigue-líneas, huye-luz.

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UNIDAD DIDÁCTICA 4. INTERNET, BUSCADORES, DIRECCIONES EDUCATIVAS. 4.1. Herramientas de trabajo on line. 4.2. Scratch on line: plataforma para trabajar la programación de forma online, compartiendo nuestros proyectos con otros miembros de la comunidad creamos. 4.3. Bitbloq: Programación on line de robot. 4.4. AppInventor: Programación de aplicaciones para dispositivos móviles. 4.5. Tinkercad: Diseño online de piezas para imprimir en impresoras 3D. 4.6. Repositorios 3D (Thingiverse): Fuente de recursos para impresión 3D.

OBJETIVOS

Objetivo general Ofrecer a la comunidad docente una serie de conocimientos orientados a afianzar sus destrezas formativas en la aplicación de herramientas de programación y robótica para su uso en el aula. Objetivos específicos

• Analizar el potencial de la programación como herramienta didáctica para su integración efectiva en el currículo escolar.
• Estructurar las fases de un proyecto tecnológico, desde el diseño y la documentación hasta la fabricación de componentes mediante impresión 3D.

• Utilizar lenguajes de programación visual como Scratch y Arduino para desarrollar proyectos prácticos, como videojuegos educativos y robots básicos.

• Emplear plataformas y herramientas en línea para el diseño 3D, la programación de robots y el desarrollo de aplicaciones para dispositivos móviles.

UNIDAD DIDÁCTICA 3. APLICACIONES INFORMÁTICAS.

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3.1. Lenguaje de programación: diagrama de flujo.

Un lenguaje de programación está formado por un conjunto de símbolos y reglas semánticas y sintácticas que definen su estructura y significado. El proceso de describir, probar, depurar, compilar y mantener el código fuente de un programa se conoce como programación.

La palabra programación también se define como el proceso de crear un programa de ordenador aplicando procedimientos lógicos, que incluye los siguientes pasos:

• El desarrollo lógico del programa para resolver un problema.

• La escritura de esa lógica en un lenguaje de programación específico (codificación).

• El ensamblaje o compilación del programa a lenguaje de máquina.

• La prueba y depuración del programa.

• El desarrollo de la documentación adecuada.

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3.1. Lenguaje de programación: diagrama de flujo.

Existe un error común al tratar como sinónimos los términos "lenguaje de programación" y "lenguaje informático". El término "lenguaje informático" es más amplio y engloba a los de programación y a otros como HTML, que es un lenguaje de marcado de páginas web y no un lenguaje de programación propiamente dicho. Un lenguaje de programación permite especificar con precisión qué datos debe operar un ordenador, cómo se deben almacenar y qué acciones tomar. Todo esto se hace a través de un lenguaje que intenta ser cercano al lenguaje humano. Una característica importante es que permiten que varios programadores usen un conjunto de instrucciones común para construir un programa de forma colaborativa. Para que un ordenador pueda entender nuestras instrucciones, se debe usar un lenguaje específico conocido como código máquina.

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3.1. Lenguaje de programación: diagrama de flujo.

La compilación es la traducción a un código que la máquina puede utilizar. Los programas que realizan esta operación se denominan compiladores, y pueden generar muchas líneas de código de máquina por cada línea del programa fuente. Aunque la mayoría de los lenguajes de alto nivel son multipropósito, muchos fueron diseñados originalmente para una programación dedicada, como fue el caso de PASCAL con las matemáticas. También se han implementado lenguajes educativos para niños como LOGO, que permitía mover una tortuga con instrucciones simples. En el ámbito de la infraestructura de internet, destaca Perl por su potente sistema de procesamiento de texto y su gran colección de módulos.

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Lenguajes imperativos y funcionales Los lenguajes de programación se clasifican en imperativos y funcionales, una división que se basa en la forma en que procesan sus comandos.

Lenguaje de programación imperativo Un lenguaje imperativo programa a través de una serie de comandos. Estos se agrupan en bloques y se componen de órdenes condicionales que permiten al programa volver a un bloque de comandos si se cumple una determinada condición. Ejemplos de lenguajes mencionados: C, Prolog, Maude, HTML, ASP, ASP.NET. Ejemplo de código en Prolog: unary_num(0). unary_num(s(X)):-unary_num(X).

Lenguaje de programación funcional Un lenguaje de programación funcional es aquel que crea programas mediante funciones. Devuelve un nuevo estado de resultado y recibe como entrada el resultado de otras funciones. Cuando una función se llama a sí misma, se habla de recursividad. Ejemplos de lenguajes mencionados en el texto: BASIC, Perl, PHP, Python, Javascript, MySQL. El texto ofrece el siguiente ejemplo de código en C:

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3.1. Lenguaje de programación: diagrama de flujo.

