CN108228153A - 一种面向合作的实物编程方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向合作的实物编程方法及系统。本方法为：角色初始化阶段，编程系统根据目标任务加载并显示对应的虚拟故事环境；编程系统根据接收到的角色编程块和属性编程块发出的数据更新虚拟故事环境中相应角色的属性信息；编程阶段，编程系统在该虚拟故事环境中根据该目标任务分别依次生成不同角色的指示任务，其中，每一参与者根据自己选取的角色当前对应的指示任务摆放行为编程块和同步编程块；编程系统根据当前接收到的行为编程块、同步编程块发出的数据得到对应的程序队列，如果当前程序队列符合设定的语法规则，则执行当前程序队列并生成后续指示任务；否则给出相应的反馈信息。本发明能够增强儿童计算思维的同时加强儿童的团队意识。
Description
技术领域
本发明属于人机交互领域，具体涉及到一种面向合作和基于故事环境的实物编程方法及系统。
背景技术
随着计算技术的飞速发展，面向早期教育的编程系统日渐普及。在已有研究证明儿童在早期接触编程有助于发展计算思维的大环境下，设计一种成熟的面向儿童的编程系统显得尤为重要。实验证明，实物编程系统在易学易用性，趣味性相较于其他系统都有着明显的优势。同时，合作编程有助于发展儿童的团队意识，根据上述现状，本发明设计一种面向合作编程的实物编程系统，提供培养儿童计算思维，合作意识的编程工具。
专利ZL 201210251967公开了一种基于红外和无线传输技术的实物编程方法和系统，其通过与电脑连接的无线处理模块通过不断向编程模块发送请求信号获取实物编程语义，再通过语义映射完成相应动作。ZL 201510695893公开了一种基于多语义的实物编程系统，应用了实物编程的二维编程特性。上述专利有以下不足之处：不能提供合作编程的接口，因而不能发展儿童的合作编程能力，编程反馈内部设计缺失。
发明内容
在当今实物编程的大环境下，本发明提出一种面向合作和与基于故事环境的实物编程方法及系统，包括基于RFID技术的实物编程模块和unity3D虚拟场景(参考：一种基于多语义的实物编程系统，申请号：201510695893)，系统架构如图2所示。在此基础上，本发明提供同步动作模块为用户提供了合作编程接口。同时，基于故事环境的3D模型增强了用户沉浸体验，与实际动作结合的实物编程模块增强了系统的易学易用性。本发明的编程模块语义与虚拟场景相结合，同时基于故事环境，方便儿童理解。
本发明分为三个阶段：角色初始化阶段，编程阶段和运行阶段。角色创建阶段儿童可以使用相应模块根据自己的喜好创建角色，编程阶段儿童根据任务摆放正确的模块序列完成相应任务，运行阶段虚拟系统读取模块序列语义结合背景故事给出相应反馈。
本发明的技术方案为：
一种面向合作的实物编程方法，其步骤包括：
角色初始化阶段，编程系统根据目标任务加载并显示对应的虚拟故事环境；编程系统根据接收到的角色编程块和属性编程块发出的数据更新虚拟故事环境中相应角色的属性信息；其中，每一参与者根据从该目标任务中选取的角色选取对应角色编程块及属性编程块；
编程阶段，编程系统在该虚拟故事环境中根据该目标任务分别依次生成不同角色的指示任务，其中，每一参与者根据自己选取的角色当前对应的指示任务摆放行为编程块和同步编程块；编程系统根据当前接收到的行为编程块、同步编程块发出的数据得到对应的程序队列，如果当前程序队列符合设定的语法规则，则执行当前程序队列并生成后续指示任务；如果当前程序队列不符合设定的语法规则，则给出相应的反馈信息；所述同步编程块包括等待编程块和通知编程块。
进一步的，编程阶段，若该虚拟故事场景中的一角色A需要另外一角色B完成设定动作之后才能继续进行，则编程系统在该角色A上给出等待标识，该角色A对应的参与者在当前摆放的行为编程块后摆放一等待编程块，当角色B对应的参与者根据收到的指示任务摆放完对应的行为编程块和通知编程块后，编程系统生成该角色A的指示任务，提示该角色A根据当前指示任务继续编程。
进一步的，所述行为编程块为用于控制角色行为的编程块；语义为走的行为编程块内设有RFID读卡器，用于读取磁片中的位置信息；四面语义分别为爬上、爬下、拿起/抬起、放下的行为编程块内设有三轴传感器，不同面的摆放方式发出的信号不同，从而表达相应语义。
