CN103489347B - 智能教学电子积木及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于益智的儿童教学玩具领域，具体是一种智能教学电子积木，其特征在于包括：红外控制器和电子积木块；红外控制器设置有主处理器一、红外模块一；电子积木块设置有蓝牙模块、三轴陀螺、加速度传感器、显示屏；其具体的使用方式是通过红外控制器与电子积木块经主处理器一、红外模块一和主处理器二、红外模块二进行通信并控制一块或若干块电子积木块的显示内容变化；本发明作为一种新的教学工具用于小孩看图识字（汉字、数字）、数学运算（加减乘除）、数值比较、数值排序，该电子积木作为此教学工具可以通过组合更好的达到学习效果、开发小孩智力、提高小孩学习主动性。

Description

智能教学电子积木及其使用方法

技术领域

本发明属于益智的儿童教学玩具领域，具体是一种智能教学电子积木及其使用方法。

背景技术

电子教学积木的产生背景是运用物联网技术对儿童智力开发及传统学习方式的一种思考。

传统的学习方式及工具均存在各种不足：

1.在生活中，小孩认识事物一般是通过老师或家长长期、反复的教导，比如小孩认识数字1，为了加深印象、加快学习速度，一般都以书本或者黑板等道具拿一个苹果来比对教学，这样小孩不能主动的学习，老师和小孩没有充分的互动，教学道具也不够灵活。

2.小孩要学习学习加法运算1+1＝2，假设他已知道1、2、+、＝这四个符号的意义，接下来他需要知道1加1等多少，然后应该要对他的学习效果进行考核，小孩对这个加法运算的学习与例1中相似，要用较长时间反复的学习才能达到效果。考核需要列出加法，但不能给出结果，在结果得不到验证的情况下，小孩自己也不知道对与错，不能主动的学习。

通过以上两个例子可以看出传统的教学方式及工具存在不能让小孩主动学习及不能充分互动的不足，因此如果可以通过电子教学积木实现生动教学，则是利用物联网技术把教学工具彼此互联，让小孩更加主动、自由的学习。

发明内容

本发明旨在设计克服传统学习媒介不足的缺陷，提供了一种智能教学电子积木及其使用方法，作为一种新的教学工具用于小孩看图识字(汉字、数字)、数学运算(加减乘除)、数值比较、数值排序，该电子积木作为此教学工具可以通过组合更好的达到学习效果、开发小孩智力、提高小孩学习主动性。

本发明的技术方案如下：

一种智能教学电子积木，其特征在于包括：

红外控制器，用于与电子积木块进行通信并控制一块或若干块电子积木块的显示内容变化；

电子积木块，用于显示教学内容；

所述红外控制器设置有：

主处理器一，用于负责按键的获取及数据通信管理；

红外模块一，用于与电子积木块的通信，通信方式为红外线；

所述电子积木块设置有：

主处理器二，用于管理和储存需要被显示的算法的运行和数据，所储存的数据0～9数字卡通图片、常用字识字图片等数据；

红外模块二，用于电子积木块之间的通信，通信方式为红外线；

蓝牙模块，以及用于电子积木块之间的通信；

三轴陀螺，用于电子积木块姿态角测量；

加速度传感器，用于电子积木块的加速度测量，并唤醒电子积木块执行相应的应用程序；

显示屏，用于人机交互的显示。

所述红外控制器设置有LED提示灯，用于标志红外控制器的工作状态。

所述红外控制器通过纽扣电池供电。

所述红外控制器还设置有机械按键或者触摸按键，用于触发红外控制器发送命令给电子积木块。

所述蓝牙模块还用于电子积木块与第三方设备的通信，实现积木与第三方设备的互动，扩展了积木的应用场景。如：PC机、智能手机等电子设备。

所述显示屏为LCD显示屏。所述智能电子积木采用嵌入式系统，存储资源有限，所以图片存储采用了GIF压缩技术。

所述红外控制器控制改变若干块电子积木块的显示内容时，所述若干块电子积木块需从左到右水平排列。

所述智能电子积木设置有专用电池，为整个智能电子积木的工作供电。

所述红外控制器的工作步骤如下：

A、系统上电初始化；

B、主处理器一检测是否按键是否被按下或者触摸；

C、当按键被检测到按下或触摸时，主处理器一则通过红外模块一发送命令给一组电子积木块；当主处理器一没有检测到按键被检测到按下或触摸时，则返回步骤B，继续等待按键指令；所述主处理器一用于检测按键是否被按下或触摸，然后触发相应的命令发送给其他模块，完成命令发送后，又要回到初始状态去检测按键；

