CN105047042A - 一种面向儿童实物编程方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向儿童实物编程方法及系统。本方法为：1)生成不同任务对应的迷宫地图，得到一迷宫地图库；2)根据登录用户的用户信息，从迷宫地图库中选取一迷宫地图提供给登录户；3)该登录用户根据该迷宫地图摆放实物编程块，得到一实物编程块序列；4)采集该实物编程块序列的图像并将其发送给实物编程处理单元；5)实物编程处理单元根据该迷宫地图对该图像进行语义处理并反馈，直至完成任务；6)运行该登录用户编写的程序，控制该迷宫地图中对应角色在迷宫地图中移动，当移动到该迷宫地图中设定的问题单元格时，调用对应的试题；然后根据输入的答案更新该登录用户的得分。本发明提升了游戏的兴趣，且使得儿童更容易学习和使用。

Description

一种面向儿童实物编程方法及系统

技术领域

本发明属于人机交互领域，具体涉及到一种通过实物进行编程的系统。

背景技术

随着现代科学技术的发展，各种各样的计算设备已经逐步渗透到了生活中的每个角落。从日常办公的计算机，到手持设备，甚至家用电器，到处都存在着各种各样的计算设备。而人们如何与这些计算设备进行更好的交互，方便操控这些设备，也一直是人机交互领域研究的热点问题之一。同时，越来越多的儿童也有了使用计算机的机会，他们利用计算机玩游戏、浏览网页、收发信息、进而学习知识、了解社会、认识世界，计算机正在改变着儿童的生活与学习方式。随着儿童使用计算机的深入，儿童不再满足于仅仅使用计算机，他们渴望开发自己的程序，特别是制作游戏。因此如何以适合儿童的方式给他们提供高技术产品，已成为研究者的主要目标。让儿童更好的接受和理解身边发生的一切，最好的方式就是让他们直接去动手实践操控。因此，让儿童利用计算设备进行编程是满足这些需求的更有效的方式。

传统的编程通常是通过键盘输入文本语言来完成。这种编程方式对儿童而言，理解和使用起来很不方便。儿童很难记住和理解程序语言的语法、逻辑关系和程序架构等非常专业的知识。实物编程向儿童提供了一种编程的可行途径。实物编程通过触觉、物理感知等技术与实物交互，再将实物逻辑转化为程序逻辑来进行编程。通过实物编程系统，儿童可以对程序语言的逻辑有更加直观的理解。程序不再是一行行枯燥的代码，而是一组形象甚至一组实物的组合，儿童通过对实物的拼接组合，就可以完成普通程序语言通过键盘输入代码完成的工作。实物编程的特点决定了它更适合儿童进行编程操作。当前已经有一些实物编程的工作，主要可以分为两种类型。一种基于内置电子模块的实物编程比如DigitalConstructionSet,roBlocks，另一种是无电子模块的实物编程比如Tern。基于电子模块的实物编程是将电子设备嵌入实物编程块，通过编程块中的内置电子模块来向系统传递编程块相关语义信息。内置电子设备的实物编程系统虽然编程能力强，但普遍成本较高。而无电子元件的实体编程的语言模块的语义是通过摄像头或数码相机等视觉捕捉设备获取的，成本较低，但是也存在遮挡问题，并对环境光有一定要求。此外，很多系统在儿童编程中很少提供反馈。综合考虑，本发明提出了一种面向儿童的实物编程系统，儿童可以通过该系统进行编程的学习和操作。此外，本发明可用于新手编程的场景，让新手通过实物交互尽快理解和掌握编程的基本概念。

发明内容

本发明通过让儿童使用实物编程块来完成编程行为，解决了儿童学习编程的难题。本发明的目的在于为儿童提供一种实物编程方法及系统，使得其可以摆脱编程语言繁冗的语法，专注于程序设计本身。

本发明的技术方案为：

本儿童实物编程系统如图1所示。其特征在于包括若干实物编程块、图像采集单元、实物编程处理单元、迷宫地图生成模块，迷宫问题生成模块、得分统计模块、用户登录模块、实物编程显示环境的输入输出设备(部分内容参见发明：一种实物编程方法和系统，发明号：ZL201110079139.6)。所述的实物编程的序列是通过编程图像采集模块进行图像采集，输入到计算机进行语义分析，之后进行程序的执行。

