CN110647324B - Python与Scratch交互式编程方法及电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了Python与Scratch交互式编程的电子设备，包括：Scratch软件、Python插件、Web Python编辑器和Python服务端。本发明中，该Python与Scratch交互式编程方法及电子设备使得用户可以在线使用Python强大的第三方库，和Scratch进行交互，确保Python本地服务端保留Python所有强大的功能和特性，同时Scratch内嵌Python编辑器的方式极大的降低了用户学习Python的入门门槛，还激发了用户使用Scratch与Python创作的兴趣。

Description

Python与Scratch交互式编程方法及电子设备
技术领域
本发明涉及教学平台技术领域，尤其涉及Python与Scratch交互式编程方法及电子设备。
背景技术
Python是一种跨平台的计算机程序设计语言，是一种面向对象的动态类型语言，随着版本的不断更新和语言新功能的添加，越来越多被用于独立的、大型项目的开发，Scratch一款开发用的图形化编程工具，主要面对青少年开放，而Python教学平台也正在市面不断的普及之中。
现有Python教学平台中，由于Python属于后端语言，没有动画没有交互特效，对于小学生入门门槛太高且枯燥，所以目前大部分公司使用javascript来模拟Python语法和功能，用类似Scratch的积木来与Python代码进行转化，这样在浏览器上轻松实现各种交互效果，但是这种技术方案存在很大缺陷，其牺牲了Python很多功能和特性，例如无法安装第三方库，并且许多Python代码无法通过积木进行转化，由于受限于浏览器的限制，无法访问本地文件，同时许多交互效果用javascript封装成类似Python的语法，不是真实的Python代码，脱离了特定软件就无法使用，从而限制了孩子后面的技能发展。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的Python与Scratch交互式编程方法及电子设备。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：Python与Scratch交互式编程的电子设备，包括：Scratch软件、Python插件、Web Python编辑器和Python服务端；
所述Web Python编辑器嵌入到Scratch软件中，实现Python与Scratch交互式的连接；
所述Web Python编辑器编辑的代码发送到Python服务端执行，执行结果返回到Web Python编辑器中显示；
所述Python插件用于获取Web Python编辑器中显示的执行结果，并与Scratch软件进行互动交流。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述Web Python编辑器由Python容器、PythonEditor组件和CodeMirror编辑器组件组成；
所述CodeMirror是一个代码编辑器，将其封装为一个React组件；
所述PythonEditor组件用于专门负责与Python服务端通讯和返回执行结果的处理；
所述Python容器是一个React容器，用于负责将PythonEditor组件嵌入到scratch软件中。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述Python服务端由ZMQ库、两对发布器与订阅器、内核管理器和两个内核代理对象组成；
两对所述发布器与订阅器中，其中一对所述发布器与订阅器用来订阅和发布内核代理对象的消息，另一对所述发布器与订阅器用来订阅和发布python kernel的消息，其中订阅器是用来订阅消息队列中的消息，发布器是用来向消息队列发送消息的。
Python与Scratch交互式编程方法，包括以下步骤：
S01：打开Scratch软件；
S02：在Python编辑器中编写代码；
S03：打开本地Python服务端软件；
S04：Python编辑器通过http与服务端建立连接，启动python kernel；
S05：Python编辑器通过websocket与python kernel通讯，发送Python代码；
S06：Python编辑器处理返回的结果；
S07：加载Python插件；
S08：Python插件获取返回的结果。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤S04-S06中，Python编辑器与Python服务端的通讯流程包括以下步骤：
SS01：Python编辑器通过http发送请求到服务端，启动kernel；
SS02：建立websocket通道用以发送代码；
SS03：获取Python编辑器中的代码并通过websocket通道发生代码到pythonkernel；
SS04：python kernel执行代码并返回json数据；
SS05：Python编辑器监听websocket通道返回的json数据并解析数据；
