CN108961927A - 计算机编程学习教具、识别运行系统及方法 - Google Patents
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Abstract
计算机编程学习教具、识别运行系统及方法，根据学习卡片上的题目通过积木块组合编程语句，将组合完毕的积木块摆放在磁性基底上，以及将对应的学习卡片置于磁性基底上的卡片放置部区域；通过移动终端获取计算机编程学习教具的磁性基底上排列的积木块图像数据，并将获取的积木块图像数据上传到终端服务器；通过识别算法对终端服务器获取的积木块图像中的轮廓、特征图片和文字进行识别；根据积木块图像中的轮廓、特征图片和文字确定积木块的摆放顺序和参数并生成程序语句或函数；对生成的程序语句或函数进行执行，并对程序语句或函数的执行结果进行判定是否解决目标问题。本发明降低编程学习要求，适合普及教育，易被儿童接受，减少视力伤害。
Description
技术领域
本发明涉及计算机编程学习和教学技术领域，具体涉及一种计算机编程学习教具、识别运行系统及方法。
背景技术
周知的，计算机编程是通过计算机语言编辑程序让电脑执行的过程，具有代表性的计算机语言有Java，BASIC，C，C++，VB，VF，SQL,网页编程JSP，ASP，PHP，软件有eclipse，Microsoft Visual Studio，Microsoft Visual Basic，Microsoft SQL Server等等。
针对计算机编程这一高级性的学习活动一般在大学阶段进行教学学习，现有技术缺少辅助计算机编程学习相关的技术方案，编程学习对设备的要求较高，不适合编程普及教育，编程学习不容易被儿童接受，编程学习也容易对儿童视力和身体造成损害。美国麻省理工学院针对少儿编程，设计了Scratch编程方法。通过将程序指令抽象成积木，降低儿童学习的成本。这种方法让儿童在计算机上拖拽积木既可以编写简单的程序，并直接运行。现有技术至少存在以下问题：需要电脑或平板设备，编程教学和学习的门槛比较高；儿童需要拖拽或使用鼠标，对于低龄儿童来说不够直观；长期使用电脑或平板，对儿童的视力会有损害。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种计算机编程学习教具、识别运行系统及方法，能够用于计算机编程学习，儿童无需电脑，通过直观的积木拼接，基于现有的人工智能视觉识别技术和终端设备实现原本需要电脑完成的编程学习，大大降低了编程学习对设备的要求，更适合编程普及教育，直观的操作更容易被儿童接受，同时也减少对视力和身体的损害。
为实现上述目的，本发明实施例提供一种计算机编程学习教具，所述学习教具包括磁性基底，所述磁性基底上排列有若干积木块，所述积木块采用磁性材质，积木块边缘形成有咬合接口，积木块的表面设有特征标签、代码标签或参数标签；所述磁性基底上还形成有用以放置编程题目学习卡片的卡片放置部。
作为计算机编程学习教具的优选方案，所述磁性基底和积木块之间吸附；积木块之间互相吸附或叠加，磁性基底采用铁材质或磁性材质。
作为计算机编程学习教具的优选方案，所述咬合接口呈矩形、梯形或三角形状，积木块之间通过咬合接口并列组接，或积木块之间上下叠加排列。
作为计算机编程学习教具的优选方案，所述特征标签配置有程序关键字或函数指令特征图标或图像；所述代码标签配置有程序关键字或函数指令代码文字；所述参数标签配置有程序关键字或函数指令判断参数。程序关键字或函数指令包括开始、移动、绘图、动作、循环或条件判断等。
本发明实施例另外提供一种计算机编程学习识别运行系统，所述识别运行系统包括上述的学习教具，所述识别运行系统还包括移动终端和终端服务器，所述移动终端与所述终端服务器建立连接关系；