1.所述实物编程块是表达实物编程语句的载体。在每个实物编程块表面均贴有TopCode计算机视觉识别码和编程语义图形，这样一方面便于计算机的识别和处理，另外也方便了儿童理解和记忆不同的实物编程块的语义。实物语义是通过摄像头采集并发送到电脑端。

进一步的，实物编程块分为四大类：第一类是开始结束编程块。有开始和结束两种编程块，表示程序的开始和结束；第二类是方向编程块，包括直行、左转、右转三种种编程块，表示迷宫中虚拟人物行走的方向；第三类是循环编程块，包括循环开始、循环结束编程块用来标示一个循环的起始和结束，使用时中间加入表达循环次数的数字块。第四类是据子块，包括从1到9的九个数字编程块，用来代表循环的次数。

进一步的，所述的摄像头是用于采集实物编程的程序。摄像头通过USB口与计算机相连，每隔一段时间，由计算机控制摄像头对用户摆放的实物编程块进行拍照，并将拍好的照片传给计算机上的实物编程处理模块。

2.所述编程图像采集模块，定时发送采集命令，采集摄像头拍摄范围内的实物程序，并将采集到的图像发送到计算机内部的实物编程处理单元。

3.所述实物编程处理单元存储所述实物编程显示环境的语法语义判定规则，每一所述实物编程块的表面设有一计算机视觉识别码和一语义图形；所述实物编程处理单元用于判断所述图像采集单元当前采集的实物编程块序列所对应的功能语义序列是否满足所述实物编程显示环境的语法语义判定规则，并根据判断结果反馈提示信息。

4.所述实物编程处理单元提取实物程序的图像，结合迷宫地图，进行分析理解和语义处理，然后给出编程反馈。

进一步的，编程反馈主要是语音、图像和文字反馈。

进一步的，实物编程处理模块对实物程序进行识别理解和语义分析，给出对应的功能语义序列。

进一步的，实物程序处理模块根据功能语义与内部迷宫地图进行匹配，判断实物程序的正

确与否，并给出实时的反馈信息。

5.所述的迷宫地图，是由至少一条从起到到终点的可行路径组成，路径的存储有特定的规则，路径上有若干试题。

进一步的，按照任务在地图中所占单元格数，将迷宫任务分为三级：小型5*5的迷宫(简单任务)，第二级中型7*7的迷宫(中等难度的任务)，第三级大型9*9的迷宫(复杂的任务)。

进一步的，迷宫路径上的试题(或称为问题)是由出题规则给出题目类型和难易程度，并在运行阶段随机载入相应的试题。

6.所述的迷宫地图，是在一个10*10的方格区域，由专门的迷宫自动生成算法实现的迷宫路径。

进一步的，每种迷宫路径上的试题数量不同，小型迷宫的是3个，中型迷宫的是5，大型迷宫的试题数量是7。

7.所述的迷宫生成算法，是根据迷宫的大小，设定初始和终止单元格，之后用深度优先算法，生成可行路径就构成了完整的迷宫。

进一步的，可行路径的生成算法，首先是根据初始化10*10地图的单元格(如，可以置初值为1)，根据设定的任务类型，在地图中选取迷宫的一个开始点，之后遍历可行的路径，再根据任务类型，随机加入不同数量的问题标记，最后打印输出迷宫题图。

8.所述的问题生成模块是根据用户信息、任务信息产生的迷宫试题。

进一步的，迷宫中的试题是由问题生成模块产生，它是根据出题规则从当前的试题库中选出，并在系统运行阶段加载到游戏中。试题分为3类，分别适合小班、中班、大班不同年龄儿童。题目有语文、数学、常识题等。试题存放在试题库中。