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Interpretación y compilación Los lenguajes de programación se pueden dividir en las siguientes categorías:

Lenguaje interpretado

Lenguajes intermediarios

Lenguaje compilado

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Técnica Para escribir programas que ofrezcan los mejores resultados, es necesario tener en cuenta una serie de detalles:

• Corrección: Un programa es correcto si hace lo que se supone que debe hacer, tal como se estableció en las fases previas a su desarrollo.

• Claridad: El programa debe ser claro y legible para facilitar tanto su desarrollo como su mantenimiento futuro.

• Eficiencia: Se trata de que el programa, además de ser correcto, gestione de la mejor manera posible los recursos que utiliza. Generalmente, la eficiencia se refiere al tiempo que tarda en realizar su tarea.

• Portabilidad: Es una característica muy deseable que permite que el programa pueda llegar a más usuarios con mayor facilidad.

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Aspectos internos Es importante conocer algunos elementos comunes a todos los lenguajes de programación: Sintaxis: Es el conjunto de normas y reglas formales que establecen la manera en que se debe escribir un programa en dicho lenguaje, determinando cómo se combinan los símbolos, variables y palabras especiales. Tokens: Son cada uno de los elementos que componen una sentencia del lenguaje, como las palabras reservadas, las variables, los operadores y los signos de puntuación. Palabras reservadas: Son palabras con un significado concreto para el compilador o intérprete de un lenguaje. Por ejemplo, if y else son palabras reservadas en la mayoría de los lenguages, mientras que en Python se usa def para definir una función y en JavaScript se utiliza function.

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Operadores Una de las cosas que más se usan al programar son los operadores. Son símbolos que reciben 1, 2 o 3 operandos y se comportan como funciones. A continuación, se nombran varios operadores binarios (de 2 operandos):

• Operador de asignación (=): Sirve para asignar un valor a una variable (ej: a = 1).

• Operadores aritméticos (+, -, *, /, %): Realizan operaciones matemáticas como suma, resta, multiplicación, división y módulo (resto de una división).

• Operadores de asignación anidada (+=, -=, etc.): Combinan una operación aritmética y una asignación (ej: a += b es lo mismo que a = a + b).

• Operadores de orden (<, >, <=, >=): Se utilizan para comparar dos variables.

• Operadores de igualdad (==, !=): Sirven para saber si el contenido de dos variables es igual o distinto.

• Operadores de incremento y decremento (++, --): Sirven para aumentar o disminuir una variable en una unidad. No están disponibles en todos los lenguajes.

• Operadores lógicos:

• AND (&&): Comprueba si dos variables son ciertas.

• OR (||): Comprueba si al menos una de las dos variables es cierta.

• NOT (!): Invierte el valor de verdad de una variable (si es verdadero lo devuelve como falso, y viceversa).

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Lenguajes Compilados e Interpretados

Lenguaje compilado

Lenguaje interpretado

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3.1. Lenguaje de programación: diagrama de flujo.

Editores de texto e IDEs Para escribir el código de nuestros programas, necesitamos una plataforma. Existen dos opciones principales: editores de texto plano e IDEs. La elección suele ser una cuestión de gustos, aunque en algunas ocasiones será necesario usar una de ellas en concreto. Un editor de texto plano es un programa que permite escribir texto sin formato. Los editores modernos pueden resaltar la sintaxis del lenguaje de programación según la extensión del archivo. Para compilar y ejecutar un programa escrito en un editor de texto, se necesita tener el compilador instalado, abrir una terminal o línea de comandos, y ejecutar desde allí tanto el compilador como el archivo ejecutable resultante. Un IDE (Entorno de Desarrollo Integrado) es un programa que ya incluye el compilador y permite ejecutar los programas sin necesidad de usar una terminal. Además, suelen venir con herramientas adicionales como depuradores, autocompletado inteligente de código, control de versiones y, a veces, funcionalidades para desarrollar interfaces gráficas de usuario (GUI). Algunos IDEs, como Netbeans o Eclipse, permiten programar en múltiples lenguajes, mientras que otros son específicos para uno solo, como Dev-C++.

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3.1. Lenguaje de programación: diagrama de flujo.

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3.2. Programas de programación.

La historia del software de programación comenzó en los años 50 y evolucionó con herramientas flexibles en los 70s como las de Unix. Las herramientas iniciales eran ligeras y simples; algunas se han conservado, pero la mayoría han servido de base para crear el potente ecosistema que tenemos hoy. Básicamente, el software de programación se compone de estos elementos:

Editores de código e IDEs

Compiladores e Intérpretes

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3.2. Programas de programación.