进一步的，所述角色编程块为用来创建角色的编程块，所述属性编程块为用于为角色选择合适外形的编程块；所述属性编程块内设有RFID读卡器，用于读取磁片中的角色属性信息。
进一步的，每一编程块上设有一处理单元，用于接收编程系统中逻辑处理单元或其他编程块所发出的信号，并根据相应的信号向逻辑处理单元发送信号；其中，所述编程块包括角色编程块、属性编程块、同步编程块和行为编程块。
一种面向合作的实物编程系统，其特征在于，包括若干编程块、逻辑处理单元以及三维虚拟场景生成单元；所述编程块包括角色编程块、属性编程块、同步编程块和行为编程块；其中，逻辑处理单元，用于根据接收到的角色编程块和属性编程块发出的数据更新虚拟故事环境中相应角色的属性信息，以及根据接收到的行为编程块、同步编程块发出的数据得到对应的程序队列，如果当前程序队列符合设定的语法规则，则执行当前程序队列并生成后续指示任务；如果当前程序队列不符合设定的语法规则，则给出相应的反馈信息；三维虚拟场景生成单元，用于根据目标任务加载并显示对应的虚拟故事环境；以及显示不同角色的指示任务和反馈信息。
一种面向合作和与基于故事环境的实物编程系统，包含若干类别实物编程块，逻辑处理单元，以及三维虚拟场景生成单元和相应的数据资源库。
上述的实物编程块是整个系统的主要输入工具。每个实物编程块都具有发送接收信号的能力，计算机可以根据实物编程块所发出的信号参数判断实物编程块的种类，不同种类的实物编程块所发出的无线信号不同。实物编程块内部装有三轴传感器，不同的摆放方式发出的信号不同，同一编程块可以表达不同语义。同时，每种编程块都贴有方便儿童理解的语义标识图。
在本系统中实物编程块可以分为角色编程块、属性编程块、行为编程块以及同步编程块。其中属性编程块和一部分行为编程块内设有RFID读卡器，与有独立ID的磁片配合使用，以选择不同的参数。所有编程块通过一个带有USB接口的硬件模块与计算机交流信息。
角色编程块可以用来创建角色，配合属性编程块可以方便儿童为自己的角色选择合适的外形。属性编程块内设有RFID读卡器，可将代表不同角色属性的磁片放置在读卡器上方代表改变角色属性。
行为编程块被设计用于编程阶段搭建程序控制角色的行为。根据故事场景的设计，目前系统提供了6种动作：走、爬上、爬下、操作、拿起/抬起以及放下。其中语义为走的行为编程块内有RFID读卡器，可将代表不同位置的磁片放置在读卡器上方来代表走到该位置。其中四面语义分别为爬上、爬下、拿起/抬起、放下的行为编程块内有三轴传感器，不同面的摆放方式发出的信号不同，从而表达相应语义。
同步编程块主要是用于儿童在编程过程中的合作。目前提供了3种同步编程块：等待编程块、通知编程块和等待若干秒编程块。在本系统中，如果使用到了两名以上角色，则可以使用带参数的等待编程块和通知编程块。当一个角色的程序运行到等待指令时，角色会一直站在原地，直到用户使用同步编程块中的通知编程块让另一个角色发送通知指令，才会继续执行等待编程块后面的程序。等待和通知可以让两个角色并行执行的程序相互配合，对应于计算机科学中的线程或进程的同步概念，保证了两个儿童的合作效果。
在本发明中，通过重新设计编程块中的电路板，大量使用贴片式封装的元器件，以及优化布线，缩小了电路板的面积，增加了连接RFID读卡器模块的相关引脚，预留了多处引脚以供扩展新的模块。
编程块所发出或接收的信号会被编程块处理单元分析。计算机会不断收集编程块发出的信号，并将收集到的信号交由逻辑处理单元处理。
编程块上的处理单元也会分析计算机及其他编程块所发出的信号，并根据相应的信号向计算机发送信号。
所述逻辑处理单元会根据当前的实物编程块序列并结合虚拟环境分析编程块序列所表示的语义动作。
逻辑处理单元根据当前编程块序列对应程序队列的预运行结果判断程序有效性，如果数据有效则进一步更新程序队列的信息。
逻辑处理单元实时监视程序队列是否有修改，如果存在修改，则开启预执行，进行语法分析和语义理解，并结合场景刷新实时反馈信息。
所述的包含本系统所设计的虚拟环境的三维场景为儿童提供了3D环境下与编程块语义结合的故事背景与任务环境，儿童需要通过编程完成三维场景下的指示任务，同时数据资源库加强了反馈效果及沉浸体验。
数据资源库根据指示任务为儿童讲解符合正确编程序列语义的故事。
整个虚拟场景结合程序序列为儿童提供必要的反馈(包括纠错反馈与提示反馈以及任务完成后的鼓励反馈)。