SS06：用户根据需要增减Python编辑器的数量，每个Python编辑器待执行的代码互不影响。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述kernel若没有启动成功，则会提示用户重新通过http发送请求到服务端，再次启动kernel；
所述websocket通道若建立失败，则会提示用户重新建立websocket通道；
所述json数据若包含用户主动中断kernel的信息，则忽略，若不包含，则正常显示。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤S03中，每当一个websocket建立时，就会创建一个内核代理对象实例，每个内核代理对象实例有一个订阅器和一个发布器。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤S03中，内核管理器也有一个订阅器和一个发布器，通过订阅器订阅到了来自ZMQ库的消息，消息中包含Python代码，ipython执行代码，然后通过发布器将执行结果发布给ZMQ库，ZMQ库再通过自身的发布器将执行结果发布给内核代理对象，内核代理对象通过websocket返回给前端。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤S05中，因为Python服务端程序中内置了pip软件，该软件可以下载安装第三方Python库，所以用户只需要在Python编辑器中编写“！python–m pip install库名”，然后发送到服务端执行即可，同时，由于Python代码运行在本地服务端，可以直接操作本地文件，摆脱了浏览器的限制。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤S07-S08中，当Python插件接收到Python编辑器编辑的代码时，Python服务端会执行代码；
当Python插件接收到代码的执行结果时，则停止内核代理对象的运行。
有益效果
本发明提供了Python与Scratch交互式编程方法及电子设备。具备以下有益效果：
(1)：该Python与Scratch交互式编程方法及电子设备使得用户可以在线使用Python强大的第三方库，例如数据爬虫，人脸识别等，而这些功能可以和Scratch进行交互，能够保证Python本地服务端保留Python所有强大的功能和特性，同时Scratch内嵌Python编辑器的方式极大的降低了用户学习Python的入门门槛，还激发了用户使用Scratch与Python创作的兴趣。
(2)：该Python与Scratch交互式编程方法及电子设备由于Python代码运行在本地服务端，可以直接操作本地文件，避免了Python代码无法通过积木进行全面真实转化的问题，从而摆脱了浏览器的使用限制。
附图说明
图1为本发明提出的Python与Scratch交互式编程的电子设备的基本架构示意图；
图2为本发明提出的Python与Scratch交互式编程的电子设备中Python编辑器的结构示意图；
图3为本发明提出的Python与Scratch交互式编程方法中的Python编辑器与Python服务端的通讯流程示意图；
图4为本发明提出的Python与Scratch交互式编程的电子设备中Python服务端的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1-图4所示，Python与Scratch交互式编程的电子设备，包括：Scratch软件、Python插件、Web Python编辑器和Python服务端；
Web Python编辑器嵌入到Scratch软件中，实现Python与Scratch交互式的连接；
Web Python编辑器编辑的代码发送到Python服务端执行，执行结果返回到WebPython编辑器中显示；
Python插件用于获取Web Python编辑器中显示的执行结果，并与Scratch软件进行互动交流。
上述Python插件和Web Python编辑嵌入到Scratch软件中，Python服务端是一个exe可执行文件，用户双击即可运行，四者之间相互通讯。
Web Python编辑器由Python容器、PythonEditor组件和CodeMirror编辑器组件组成；
CodeMirror是一个代码编辑器，将其封装为一个React组件；
PythonEditor组件用于专门负责与Python服务端通讯和返回执行结果的处理；
Python容器是一个React容器，用于负责将PythonEditor组件嵌入到scratch软件中。
Python服务端由ZMQ库、两对发布器与订阅器、内核管理器和两个内核代理对象组成；
两对发布器与订阅器中，其中一对发布器与订阅器用来订阅和发布内核代理对象的消息，另一对发布器与订阅器用来订阅和发布python kernel的消息，其中订阅器是用来订阅消息队列中的消息，发布器是用来向消息队列发送消息的。
Python与Scratch交互式编程方法，包括以下步骤：
S01：打开Scratch软件；
S02：在Python编辑器中编写代码；
S03：打开本地Python服务端软件；
S04：Python编辑器通过http与服务端建立连接，启动python kernel；