D、步骤C中发送命令完成后，等待成功确认；若红外模块二接收命令成功，则电子积木块的显示屏显示成功信息；若红外模块二接收命令失败或超时，电子积木块的显示屏则显示失败信息。

所述电子积木块用于显示运算教学的感应原理如下：

A、系统上电初始化，一组电子积木块水平排列；

B、主处理器二根据串口号及相互通信设定内容寻找首尾节点，首节点为水平排列左起的第一个电子积木块，尾节点为水平排列的最后一个电子积木块；

C、首节点通过自身的红外模块二或者蓝牙模块向水平排列在后面第二节点的电子积木块发送路由包，然后第二节点的电子积木块的红外模块或蓝牙模块接收路由包，所述路由包包含了节点号、节点属性等信息；

D、以第二节点开始的中间节点依次序转发所述路由包；所述中间节点是指除首尾节点，水平排列中处于中间位置的所有积木；由于要组件网络，因此中间节点收到首节点或者尾节点发送的数据包后，需传递给其他的积木；

E、每个电子积木块内部均设置有定时器，通过重置中间节点的电子积木块的定时器，使电子积木块间隔一段时间去完成特定的任务；由于每个电子积木块内部都设置有定时器，当一组电子积木块组网时，需重新设定每个电子积木块的定时器的时间；

F、尾节点收到由首节点顺序传递下来的路由包后生成数据包，将数据包按相反的顺序传递给首节点；所述数据包包括了节点号、链路状况等信息；

G、首节点收到返回的数据包后重回第二步继续执行。

本发明的使用方式如下：

1、使用单一的电子积木块实现看图识字(汉字、数字)的教学功能

摇动电子积木块，当电子积木块检测到晃动时，随机从电子积木块的内部存储器中取出数字或者汉字图片显示在积木上，通过电子积木块内置的三轴陀螺、加速度传感器随机改变电子积木块显示的内容，实现看图识字的教学；

2、使用两个电子积木块组合实现看图识字的教学功能

其中第一电子积木块显示的图片信息，通过第一电子积木块的蓝牙模块发送命令给第二电子积木块，第二电子积木块的蓝牙模块接收到命令后显示与第一电子积木块显示内容一致的待教学的内容(即数字、汉字等)，以此完成看图识字的教学；

3、五个电子积木块组合实现简单数学运算(属性固定)

这种功能需要五个电子积木块，当五个电子积木块组合实现数学运算时，每个电子积木块分别代表了简单数学运算中的三个数值、运算符号和等号，其中：分别代表运算符号和等号的两个电子积木块的属性固定不变，不能通过加速度传感器改变属性；另外三个电子积木块代表运算中的数值，都通过外界输入改变其显示的数值；所述运算符号包括加号、减号、乘号和除号；以加法为例来说明整个教学过程，每个积木代表了加法运算的各个成员，三个数值(包括结果显示)，加号，等号；两个积木分别代表加号和等号且不能通过传感器改变积木的属性，另外三个积木代表运算中的数值，都可以通过外界输入改变其显示的数值。属性是指组成数学运算的基本属性，比如运算符(+-)、数值、赋值(＝)等。

五个电子积木块按运算顺序从左到右水平排列，等号前面两个电子积木块上显示的数值可以摇一摇自动改变，改变后，五个节点组成链式网络进行计算，计算结果显示在结果电子积木块上面；或者，取掉其中的一个电子积木块，实现运算填空，此时首先电子积木块的数量是否达到五，如果未达到五时，运算不成立，电子积木块的显示屏上会以红色方框及语音同时提示，当小孩把原先取掉的电子积木块按运算顺序放进去后，链式网络自动检测运算是否成立及正确，用绿色边框及语音来提示小孩。

4、五个电子积木块组合实现简单数学运算(属性不固定)