所述移动终端配置有图像获取模块和数据传输模块，所述图像获取模块用于通过摄像头获取计算机编程学习教具上排列的积木块图像数据；所述数据传输模块用于将获取的积木块图像数据上传到终端服务器；
所述终端服务器配置有数据识别模块、指令合成模块、程序执行模块和执行判定模块；所述数据识别模块用于通过识别算法对终端服务器获取的积木块图像中的轮廓、特征图片和文字进行识别；所述指令合成模块用于根据积木块图像中的轮廓、特征图片和文字确定积木块的摆放顺序和参数并生成程序语句或函数；所述程序执行模块用于对生成的程序语句或函数进行执行；所述执行判定模块用于对程序语句或函数的执行结果进行判定是否解决目标问题。
作为计算机编程学习识别运行系统的优选方案，所述移动终端还配置有运行展示模块，所述运行展示模块用于对积木块上的程序指令的执行结果进行渲染表达。
作为计算机编程学习识别运行系统的优选方案，所述终端服务器还配置有关卡存储模块和积木块数据存储模块，所述关卡存储模块用于预先存储根据设计需要进行编程解决的关卡编号和说明数据；所述积木块数据存储模块用于预先存储根据设计需要进行编程解决的积木块特征数据。
本发明实施例还提供一种计算机编程学习识别运行方法，所述识别运行方法利用上述的学习教具，通过上述的识别运行系统实现，所述识别运行方法包括：
步骤一：根据学习卡片上的题目通过积木块组合编程语句，将组合完毕的积木块摆放在磁性基底上，以及将对应的学习卡片置于磁性基底上的卡片放置部区域；
步骤二：通过移动终端调用图像获取模块利用摄像头获取计算机编程学习教具的磁性基底上排列的积木块图像数据，并调用数据传输模块将获取的积木块图像数据上传到终端服务器；
步骤三：终端服务器调用数据识别模块通过识别算法对终端服务器获取的积木块图像中的轮廓、特征图片和文字进行识别；
步骤四：调用指令合成模块根据积木块图像中的轮廓、特征图片和文字确定积木块的摆放顺序和参数并生成程序语句或函数；
步骤五：调用程序执行模块对生成的程序语句或函数进行执行，并调用执行判定模块对程序语句或函数的执行结果进行判定是否解决目标问题。
作为计算机编程学习识别运行方法的优选方案，所述步骤五中还包括调用运行展示模块对积木块上的程序指令的执行结果进行渲染表达。
作为计算机编程学习识别运行方法的优选方案，所述步骤五中，执行判定模块在判定过程中调用关卡存储模块中的根据设计需要进行编程解决的关卡编号和说明数据；执行判定模块在判定过程中还调用积木块数据存储模块中的根据设计需要进行编程解决的积木块特征数据。
本发明实施例具有如下优点：使用本发明的技术方案，无需完全依赖电脑，一个课堂也只需一台终端设备如智能手机即可，大大降低编程教育的成本，有利于编程学习的普及，使用有磁力的各种积木块，组合成完成任务的程序只需移动对应的积木，操作直观，解题和思考也无需一直观看电脑屏幕，保护儿童的视力。
附图说明
图1为本发明实施例提供的计算机编程学习教具结构示意图；
图2为本发明实施例提供的计算机编程学习识别运行系统示意图；
图3为本发明实施例提供的计算机编程学习识别运行方法示意图；
图4为本发明实施例提供的计算机编程学习识别运行方法使用流程图；
图5为本发明实施例提供的一个编程闯关设计方案图；
图6为本发明实施例提供的一个故事创作设计方案图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明实施例中涉及的算法采用现有的图像目标识别算法、二维码识别算法和OCR文字识别算法。
参见图1，一种计算机编程学习教具，所述学习教具包括磁性基底1，所述磁性基底1上排列有若干积木块2，所述积木块2采用磁性材质，积木块2边缘形成有咬合接口3，积木块2的表面设有特征标签4、代码标签5或参数标签6；所述磁性基底1上还形成有用以放置编程题目学习卡片的卡片放置部7。