Herramientas más utilizadas: Visual Studio Code (VS Code): Es el editor de código más popular del mundo. Es ligero, gratuito, de código abierto y extremadamente personalizable gracias a su inmenso mercado de extensiones que le permiten funcionar casi como un IDE completo para cualquier lenguaje. IDEs de JetBrains (IntelliJ IDEA, PyCharm, WebStorm...): Son los IDEs más potentes y preferidos en el entorno profesional, con versiones específicas y muy optimizadas para cada lenguaje (Java, Python, desarrollo web, etc.). Vim y Sublime Text: Siguen siendo editores muy relevantes por su velocidad, potencia y eficiencia, especialmente entre desarrolladores experimentados.

Depuradores y enlazadores Son herramientas que actúan durante el proceso de creación y ejecución. Un depurador (Debugger) es un programa que se usa para hacer pruebas y eliminar errores (bugs) de otro programa, permitiendo ejecutar el código paso a paso y ver qué ocurre internamente. Hoy en día, los depuradores más utilizados vienen integrados directamente en los IDEs como VS Code o IntelliJ. Un enlazador (Linker) es el programa que toma los archivos generados por el compilador, los une con las librerías necesarias y crea el fichero ejecutable final.

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3.3. Scratch: presentación de la interfaz, manejo del programa, elaboración propia de videojuegos educativos aplicables a todas las áreas del conocimiento.

Scratch es un lenguaje de programación desarrollado por el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) que es utilizado por estudiantes, profesores y padres para crear fácilmente animaciones, juegos e interacciones. Está diseñado para que los jóvenes aprendan a pensar creativamente, razonar sistemáticamente y trabajar en grupo. Se trata de un lenguaje visual y modular que se organiza en bloques que realizan diferentes funciones. De forma similar a como se encajan las piezas de Lego, al juntar estos bloques se crean acciones complejas que dan lugar a los programas. Es una herramienta que permite iniciarse en la programación de una manera simple y eficiente.

Este es el entorno de trabajo de Scratch:

• Área de objetos.

• Objeto seleccionado.

• Objeto en el escenario.

• Bloques de código.

• Área de edición.

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3.3. Scratch: presentación de la interfaz, manejo del programa, elaboración propia de videojuegos educativos aplicables a todas las áreas del conocimiento.

Scratch se utiliza desde un entorno de desarrollo que muestra de un solo vistazo todos los elementos necesarios: escenario, objetos, programas, disfraces y sonidos. A continuación, se describen las funciones que ofrece la pestaña de programas:

• Movimiento: Mueve objetos y cambia ángulos.

• Apariencia: Controla el aspecto visual del objeto, añade bocadillos de diálogo, cambia el fondo o modifica el tamaño.

• Sonido: Reproduce archivos de audio y secuencias programables.

• Lápiz: Controla el ancho, color e intensidad del trazo del lápiz.

• Datos: Permite la creación de variables y listas. Existen variables en la nube, pero todavía no hay listas en la nube, aunque podrían implementarse en la tercera versión de Scratch.

• Eventos: Contiene los iniciadores de eventos que se colocan al principio de cada grupo de instrucciones.

• Control: Incluye sentencias condicionales como "si-sino", bucles como "por siempre" o "repetir", y la instrucción de "detener programa".

• Sensores: Permite que los objetos interactúen con el entorno creado por el usuario.

• Operadores: Incluye operadores matemáticos, generadores de números aleatorios y sentencias lógicas como "y" y "o".

• Más bloques: Ofrece control sobre otros bloques y dispositivos externos.

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3.4. Arduino: presentación de la interfaz, familiarización con la placa base, sensores y actuadores, relación del hardware con el software, elaboración de robots sencillos: sigue-líneas, huye-luz.

Arduino Arduino se refiere generalmente a una familia de placas de desarrollo de hardware. Estas placas constan de microcontroladores, puertos de entrada y salida (digitales y analógicos), y un puerto USB que sirve tanto para alimentarlas como para conectarlas con un ordenador. El desarrollo de las funcionalidades de las placas se realiza desde el IDE de la compañía. Este entorno nació de la combinación de Processing y Wiring: del primero tomó el entorno de desarrollo, y del segundo, el lenguaje de programación (una simplificación de C/C++) y el compilador. Tanto los esquemas de las placas como el software son libres con licencias de código abierto. La placa más famosa y utilizada es la Arduino UNO.