合作编程设计为用户在环境中某一阶段需要另一用户完成协助动作才可以进行下一阶段动作，编程中用户使用等待块等待，当另一用户完成协助动作使用通知编程块之后用户可以继续编程。
与现有技术相比，本发明具有如下的优点和技术效果：
1本发明支持合作编程，可以在增强儿童计算思维的同时加强儿童的团队意识。在编程阶段，一人摆放等待块后，在屏幕上会出现相应反馈(人物上有一个时间漏斗)，只有当另一个人摆放通知块后，想计算机发送参数，计算机返回给等待块，等待块结束等待，相应反馈消失，用户可以进行下一阶段编程。编程过程需要等待他人。合作编程的过程中儿童们也会相互学习，相互帮助，相较于传统单人编程儿童更倾向有伙伴的合作编程。
2本发明所设计的编程语言与虚拟场景牢牢结合，方便儿童理解，同时动作序列的设计又需要儿童结合环境思考，丰富的程序块种类也增加了整个系统的趣味性。
3基于故事环境的系统可以提供丰富的想象空间，将儿童的编程任务带入到故事里可以给予儿童更加深刻的沉浸式体验，儿童在完成任务的同时也在探索完整故事也增加了系统的趣味性。
4本系统的双向信号传播处理实现的同步编程块在合作上可以给予儿童更加实时的交互体验。
5本系统在儿童进行编程活动中所给予的反馈信息会实时展现在虚拟环境中，方便儿童更加直观的理解编程块的语义及环境故事。
附图说明
图1为本发明系统流程图；
图2为本发明系统架构图。
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：
系统的流程图如图1所示，流程总体上可以分为三个阶段：角色初始化阶段，编程阶段和运行阶段。
1、角色初始化阶段，系统会根据选择的任务加载显示相应的故事场景，并使用角色的默认属性加载角色资源。
2、系统会打开串口并实时监听，获取角色编程块和属性编程块传来的数据更新相应角色的属性信息。
进一步的，系统判断编程块传来的信息是否有效，有效则进入步骤3，否则进入步骤4。
3、系统根据有效的编程块信息更新角色属性信息，并为儿童讲述包含指示任务的背景故事。
4、询问是否进入编程阶段，是则进入下一阶段，否则返回步骤2。
编程阶段，系统分析序列语义并结合环境给出相应反馈。
1、编程阶段，系统首先会初始化场景中所有交互元素的初始状态(例如，门在运行之前是关闭的)，还原角色的初始位置和状态。
2、系统会实时监听行为编程块和同步编程块串口传来的编程块数据，接收到数据时会根据语义映射表对数据进行解析。
3、判断有效性，如果数据有效则进入步骤4，否则跳过步骤4。
4、根据有效的编程块数据更新编程队列。
5、系统会实时监视程序队列是否有修改，如果存在修改，进入步骤6，否则跳过步骤6。
6、开启预执行，进行语法分析和语义理解，并结合场景刷新实时反馈信息。在此阶段，系统将会结合两段程序序列中的同步编程块分析。若用户角色在场景中需要另外角色完成相应动作之后才能继续下一个动作，用户在程序序列中使用等待编程块，系统会在屏幕对应角色上给出等待标识，只有当等待编程块被唤醒后后续编程块信号才能生效。当另一段程序结合场景使用同步编程块中的通知编程块，表示合作动作完成，计算机收到通知编程块信息后向等待编程块发送唤醒信息，等待编程块序列可以继续编程。
运行阶段儿童可以结合背景故事执行已经编写好的程序，系统在此阶段可以给出丰富的反馈信息。
1、运行阶段，系统首先会读取两名角色的程序指令。
2、系统根据语义规则分析两名角色的程序指令。
3、根据两名角色的指令结合数据资源库给出符合故事背景的动作，系统在这一阶段结合虚拟场景完成指示任务。
4、系统同步处理两名儿童的指令序列。结合儿童们的同步编程块处理，系统对儿童在故事合作部分的讲演给出相应的动画及反馈信息，使儿童团队工作得到鼓励。
综上所述，本发明给出了一种面向合作和与基于故事环境的实物编程系统。实物编程块包括了结合故事背景的动作块及用于合作的同步块。简明的编程块语义增强了系统的易学易用性。合作编程可以在增强儿童计算思维的同时加强儿童的团队意识。结合故事背景的编程环境也增强了本发明的趣味性。丰富的反馈信息以及基于unity3D的虚拟环境也可以给予儿童更强的吸引力。整个系统给予了儿童一个方便的实物编程环境。
Claims (10)
1.一种面向合作的实物编程方法，其步骤包括：
角色初始化阶段，编程系统根据目标任务加载并显示对应的虚拟故事环境；编程系统根据接收到的角色编程块和属性编程块发出的数据更新虚拟故事环境中相应角色的属性信息；其中，每一参与者根据从该目标任务中选取的角色选取对应角色编程块及属性编程块；