计算机编程学习教具的一个实施例中，所述磁性基底1和积木块2之间吸附，积木块2之间互相吸附或叠加，磁性基底采用铁材质或磁性材质。积木块2可吸附在磁性基底1上。学习教具每个积木块2可以由软橡胶磁铁制成，正面印刷说明文字和图片。积木块2之间有咬合接口3，可排成多个序列完成多个任务。
计算机编程学习教具的一个实施例中，所述咬合接口3呈矩形、梯形或三角形状，积木块2之间通过咬合接口3并列组接，或积木块2之间上下叠加排列。积木块2之间的组合除了平铺在底板上，也可以垂直叠加。通过叠加，可以指定同一个积木块2的不同的参数。例如支持参数的指令，在参数标签6处留有空白。幼童可以将带有参数的积木块2(如颜色块)叠加在指令积木块2上，也可以用笔在标签的空白处填写文字(如数字)。
计算机编程学习教具的一个实施例中，所述特征标签4配置为开始、移动、绘图、动作、循环或条件判断等程序关键字或函数指令特征图标或图像；所述代码标签5配置为开始、移动、绘图、动作、循环或条件判断等程序关键字或函数指令代码文字；所述参数标签6配置为开始、移动、绘图、动作、循环或条件判断等程序关键字或函数指令参数。
本发明的学习教具可以配备学习和任务手册，指导儿童和家长学习编程基本概念，以及用编程解决的具体问题。手册可以含有多个不同类型的任务，都可以使用编程积木解决。
本发明可以应用在课堂场合，教师可以在教师白板上用本积木块2教学，并且儿童可以在下面学习理解。只需要将拼接好的作品由老师扫描一下就可以知道结果。还可以应用在家庭场合，适合亲子互动，在线学习，降低了孩子使用电脑的时间。
参见图2，本发明另外提供一种计算机编程学习识别运行系统，所述识别运行系统包括上述的学习教具，所述识别运行系统还包括移动终端8和终端服务器9，所述移动终端8与所述终端服务器9建立连接关系；
所述移动终端8配置有图像获取模块10和数据传输模块11，所述图像获取模块10用于通过摄像头获取计算机编程学习教具上排列的积木块2图像数据；所述数据传输模块11用于将获取的积木块2图像数据上传到终端服务器9；
所述终端服务器9配置有数据识别模块12、指令合成模块13、程序执行模块14和执行判定模块15；所述数据识别模块12用于通过识别算法对终端服务器9获取的积木块2图像中的轮廓、特征图片和文字进行识别；所述指令合成模块13用于根据积木块2图像中的轮廓、特征图片和文字确定积木块2的摆放顺序和参数并生成程序语句或函数；所述程序执行模块14用于对生成的程序语句或函数进行执行；所述执行判定模块15用于对程序语句或函数的执行结果进行判定是否解决目标问题。
计算机编程学习识别运行系统的一个实施例中，所述移动终端8还配置有运行展示模块16，所述运行展示模块16用于对积木块2上的程序指令的执行结果进行渲染表达。在终端设备上，通过运行展示模块16进行渲染，通过终端设备的屏幕和扬声器进行声音或动画表达。
计算机编程学习识别运行系统的一个实施例中，所述终端服务器9还配置有关卡存储模块17和积木块数据存储模块18，所述关卡存储模块17用于预先存储根据设计需要进行编程解决的关卡编号和说明数据；所述积木块数据存储模块18用于预先存储根据设计需要进行编程解决的积木块2特征数据。
参见图3和图4，本发明实施例还提供一种计算机编程学习识别运行方法，所述识别运行方法利用上述的学习教具，通过上述的识别运行系统实现，所述识别运行方法包括：
S1：根据学习卡片上的题目通过积木块2组合编程语句，将组合完毕的积木块2摆放在磁性基底1上，以及将对应的学习卡片置于磁性基底1上的卡片放置部7区域；
S2：通过移动终端8调用图像获取模块10利用摄像头获取计算机编程学习教具的磁性基底1上排列的积木块2图像数据，并调用数据传输模块11将获取的积木块2图像数据上传到终端服务器9；
S3：终端服务器9调用数据识别模块12通过识别算法对终端服务器9获取的积木块2图像中的轮廓、特征图片和文字进行识别；