这种属性不固定的组合方式中，数值属性的积木可以当运算属性积木来使用；

初始积木排列成一个计算等式，运算成立，链式网络一直在组网工作，此时随意交换电子积木块；交换后积木排列后，链式网络一直在工作；然后判断电子积木块的数量是否达到五，如果达到五时，运算成立，自动变成原先的计算排列，这种应用电子积木块可以随意调换，对小孩有很大的吸引力，也让小孩可以自主的学习，减轻了家长和老师的负担；

5、两个以上电子积木块组合实现一组无序数值的排序

此种应用至少包括两个电子积木块，电子积木块的属性都是数值，电子积木块都按从左至右水平排列，但顺序可以任意，放置好后，这组积木自动建立链式网络，实现数字排序并按从小到大的顺序排列显示；

6、三个电子积木块组合实现数值比较

这种应用需要三个电子积木块，电子积木块排列好后，数值属性的电子积木块摇一摇改变，此种应用可以让小孩学习数值大小的比较；

7、单个积木讲故事

所述电子积木块内置有mp3音乐播放器，根据不同年龄阶段的小孩内置不同的故事，讲故事给小孩听。

以上7种应用是此发明的典型应用，可以根据市场需求添加相应的应用，只需对软件功能升级。由于电子积木块的各种功能大多是要组合，要实现一组电子积木块功能的切换，就需一个有控制功能的红外控制器。

本发明的有益效果如下：

(1)便携性；电子积木的体积有50×50×20mm。

(2)通过单个电子教学积木可以看图识字；

(3)单个积木可以做讲故事的玩具；

(4)两个积木组合的看图识字，增加了小孩和家长的互动性，极大的提高了小孩的学习兴趣；

(5)电子积木组合可以完成简单数学运算及数值排序、比较；

(6)此教学电子积木具有互动性好，灵活性强；

(7)寓教于乐；

(8)采用安全可充电式电池，使用寿命长；

(9)结构设计为正方形盒子，没有裸露任何器件，因此无安全隐患。

附图说明

图1为本发明电子积木块的原理示意图

图2为本发明红外控制器的原理示意图

图3为本发明红外控制器的工作流程图

图4为本发明用于组合运算时的工作流程图

具体实施方式

如图1-2所示，一种智能教学电子积木，包括：红外控制器，用于与电子积木块进行通信并控制一块或若干块电子积木块的显示内容变化；电子积木块，用于显示教学内容。

所述红外控制器设置有：

主处理器一，用于负责按键的获取及数据通信管理；

红外模块一，用于与电子积木块的通信，通信方式为红外线。

所述电子积木块设置有：

主处理器二，用于管理和储存需要被显示的算法的运行和数据，所储存的数据0～9数字卡通图片、常用字识字图片等数据；

红外模块二，用于电子积木块之间的通信，通信方式为红外线；

蓝牙模块，以及用于电子积木块之间的通信；

三轴陀螺，用于电子积木块姿态角测量；

加速度传感器，于电子积木块的加速度测量，并唤醒电子积木块执行相应的应用程序；

显示屏，用于人机交互的显示；所述显示屏为LCD显示屏。所述智能电子积木采用嵌入式系统，存储资源有限，所以图片存储采用了GIF压缩技术。

所述红外控制器设置有LED提示灯，用于标志红外控制器的工作状态。

所述红外控制器通过纽扣电池供电。

所述红外控制器还设置有机械按键或者触摸按键，用于触发红外控制器发送命令给电子积木块。

所述蓝牙模块还用于电子积木块与第三方设备的通信，如：PC机、智能手机等电子设备。

所述红外控制器控制改变若干块电子积木块的显示内容时，所述若干块电子积木块需从左到右水平排列。

所述智能电子积木设置有专用电池，为整个智能电子积木的工作供电。

所述单个电子积木块安装壳子后尺寸为：50X50X20mm。

所述红外控制器的工作步骤如下：

A、系统上电初始化；

B、主处理器一检测是否按键是否被按下或者触摸；

C、当按键被检测到按下或触摸时，主处理器一则通过红外模块一发送命令给一组电子积木块；当主处理器一没有检测到按键被检测到按下或触摸时，则返回步骤B，继续等待按键指令；所述主处理器一用于检测按键是否被按下或触摸，然后触发相应的命令发送给其他模块，完成命令发送后，又要回到初始状态去检测按键；