9.所述的得分统计模块是根据迷宫游戏任务难度和试题难度，答题时间以及是否回答正确来统计用户得分，并实时给出文字形式的分数结果。

10.所述的用户登陆模块是记录和维护用户基本信息和使用情况，如，使用系统的次数，每次的问题和得分信息等，并将其存储在用户信息库中。

11.所述系统还包括语音输出装置、鼠标和键盘输入设备，所述实物编程处理单元分别与所述语音输出装置、鼠标和键盘笔连接。

本系统在现有的基于文本的计算机编程语言上，通过计算机视觉和人机交互等技术，实现了支持儿童的实物编程系统，极大的简化了儿童以及新手学习编程的过程，使儿童可以将精力集中在解决问题和处理程序逻辑本身，尽量避免了编程语言语法学习的困扰。而且，在系统中加入了与儿童年龄相关的试题，在编程的同时，让他们学习和巩固学到的知识，并在游戏之后给出一个成绩，增加了系统对于儿童的吸引力。由于本系统容易实现且成本低廉，所以具有很好的推广潜力。在儿童教育、家庭娱乐、儿童编程学习等环境下，用户都可以通过完成系统中的任务来学习编程相关知识。

与现有技术相比，本发明具有如下的优点和技术效果：

1.给出了一个儿童实物编程系统。

本发明给出的儿童实物编程系统，通过摄像头和计算机视觉技术实现了通过实物编程块进行编程的系统。并融合了儿童所接触的知识，提升了游戏的兴趣。另外，实物编程方法语法简单，使得儿童更容易学习和使用。

2.提供了更适合低龄儿童的编程方式。

本发明设计的编程行为，更适合低龄儿童。并且通过设计的得分系统，使得其路径上的题目更能符合儿童的年龄段和知识水平。

3.提供了一种迷宫自动生成算法。

本发明提供了自动生成迷宫的算法，根据给定任务的难度和问题数量，在一个10*10的地图上，自动生成迷宫可行路径和分支死路。

4.提供了一种分数统计规则和出题规则。

本发明提供了一种分数统计规则，可以按照儿童游戏时任务的难度、问题难度、回答情况和答题时间等的归一化后加权求和，给出最终的得分。还提供了迷宫的出题规则，该规则利用儿童的信息以及近几次回答情况，来选择合适的题目。

5.支持实时的多媒体反馈，使程序调试更加便捷。

系统支持在每次对于用户编写程序的编译分析后，通过图像和语音等多媒体方式给以用户反馈，使调试过程更加容易。

6.成本低廉，易于推广。

相比于其他的一些实物交互系统，本系统的实现不需要特别昂贵的交互设备。

附图说明

图1本系统结构图；

图2迷宫生成流程图；

图3本系统的基本处理流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的技术人员更好的理解，下面结合附图和实施方式对本交互方法作进一步的详细说明：

在介绍系统流程之前，先给出迷宫生成流程，如图2所示。首先选择任务对应迷宫地图大小，将迷宫地图的二维数组初始化为1。将选定大小的迷宫地图的边界置为0。随机在迷宫地图的二维数组中选取一个行号为偶数的点(或称为单元格)作为迷宫的初始点开始深度优先遍历：选择一个方向，判断该方向上下下个点是否为1，是就标记下一个点和下下个点为可行路径点(置为0)，否则换一个方向判断，直到遍历了该二维数组中所有点，将最后的点标记为终止点。这样就给出了一条可行的路径。根据地图的大小，随机在路径上放置问题标识，以便程序运行时，在该位置上放置测试问题。最后按照迷宫地图中各种元素的对应关系及表示图形，输出迷宫地图。根据这一流程，实现了迷宫制作的程序。并且生成了小型、中型、大型各10个迷宫地图，存储在迷宫地图库中。

本发明的实现流程如图3所示。主要初始控制、编程调试和程序执行三个阶段。

首先介绍初始控制阶段。图3此阶段主要分为用户登录、用户输入监听和用户输入分析三个功能。用户登录时需要提供用户初始信息和使用情况。用户输入监听是用来监听用户操作的鼠标信息，之后将输入数据传给用户输入分析对数据进行分析理解，判断编程的阶段。用户输入监听和用户分析部分与已有的专利一致。在此不再赘述。下面说明用户登录模块的详细功能：