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3.4. Arduino: presentación de la interfaz, familiarización con la placa base, sensores y actuadores, relación del hardware con el software, elaboración de robots sencillos: sigue-líneas, huye-luz.

El Lenguaje de Programación Arduino Como se mencionó, el lenguaje de programación de Arduino es una simplificación de C/C++. Añade por defecto algunas funciones de bibliotecas de C/C++ (como las matemáticas), por lo que no es necesario importarlas. Una buena práctica de programación es comentar el código. Se pueden utilizar los comentarios de tipo C: // para una sola línea y /* */ para varias líneas. Todo programa de Arduino se estructura en dos funciones principales: la función setup(), donde se inicializan las variables, y la función loop(), donde se desarrolla la lógica principal del programa y que se ejecuta repetidamente. Al igual que en C/C++, el código de funciones, bucles y estructuras condicionales debe ir entre corchetes {}, y la mayoría de las líneas deben terminar con un punto y coma ; . El lenguaje cuenta con los tipos de datos, bucles y estructuras condicionales clásicos, y permite el uso de los operadores simbólicos estándar. Es posible obviar los corchetes en bucles o condicionales que contengan una sola línea de código.

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3.4. Arduino: presentación de la interfaz, familiarización con la placa base, sensores y actuadores, relación del hardware con el software, elaboración de robots sencillos: sigue-líneas, huye-luz.

Módulos de Arduino Existen infinidad de módulos para ampliar las funcionalidades de una placa Arduino. Se pueden añadir, por ejemplo, módulos para proporcionar conexión WiFi o Ethernet, un puerto USB para conectar dispositivos como teclados, o para usar pantallas táctiles y LCD. Si lo que se quiere es obtener datos del entorno, se pueden utilizar módulos de sensores. Estos son componentes electrónicos que envían señales eléctricas a la placa controladora según el estado que perciben de un elemento físico. Hay sensores para casi cualquier cosa imaginable: para medir distancia, humedad, temperatura, presión, luz, etc. Si, por el contrario, lo que se busca es actuar sobre el entorno, se puede hacer uso de actuadores. Algunos ejemplos son los motores de corriente continua, los servomotores (servos), los relés para abrir o cerrar circuitos y las bombas de agua.

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3.4. Arduino: presentación de la interfaz, familiarización con la placa base, sensores y actuadores, relación del hardware con el software, elaboración de robots sencillos: sigue-líneas, huye-luz.

No hay que olvidar que Arduino es una plataforma libre, lo que significa que cualquiera puede desarrollar un módulo para aumentar sus posibilidades.

Bibliotecas Una biblioteca de programación es un conjunto de funciones bien definidas que facilitan y amplían la tarea de programar. Generalmente, las funciones de los módulos que conectemos a nuestro Arduino estarán definidas en una biblioteca que podemos añadir al programa con la directiva #include, lo que nos ahorra tener que programar esas funcionalidades nosotros mismos. En la página web de Arduino se pueden consultar las bibliotecas oficiales, pero existen muchas otras en sitios como GitHub.

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3.4. Arduino: presentación de la interfaz, familiarización con la placa base, sensores y actuadores, relación del hardware con el software, elaboración de robots sencillos: sigue-líneas, huye-luz.

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La herencia de Arduino Wiring nació en 2004 en el instituto IVREA, el mismo lugar donde se desarrolló Arduino en 2005/06. Según los fundadores de Arduino, en aquellos años coincidieron en el instituto IVREA una serie de personas y circunstancias que hicieron posible la plataforma. Una de esas personas clave fue Hernando Barragán con su desarrollo, Wiring. Aunque Wiring ha dado origen a otras plataformas electrónicas, Arduino es sin duda la más conocida. No se puede afirmar que Arduino se base únicamente en Wiring; su entorno es una combinación de Processing y Wiring. De Wiring toma el lenguaje simplificado de C/C++ y el compilador, mientras que de Processing toma el entorno de desarrollo. Pero Arduino ha ido un paso más allá y tiene su propio open hardware.

Lenguaje interpretadoEn un lenguaje interpretado, un programa llamado intérprete traduce las instrucciones del código fuente a un lenguaje que la máquina puede entender paso a paso, instrucción por instrucción. Este proceso se repite cada vez que se ejecuta el programa.

• Estos lenguajes suelen permitir tipos dinámicos (las variables pueden cambiar de tipo), tienen la ventaja de ser multiplataforma y, por lo general, son más ligeros.

• Su principal desventaja es que son más lentos que los compilados, ya que necesitan ser traducidos en cada ejecución.

• Algunos lenguajes usan una máquina virtual para hacer una traducción a un lenguaje intermedio y así agilizar el proceso.