D、步骤C中发送命令完成后，等待成功确认；若红外模块二接收命令成功，则电子积木块的显示屏显示成功信息；若红外模块二接收命令失败或超时，电子积木块的显示屏则显示失败信息。

所述电子积木块用于显示运算教学的感应原理如下：

A、系统上电初始化，一组电子积木块水平排列；

B、主处理器二根据串口号及相互通信设定内容寻找首尾节点，首节点为水平排列左起的第一个电子积木块，尾节点为水平排列的最后一个电子积木块；

C、首节点通过自身的红外模块二或者蓝牙模块向水平排列在后面第二节点的电子积木块发送路由包，然后第二节点的电子积木块的红外模块或蓝牙模块接收路由包，所述路由包包含了节点号、节点属性等信息；

D、以第二节点开始的中间节点依次序转发所述路由包；所述中间节点是指除首尾节点，水平排列中处于中间位置的所有积木；由于要组件网络，因此中间节点收到首节点或者尾节点发送的数据包后，需传递给其他的积木；

E、每个电子积木块内部均设置有定时器，通过重置中间节点的电子积木块的定时器，使电子积木块间隔一段时间去完成特定的任务；由于每个电子积木块内部都设置有定时器，当一组电子积木块组网时，需重新设定每个电子积木块的定时器的时间；

F、尾节点收到由首节点顺序传递下来的路由包后生成数据包，将数据包按相反的顺序传递给首节点；所述数据包包括了节点号、链路状况等信息；

G、首节点收到返回的数据包后重回第二步继续执行。

本发明的使用方式如下：

1、使用单一的电子积木块实现看图识字(汉字、数字)的教学功能

摇动电子积木块，当电子积木块检测到晃动时，随机从电子积木块的内部存储器中取出数字或者汉字图片显示在积木上，通过电子积木块内置的三轴陀螺、加速度传感器随机改变电子积木块显示的内容，家长轻松通过电子积木块完成对小孩的看图识字的教育，小孩也可以主动玩积木来达到学习的目的；

2、使用两个电子积木块组合实现看图识字的教学功能

其中第一电子积木块显示的图片信息，通过第一电子积木块的蓝牙模块发送命令给第二电子积木块，第二电子积木块的蓝牙模块接收到命令后显示与第一电子积木块显示内容一致的待教学的内容(即数字、汉字等)，以此完成看图识字的教学；

例如：家长手中电子积木块简称A，小孩手中电子积木块简称B，如果家长想让小孩学习1，A上面应显示代表数字1的卡通图片，B上面会紧接着显示一个苹果的图片，学习2时，B上面也会显示两个香蕉的图片，就这样完成看图教学。

3、五个电子积木块组合实现简单数学运算

这种功能需要五个电子积木块，当五个电子积木块组合实现数学运算时，每个电子积木块分别代表了简单数学运算中的三个数值、运算符号和等号，其中：分别代表运算符号和等号的两个电子积木块的属性固定不变，不能通过加速度传感器改变属性；另外三个电子积木块代表运算中的数值，都通过外界输入改变其显示的数值；所述运算符号包括加号、减号、乘号和除号；以加法为例来说明整个教学过程，每个积木代表了加法运算的各个成员，三个数值(包括结果显示)，加号，等号；两个积木分别代表加号和等号且不能通过传感器改变积木的属性，另外三个积木代表运算中的数值，都可以通过外界输入改变其显示的数值。属性是指组成数学运算的基本属性，比如运算符(+-)、数值、赋值(＝)等。

以加法为例来说明整个教学过程，每个积木代表了加法运算的各个成员，三个数值(包括结果显示)，加号，等号。两个积木分别代表加号和等号且不能通过传感器改变积木属性，另外三个积木代表运算中的数值，都可以通过外界输入改变其显示的数值。积木排放如下：