S4：调用指令合成模块13根据积木块2图像中的轮廓、特征图片和文字确定积木块2的摆放顺序和参数并生成程序语句或函数；
S5：调用程序执行模块14对生成的程序语句或函数进行执行，并调用执行判定模块15对程序语句或函数的执行结果进行判定是否解决目标问题。
计算机编程学习识别运行方法的一个实施例中，所述S5中还包括调用运行展示模块16对积木块2上的程序指令的执行结果进行渲染表达。执行判定模块15在判定过程中调用关卡存储模块17中的根据设计需要进行编程解决的关卡编号和说明数据；执行判定模块15在判定过程中还调用积木块数据存储模块18中的根据设计需要进行编程解决的积木块2特征数据。
参见图5，本发明的一个编程闯关的实践场景为：
制作商设计需要编程解决的关卡，如迷宫寻宝。将所有关卡卡片对应的图像、角色、动画、目标和解决方法等都上传到终端服务器，将配套的识别软件放到网站和手机应用商店中。
制作商生产编程闯关类型积木块，提供该闯关需要的配套积木块编程学习卡片，包括：
关卡卡片：当前关卡的编号和图文说明；
上、下、左、右，开宝箱等指令积木块；
程序积木块：数字、启动、循环、条件判断等程序控制指令。
幼童的家长购买该套编程学习教具，按照商家的提示下载并安装配套软件到手机中。幼童首先根据卡片印刷的迷宫关卡和角色位置，推断出需要使用的积木块，然后按顺序将积木块摆放到磁性基底上。家长打开手机上的配套软件，根据软件的提示对带有积木块的磁性基底进行拍照，系统识别积木块代表的程序语句，并执行。在手机屏幕上显示程序运行的每一步和对应结果，以生动的动画方式表示。如果有错误手机屏幕上会有相应的提示。家长可以和孩子一起解决程序问题。在此过程中，孩子对问题和编程的思考，不需要手机屏幕完全通过关卡卡片和编程积木完成。磁力积木的移动和摆放容易，可以让孩子更多的精力放在编程思考上。
参见图6，本发明的一个故事创作的实践场景为：
制作商设计不同的角色、场景、时间、音乐等素材，将这些素材上传到终端服务器，将配套的识别软件放到网站和手机应用商店中。
制作商生产故事创作类型积木块，提供该闯关需要的配套积木块编程学习卡片，包括：
关卡卡片：当前场景的编号和图文说明；
角色、运动、对话、音乐选择、场景选择、事件等积木块；
程序积木：数字、启动、循环、条件判断等程序控制指令。
幼童的家长购买该套编程积木，按照商家的提示下载并安装配套软件到手机。幼童根据手册上的说明，自由发挥故事的结构。如可以指定角色的运动方式，碰撞后的对话，指定背景图片、背景音乐等。幼童使用积木可以创作小的动画剧。家长打开手机上的配套软件，根据软件的提示对带有积木块的磁性基底进行拍照，系统识别积木块代表的程序语句，并执行。每一步执行后有一定的延时，连续执行下去就可以有生动的故事演示。在此过程中，幼童有了直观的积木，可以随意创作各种小故事，还可以记录下来分享。创作过程完全不需要使用复杂的软件或计算机，更符合孩子的天性。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.计算机编程学习教具，其特征在于：所述学习教具包括磁性基底(1)，所述磁性基底(1)上排列有若干积木块(2)，所述积木块(2)采用磁性材质，积木块(2)边缘形成有咬合接口(3)，积木块(2)的表面设有特征标签(4)、代码标签(5)或参数标签(6)；所述磁性基底(1)上还形成有用以放置编程题目学习卡片的卡片放置部(7)。
2.根据权利要求1所述的计算机编程学习教具，其特征在于：所述磁性基底(1)和积木块(2)之间吸附；积木块(2)之间互相吸附或叠加，磁性基底(1)采用铁材质或磁性材质。
3.根据权利要求1所述的计算机编程学习教具，其特征在于：所述咬合接口(3)呈矩形、梯形或三角形状，积木块(2)之间通过咬合接口(3)并列组接，或积木块(2)之间上下叠加排列。