用户登录主要是记录和维护用户数据库中的用户基本信息和使用情况。用户的基本信息包括用户名、密码、姓名、年龄、年级等。用户的使用情况包括每一次使用时间、使用时长、完成任务类别，回答问题类别，答题时间以及答题正确率等。

每次用户进入系统都需要维护用户信息。主要的目的是为了给用户提供更合适的题目并给出更加客观合理的用户得分。

每次用户进入系统，根据用户的基本情况和用户的选择，从地图库中载入合适的迷宫地图提供给用户。例如，对于中班的用户，系统随机加载中型的迷宫。同时，当用户进入运行程序时，也将中班的问题提供给他。

在完成了初始控制阶段后，程序将进入编译调试阶段或者进入程序执行阶段。进入程序执行阶段时，若没有通过编译的程序，系统将不会执行任何代码，迷宫中的虚拟人物会停止在开始单元格上。

编译调试阶段是整个系统最重要的阶段。在这个阶段中，用户需要通过实时调试和编译来完成程序的编写。通过编写程序来为迷宫中的虚拟人物选择一条从迷宫开始单元格到迷宫结束单元格的可行路径。在这个阶段主要是通过计算机视觉技术来对用户通过实物编程块编写的程序进行识别，编译并给出反馈。这部分的功能与已有的专利基本一致。

与以前专利的不同之处在于运行阶段迷宫地图中增加了问题，设定了出题规则和得分规则。下面就结合运行阶段，介绍新增的功能。

在编程结束之后，用户可以按下运行按钮，系统进入程序运行阶段时。系统主要进行两方面的处理。一方面，执行用户在编程调试阶段所完成的程序，即用户选择的一条从入口到出口的迷宫路径。另一方面，当迷宫中的虚拟人物按照预先设定路线走到相应的问题单元格的时候，只有回答了相应的问题时才能继续，否则迷宫中的虚拟人物会停止在该问题单元格上。

(1)程序执行

如图2所示，在程序执行阶段主要分为读取程序指令，分析指令语义和指令执行几个阶段。

a.读取指令阶段。在这一阶段，系统会依次读取在编译调试阶段编译通过后保存的用户编写指令。

b.分析指令语义和指令执行。在这一阶段，将会对于在a中读取的指令进行分析并执行。在此阶段中，并没有对于指令正确与否的判断和反馈，因为所执行的指令应该均是经过编程调试阶段的可执行指令。在这一阶段，需要判断两个信息，1.当前是否已经走到了结束单元格，如果是，则结束程序执行，如果不是，则继续取指令执行。2.当前虚拟人物执行指令后是否走到问题单元格上，如果不是问题单元格，则更新界面和相应状态，继续执行。如果当前走到了问题单元格上，需要暂停取指令和执行，直到(2)问题被处理之后，才更新迷宫状态。

(2)问题弹出和回答

系统在进入程序执行时遇到问题单元格。系统从试题库中通过试题生成规则，调入相应的试题，显示在界面上。系统获得用户的答案之后，和内部数据库比对，并根据用户答案，更新用户得分。

试题生成规则，需要综合考虑用户的使用系统时间、任务的难度，以前回答问题的难度、回答问题的时间、答题的正确率等信息，其中首要考虑的是用户上次游戏回答问题的正确率。上述参数归一化后，给定不同的权重，就可以相加。如，设定了不同的初步设定的权重为：正确率是0.4，任务难度0.2，问题难度0.2，答题时间0.1，使用时间0.1。

得分规则考虑如下因素：问题难度、答题正确率、回答时间。这些参数归一化后，计算加权和，就得到用户得分，其中，各指标的权重为：任务难度0.3，问题难度是0.3，其他是0.2。得分计算出之后，要显示给用户，并更新用户数据库中相关信息。

综上所述，本发明给出了一种通过实物编程块来进行编程的方法并实现了儿童实物编程系统，有效的简化了编程语言的语法，使得儿童可以集中精力在解决问题本身的逻辑上，极大的提高了儿童对于编程的兴趣。

Claims (10)