五个电子积木块按运算顺序从左到右水平排列，等号前面两个电子积木块上显示的数值可以摇一摇自动改变，改变后，五个节点组成链式网络进行计算，计算结果显示在结果电子积木块上面；或者，取掉其中的一个电子积木块，实现运算填空，此时首先电子积木块的数量是否达到五，如果未达到五时，运算不成立，电子积木块的显示屏上会以红色方框及语音同时提示，当小孩把原先取掉的电子积木块按运算顺序放进去后，链式网络自动检测运算是否成立及正确，用绿色边框及语音来提示小孩。

4、五个电子积木块组合实现简单数学运算(属性不固定)

这种属性不固定的组合方式中，数值属性的积木可以当运算属性积木来使用，整个教学过程用以下示意图说明：

初始积木排列成一个计算等式：

运算成立，链式网络一直在组网工作，此时随意交换电子积木块；

交换后积木排列：

链式网络一直在工作，然后首先判断电子积木块的数量是否达到五，如果达到五时，运算成立，自动变成原先的计算排列，这种应用电子积木块可以随意调换，对小孩有很大的吸引力，也让小孩可以自主的学习，减轻了家长和老师的负担；

5、两个以上电子积木块组合实现一组无序数值的排序

此种应用至少包括两个电子积木块，电子积木块的属性都是数值，电子积木块都按从左至右水平排列，但顺序可以任意，放置好后，这组积木自动建立链式网络，实现数字排序并按从小到大的顺序排列显示；

6、三个电子积木块组合实现数值比较

这种应用需要三个电子积木块，电子积木块排列如下：

数值属性的电子积木块摇一摇改变，此种应用可以让小孩学习数值大小的比较；

7、单个积木讲故事

所述电子积木块内置有mp3音乐播放器，根据不同年龄阶段的小孩内置不同的故事，讲故事给小孩听。

以上7种应用是此发明的典型应用，可以根据市场需求添加相应的应用，只需对软件功能升级。由于电子积木块的各种功能大多是要组合，要实现一组电子积木块功能的切换，就需一个有控制功能的红外控制器。

本发明是基于物联网技术的一种智能教学学习工具。为了小孩的智力开发及学习提供了方便，与红外控制器配合使用，克服了传统教学工具的死板、不可以互动、不灵活等缺点，提高小孩的学习乐趣的同时，也相应减轻了家长或老师的教学负担。

主要器件选型：

类型	型号
		主处理器	LPC1763
红外模块	RPM873
		蓝牙	BF10

Claims (10)

1.一种智能教学电子积木，其特征在于包括：

红外控制器，用于与电子积木块进行通信并控制一块或若干块电子积木块的显示内容变化；

电子积木块，用于显示教学内容；

所述红外控制器设置有：

主处理器一，用于负责按键的获取及数据通信管理；主处理器一用于检测按键是否被按下或触摸，当主处理器一检测到按键被按下或触摸后则触发相应的命令发送给其他模块，完成命令发送后，主处理器一继续检测按键是否被按下或触摸；

红外模块一，用于与电子积木块的通信，通信方式为红外线；

所述红外控制器还设置有机械按键或者触摸按键，用于触发红外控制器发送命令给电子积木块；

所述电子积木块设置有：

主处理器二，用于管理和储存需要被显示的算法的运行和数据，所储存的数据0-9数字卡通图片、常用字识字图片数据；

红外模块二，用于电子积木块之间的通信，通信方式为红外线；

蓝牙模块，用于电子积木块之间的通信；

三轴陀螺，用于电子积木块姿态角测量；

加速度传感器，用于电子积木块的加速度测量，并唤醒电子积木块执行相应的应用程序；

显示屏，用于人机交互的显示；

所述红外控制器控制改变若干块电子积木块的显示内容时，所述若干块电子积木块需从左到右水平排列，主处理器二根据串口号及相互通信设定内容寻找首尾节点，首节点为水平排列左起的第一个电子积木块，尾节点为水平排列的最后一个电子积木块；首节点通过自身的红外模块二或者蓝牙模块向水平排列在后面第二节点的电子积木块发送路由包，然后第二节点的电子积木块的红外模块或蓝牙模块接收路由包，所述路由包包含了节点号、节点属性的信息；以第二节点开始的中间节点依次序转发所述路由包，中间节点是指除首尾节点，水平排列中处于中间位置的所有积木；中间节点收到首节点或者尾节点发送的数据包后传递给其他的积木；尾节点收到由首节点顺序传递下来的路由包后生成数据包，将数据包按相反的顺序传递给首节点，所述数据包包括了节点号、链路状况的信息；首节点收到返回的数据包后，主处理器二再次根据串口号及相互通信设定内容寻找首尾节点，重复执行。