4.根据权利要求1所述的计算机编程学习教具，其特征在于：所述特征标签(4)配置有程序关键字或函数指令特征图标或图像；所述代码标签(5)配置有程序关键字或函数指令代码文字；所述参数标签(6)配置有程序关键字或函数指令判断参数。
5.计算机编程学习识别运行系统，所述识别运行系统包括如权利要求1至4任意一项所述的学习教具，其特征在于：所述识别运行系统还包括移动终端(8)和终端服务器(9)，所述移动终端(8)与所述终端服务器(9)建立连接关系；
所述移动终端(8)配置有图像获取模块(10)和数据传输模块(11)，所述图像获取模块(10)用于通过摄像头获取计算机编程学习教具上排列的积木块(2)图像数据；所述数据传输模块(11)用于将获取的积木块(2)图像数据上传到终端服务器(9)；
所述终端服务器(9)配置有数据识别模块(12)、指令合成模块(13)、程序执行模块(14)和执行判定模块(15)；所述数据识别模块(12)用于通过识别算法对终端服务器(9)获取的积木块(2)图像中的轮廓、特征图片和文字进行识别；所述指令合成模块(13)用于根据积木块(2)图像中的轮廓、特征图片和文字确定积木块(2)的摆放顺序和参数并生成程序语句或函数；所述程序执行模块(14)用于对生成的程序语句或函数进行执行；所述执行判定模块(15)用于对程序语句或函数的执行结果进行判定是否解决目标问题。
6.根据权利要求5所述的计算机编程学习识别运行系统，其特征在于：所述移动终端(8)还配置有运行展示模块(16)，所述运行展示模块(16)用于对积木块(2)上的程序指令的执行结果进行渲染表达。
7.根据权利要求5所述的计算机编程学习识别运行系统，其特征在于：所述终端服务器(9)还配置有关卡存储模块(17)和积木块(2)数据存储模块(18)，所述关卡存储模块(17)用于预先存储根据设计需要进行编程解决的关卡编号和说明数据；所述积木块(2)数据存储模块(18)用于预先存储根据设计需要进行编程解决的积木块(2)特征数据。
8.计算机编程学习识别运行方法，所述识别运行方法利用如权利要求1至4任意一项所述的学习教具，通过如权利要求5至7任意一项所述的识别运行系统，其特征在于：所述识别运行方法包括：
步骤一：根据学习卡片上的题目通过积木块(2)组合编程语句，将组合完毕的积木块(2)摆放在磁性基底(1)上，以及将对应的学习卡片置于磁性基底(1)上的卡片放置部(7)区域；
步骤二：通过移动终端(8)调用图像获取模块(10)利用摄像头获取计算机编程学习教具的磁性基底(1)上排列的积木块(2)图像数据，并调用数据传输模块(11)将获取的积木块(2)图像数据上传到终端服务器(9)；
步骤三：终端服务器(9)调用数据识别模块(12)通过识别算法对终端服务器(9)获取的积木块(2)图像中的轮廓、特征图片和文字进行识别；
步骤四：调用指令合成模块(13)根据积木块(2)图像中的轮廓、特征图片和文字确定积木块(2)的摆放顺序和参数并生成程序语句或函数；
步骤五：调用程序执行模块(14)对生成的程序语句或函数进行执行，并调用执行判定模块(15)对程序语句或函数的执行结果进行判定是否解决目标问题。
9.根据权利要求8所述的计算机编程学习识别运行方法，其特征在于：所述步骤五中还包括调用运行展示模块(16)对积木块(2)上的程序指令的执行结果进行渲染表达。
10.根据权利要求8所述的计算机编程学习识别运行方法，其特征在于：所述步骤五中，执行判定模块(15)在判定过程中调用关卡存储模块(17)中的根据设计需要进行编程解决的关卡编号和说明数据；执行判定模块(15)在判定过程中还调用积木块(2)数据存储模块(18)中的根据设计需要进行编程解决的积木块(2)特征数据。
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