1.一种面向儿童实物编程方法，其步骤为：

1)生成不同任务对应的迷宫地图，得到一迷宫地图库；

2)根据登录用户的用户信息，从迷宫地图库中选取一迷宫地图提供给登录户；

3)该登录用户根据该迷宫地图摆放实物编程块，得到一实物编程块序列；

4)采集该实物编程块序列的图像并将其发送给实物编程处理单元；

5)实物编程处理单元根据该迷宫地图对该图像进行语义处理，然后根据处理结果进行编程反馈，直至完成该迷宫地图的编程任务；

6)运行该登录用户编写的程序，控制该迷宫地图中对应角色在迷宫地图中移动，当移动到该迷宫地图中设定的问题单元格时，调用对应的试题；然后根据输入的答案更新该登录用户的得分。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，得到所述迷宫地图库的方法为：首先根据不同任务，设定对应的迷宫地图大小；然后将迷宫地图的二维数组初始化为1，将迷宫地图的边界置为0；然后随机在迷宫地图的二维数组中选取一个行号为偶数的点作为迷宫的初始点开始深度优先遍历：选择一个方向，判断该方向上下下个点是否为1，如果是，则标记下一个点和下下个点为可行路径点并置为0；否则换一个方向判断，直到遍历了该二维数组中所有点，然后将最后的点标记为终止点，得到一可行路径；然后在该可行路径上设置若干问题单元格，生成迷宫地图并保存到所述迷宫地图库中。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述迷宫地图库包括多个小型迷宫地图、多个中型迷宫地图、多个大型迷宫地图。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述用户信息包括用户名、密码、姓名、年龄、年级，以及每一次的使用时间、使用时长、完成任务类别、回答问题类别、答题时间、答题正确率。

5.如权利要求1或4所述的方法，其特征在于，根据登录用户的使用时间、完成任务的难度以及以前回答问题的难度、回答问题的时间、答题的正确率从试题库中调用对应的试题。

6.一种实物编程系统，其特征在于，包括若干实物编程块、图像采集单元、实物编程处理单元、用户登录模块、迷宫地图生成模块、迷宫问题生成模块、得分统计模块、实物编程显示环境的输入输出设备；所述实物编程处理单元分别与所述实物编程显示环境的输入输出设备、所述图像采集单元连接；其中，

所述迷宫地图生成模块，用于根据不同任务生成对应的迷宫地图并保存到一迷宫地图库中；

所述实物编程块的表面设有一计算机视觉识别码和一语义图形；

所述图像采集单元，用于采集的实物编程块序列；

所述实物编程处理单元，用于存储所述实物编程显示环境的语法语义判定规则，结合所选迷宫地图判断所述图像采集单元当前采集的实物编程块序列所对应的功能语义序列是否满足所述语法语义判定规则，并根据判断结果反馈提示信息；

用户登录模块，用于记录和维护登录用户的用户信息；

迷宫问题生成模块，用于根据登录用户的信息、任务情况调用相应的问题；

得分统计模块，用于根据输入的答案更新登录用户的得分。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述迷宫地图生成模块根据不同任务，设定对应的迷宫地图大小；然后将迷宫地图的二维数组初始化为1，将迷宫地图的边界置为0；然后随机在迷宫地图的二维数组中选取一个行号为偶数的点作为迷宫的初始点开始深度优先遍历：选择一个方向，判断该方向上下下个点是否为1，如果是，则标记下一个点和下下个点为可行路径点并置为0；否则换一个方向判断，直到遍历了该二维数组中所有点，然后将最后的点标记为终止点，得到一可行路径；然后在该可行路径上设置若干问题单元格，生成迷宫地图并保存到所述迷宫地图库中。

8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述用户信息包括用户名、密码、姓名、年龄、年级，以及每一次的使用时间、使用时长、完成任务类别、回答问题类别、答题时间、答题正确率。

9.如权利要求6或7或8所述的系统，其特征在于，所述迷宫问题生成模块根据登录用户的使用时间、完成任务的难度以及以前回答问题的难度、回答问题的时间、答题的正确率从试题库中调用对应的试题。

10.如权利要求6或7或8所述的系统，其特征在于，所述迷宫地图包括至少一条从起到到终点的可行路径，路径上设有若干试题。