编程阶段，编程系统在该虚拟故事环境中根据该目标任务分别依次生成不同角色的指示任务，其中，每一参与者根据自己选取的角色当前对应的指示任务摆放行为编程块和同步编程块；编程系统根据当前接收到的行为编程块、同步编程块发出的数据得到对应的程序队列，如果当前程序队列符合设定的语法规则，则执行当前程序队列并生成后续指示任务；如果当前程序队列不符合设定的语法规则，则给出相应的反馈信息；所述同步编程块包括等待编程块和通知编程块。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，编程阶段，若该虚拟故事场景中的一角色A需要另外一角色B完成设定动作之后才能继续进行，则编程系统在该角色A上给出等待标识，该角色A对应的参与者在当前摆放的行为编程块后摆放一等待编程块，当角色B对应的参与者根据收到的指示任务摆放完对应的行为编程块和通知编程块后，编程系统生成该角色A的指示任务，提示该角色A根据当前指示任务继续编程。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述行为编程块为用于控制角色行为的编程块；
语义为走的行为编程块内设有RFID读卡器，用于读取磁片中的位置信息；四面语义分别为爬上、爬下、拿起/抬起、放下的行为编程块内设有三轴传感器，不同面的摆放方式发出的信号不同，从而表达相应语义。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述角色编程块为用来创建角色的编程块，所述属性编程块为用于为角色选择合适外形的编程块；所述属性编程块内设有RFID读卡器，用于读取磁片中的角色属性信息。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，每一编程块上设有一处理单元，用于接收编程系统中逻辑处理单元或其他编程块所发出的信号，并根据相应的信号向逻辑处理单元发送信号；其中，所述编程块包括角色编程块、属性编程块、同步编程块和行为编程块。
6.一种面向合作的实物编程系统，其特征在于，包括若干编程块、逻辑处理单元以及三维虚拟场景生成单元；所述编程块包括角色编程块、属性编程块、同步编程块和行为编程块；
其中，
逻辑处理单元，用于根据接收到的角色编程块和属性编程块发出的数据更新虚拟故事环境中相应角色的属性信息，以及根据接收到的行为编程块、同步编程块发出的数据得到对应的程序队列，如果当前程序队列符合设定的语法规则，则执行当前程序队列并生成后续指示任务；如果当前程序队列不符合设定的语法规则，则给出相应的反馈信息；
三维虚拟场景生成单元，用于根据目标任务加载并显示对应的虚拟故事环境；以及显示不同角色的指示任务和反馈信息。
7.如权利要求6所述的实物编程系统，其特征在于，所述行为编程块为用于控制角色行为的编程块；语义为走的行为编程块内设有RFID读卡器，用于读取磁片中的位置信息；四面语义分别为爬上、爬下、拿起/抬起、放下的行为编程块内设有三轴传感器，不同面的摆放方式发出的信号不同，从而表达相应语义。
8.如权利要求6所述的实物编程系统，其特征在于，所述角色编程块为用来创建角色的编程块，所述属性编程块为用于为角色选择合适外形的编程块；所述属性编程块内设有RFID读卡器，用于读取磁片中的角色属性信息。
9.如权利要求6所述的实物编程系统，其特征在于，每一所述编程块上设有一处理单元，用于接收逻辑处理单元或其他编程块所发出的信号，并根据相应的信号向逻辑处理单元发送信号。
10.如权利要求9所述的实物编程系统，其特征在于，若该虚拟故事场景中的一角色A需要另外一角色B完成设定动作之后才能继续进行，则逻辑处理单元在该角色A上给出等待标识，该角色A对应的参与者在当前摆放的行为编程块后摆放一等待编程块，当角色B对应的参与者根据收到的指示任务摆放完对应的行为编程块和通知编程块后，逻辑处理单元生成该角色A的指示任务，提示该角色A根据当前指示任务继续编程。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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