• La depuración suele ser más sencilla porque es más fácil obtener información del código fuente.

Ejemplos de estos lenguajes son Ruby, Python, Matlab y JavaScript, entre otros.

Un programa en un lenguaje compilado se traduce mediante un programa llamado compilador. Este, a su vez, crea un nuevo archivo independiente que no necesita ningún otro programa para funcionar, conocido como ejecutable. La ventaja de un programa compilado es que no requiere un programa anexo para ejecutarse, lo que hace que su ejecución sea más rápida. Sin embargo, no es tan flexible como uno interpretado, ya que cada modificación en el código fuente exige una nueva compilación para aplicar los cambios.

Un lenguaje de programación es un idioma artificial que ha sido diseñado para expresar computaciones que pueden ser ejecutadas por máquinas como los ordenadores. Estos lenguajes se pueden utilizar para crear programas que controlen el comportamiento físico y lógico de una máquina, para expresar algoritmos con precisión o como un modo de comunicación humana.

int main (int argc , char **argv) { printf("Hola mundo\n"); return 0; }

Lenguaje compilado En este caso, un compilador traduce el código fuente, escrito en un lenguaje de alto nivel, a un archivo ejecutable que la máquina puede entender en una plataforma determinada. Una vez creado, este archivo se puede ejecutar cuantas veces sea necesario sin repetir el proceso, por lo que el tiempo de espera es mínimo.

• Java es un caso particular, ya que utiliza una máquina virtual (JVM) que se encarga de la traducción, por lo que a menudo se le considera compilado e interpretado. La ventaja de la JVM es que permite ejecutar código Java en cualquier máquina que la tenga instalada.

• Los lenguajes interpretados se ven principalmente en el desarrollo de aplicaciones web, ya que el usuario final no necesita tener un compilador, solo un navegador y conexión a Internet.

• Los programas compilados a código nativo suelen ser más rápidos que los traducidos en tiempo de ejecución, aunque las nuevas tecnologías están reduciendo esta brecha.

• Los lenguajes compilados son más comunes en el software de escritorio que requiere mayores recursos. También suelen tener un mayor peso en sus archivos ejecutables.

• El texto da como ejemplos de lenguajes la familia C (C++, Objective C, C#), Perl, Fortran, Pascal, Haskell y Visual Basic.

Algunos lenguajes, como Java, LISP o Cython, pertenecen a ambas categorías. Esto se debe a que el programa puede pasar por una fase de compilación intermediaria, generando un archivo en un lenguaje ininteligible y no ejecutable que, a su vez, necesita un intérprete. Los applets de Java, por ejemplo, son archivos compilados que solo pueden ejecutarse dentro de un navegador web.

Editores de código e IDEs Son las plataformas donde los programadores escriben el código. La línea que los separaba antes es hoy mucho más difusa. Un editor de código es una aplicación para escribir y modificar archivos de texto plano. Los editores modernos son herramientas ligeras pero muy potentes, diseñadas para trabajar con múltiples lenguajes de programación. Sus características clave son el resaltado de sintaxis, el autocompletado inteligente de código y la integración con otras herramientas. Un Entorno de Desarrollo Integrado (IDE) es una aplicación más completa que agrupa todas las herramientas necesarias para el ciclo de vida del software. Un IDE integra un editor de código, un compilador/intérprete y un depurador en una sola interfaz gráfica.

Compiladores e Intérpretes Son los "traductores" que convierten nuestro código en algo que la máquina entiende. Su distinción es fundamental: Un compilador analiza todo el código fuente y lo transforma en un archivo ejecutable (lenguaje máquina) que puede funcionar por sí solo. El análisis se divide en una fase de análisis del código fuente (revisión de la sintaxis y la semántica) y otra de síntesis del programa objeto (la creación del archivo final). Un intérprete no crea un archivo previo. Analiza y ejecuta el programa instrucción por instrucción, en tiempo real. Este proceso se repite cada vez que se usa el programa.

Algunos de los ejercicios básicos que se pueden realizar con Scratch son:

• Seleccionar un objeto y arrastrarlo al escenario.

• Para programar, arrastrar al área de edición la opción "Al presionar la bandera verde" (que inicia el programa).

• Añadir el bloque "Mover 100 pasos" de la sección de Movimiento.

• Introducir la opción "Tocar sonido..." de la sección de Sonido.

• Finalmente, cerrar la secuencia con "Detener programa" del bloque de Control.

El resultado de la programación final sería la secuencia de estos bloques encadenados.

Un programa escrito en un lenguaje interpretado necesita un programa auxiliar, el intérprete, que va traduciendo los comandos a medida que se van necesitando.