2.根据权利要求1所述的智能教学电子积木，其特征在于：所述红外控制器设置有LED提示灯，用于标志红外控制器的工作状态。

3.根据权利要求1所述的智能教学电子积木，其特征在于：所述红外控制器通过纽扣电池供电。

4.根据权利要求1所述的智能教学电子积木，其特征在于：所述蓝牙模块还用于电子积木块与第三方设备的通信。

5.根据权利要求1所述的智能教学电子积木，其特征在于：所述电子积木块内置有mp3音乐播放器。

6.根据权利要求1所述的智能教学电子积木，其特征在于：当主处理器一发送命令完成后：若红外模块二接收命令成功，则电子积木块的显示屏显示成功信息；若红外模块二接收命令失败或超时，电子积木块的显示屏则显示失败信息。

7.根据权利要求1所述的智能教学电子积木，其特征在于：所述每个电子积木块内部均设置有定时器，通过重置中间节点的电子积木块的定时器，使电子积木块间隔一段时间去完成特定的任务；由于每个电子积木块内部都设置有定时器，当一组电子积木块组网时，需重新设定每个电子积木块的定时器的时间。

8.一种如权利要求1所述的智能教学电子积木的使用方法，其特征在于：

单一的电子积木块摇动检测到晃动时，随机从电子积木块的内部存储器中取出数字或者汉字图片显示在积木上，通过电子积木块内置的三轴陀螺、加速度传感器随机改变电子积木块显示的内容；

两个电子积木块组合其中第一电子积木块显示的图片信息，通过第一电子积木块的蓝牙模块发送命令给第二电子积木块，第二电子积木块的蓝牙模块接收到命令后显示与第一电子积木块显示内容一致的待教学的内容。

9.一种如权利要求1所述的智能教学电子积木的使用方法，其特征在于：

当五个电子积木块组合实现数学运算时，每个电子积木块分别代表了简单数学运算中的三个数值、运算符号和等号，其中：分别代表运算符号和等号的两个电子积木块的属性固定不变；另外三个电子积木块代表运算中的数值，都通过外界输入改变其显示的数值；所述运算符号包括加号、减号、乘号和除号；五个电子积木块按运算顺序从左到右水平排列，等号前面两个显示数值的电子积木块上通过摇动改变显示的数值，改变后，五个电子积木块的节点组成链式网络进行计算，计算结果显示在结果电子积木块上面；或者，取掉其中的一个电子积木块，实现运算填空，此时首先电子积木块的数量是否达到五，如果未达到五时，运算不成立，电子积木块的显示屏上通过彩色灯光和语音提示，当把取掉的电子积木块按运算顺序放进去后，链式网络自动检测运算是否成立及正确，用另一个中彩色灯光及语音来提示；

当五个电子积木块组合实现数学运算时，每个电子积木块分别代表了简单数学运算中的三个数值、运算符号和等号，其中：

这种属性不固定的组合方式中，数值属性的电子积木块当运算属性电子积木块来使用；首先，五个电子积木块排列成一个计算等式，运算成立，链式网络一直在组网工作，此时随意交换电子积木块，交换后链式网络一直在工作；然后判断电子积木块的数量是否达到五，如果达到五时，运算成立，自动变成原先的计算排列。

10.一种如权利要求1所述的智能教学电子积木的使用方法，其特征在于：

两个以上电子积木块组合实现一组无序数值的排序，至少包括两个电子积木块，电子积木块的属性都是数值，电子积木块都按从左至右水平排列，但顺序可以任意，放置好后，这组积木自动建立链式网络，实现数字排序并按从小到大的顺序排列显示；

三个电子积木块组合实现数值比较，包括三个电子积木块，电子积木块排列好后，数值属性的电子积木块摇一摇改变，实现数值比较教学。