S05：Python编辑器通过websocket与python kernel通讯，发送Python代码；
S06：Python编辑器处理返回的结果；
S07：加载Python插件；
S08：Python插件获取返回的结果。
步骤S04-S06中，Python编辑器与Python服务端的通讯流程包括以下步骤：
SS01：Python编辑器通过http发送请求到服务端，启动kernel；
SS02：建立websocket通道用以发送代码；
SS03：获取Python编辑器中的代码并通过websocket通道发生代码到pythonkernel；
SS04：python kernel执行代码并返回json数据；
SS05：Python编辑器监听websocket通道返回的json数据并解析数据；
SS06：用户根据需要增减Python编辑器的数量，每个Python编辑器待执行的代码互不影响。
kernel若没有启动成功，则会提示用户重新通过http发送请求到服务端，再次启动kernel；
websocket通道若建立失败，则会提示用户重新建立websocket通道；
json数据若包含用户主动中断kernel的信息，则忽略，若不包含，则正常显示。
步骤S03中，每当一个websocket建立时，就会创建一个内核代理对象实例，每个内核代理对象实例有一个订阅器和一个发布器；
kernel使用的是开源软件ipython，ipython是Python的交互式shell，可以与Python服务端进行交互，保证学生每一行真实的Python代码都可以正常运行；
内核管理器管理多个内核代理对象，kernel与kernel之间运行的代码互不影响，从而实现Python编辑器待执行的代码互不影响；
步骤S03中，内核管理器也有一个订阅器和一个发布器，通过订阅器订阅到了来自ZMQ库的消息，消息中包含Python代码，ipython执行代码，然后通过发布器将执行结果发布给ZMQ库，ZMQ库再通过自身的发布器将执行结果发布给内核代理对象，内核代理对象通过websocket返回给前端；
使用pynsist库把ipyhon的二进制文件，Python服务端相关程序，以及相关的其他资源文件压缩并打包成windows可执行文件；
使用Python的subprocess命令和PyQt5的QIcon组件实现用户双击软件快捷方式时，自动运行Python服务端，并且通过任务栏图标控制服务的运行状态的功能。
步骤S05中，因为Python服务端程序中内置了pip软件，该软件可以下载安装第三方Python库，所以用户只需要在Python编辑器中编写“！python–m pip install库名”，然后发送到服务端执行即可，同时，由于Python代码运行在本地服务端，可以直接操作本地文件，摆脱了浏览器的限制。
步骤S07-S08中，当Python插件接收到Python编辑器编辑的代码时，Python服务端会执行代码；
当Python插件接收到代码的执行结果时，则停止内核代理对象的运行。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.Python与Scratch交互式编程的电子设备，其特征在于，包括：Scratch软件、Python插件、Web Python编辑器和Python服务端；
所述Web Python编辑器嵌入到Scratch软件中，实现Python与Scratch交互式的连接；
所述Web Python编辑器编辑的代码发送到Python服务端执行，执行结果返回到WebPython编辑器中显示；
所述Python插件用于获取Web Python编辑器中显示的执行结果，并与Scratch软件进行互动交流；
所述Python服务端由ZMQ库、两对发布器与订阅器、内核管理器和两个内核代理对象组成；
两对所述发布器与订阅器中，其中一对所述发布器与订阅器用来订阅和发布内核代理对象的消息，另一对所述发布器与订阅器用来订阅和发布python kernel的消息，其中订阅器是用来订阅消息队列中的消息，发布器是用来向消息队列发送消息的。
2.根据权利要求1所述的Python与Scratch交互式编程的电子设备，其特征在于，所述Web Python编辑器由Python容器、PythonEditor组件和CodeMirror编辑器组件组成；
所述CodeMirror是一个代码编辑器，将其封装为一个React组件；
所述PythonEditor组件用于专门负责与Python服务端通讯和返回执行结果的处理；
所述Python容器是一个React容器，用于负责将PythonEditor组件嵌入到scratch软件中。
3.Python与Scratch交互式编程方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01：打开Scratch软件；
S02：在Python编辑器中编写代码；
S03：打开本地Python服务端软件；
S04：Python编辑器通过http与服务端建立连接，启动python kernel；
S05：Python编辑器通过websocket与python kernel通讯，发送Python代码；
S06：Python编辑器处理返回的结果；
S07：加载Python插件；
S08：Python插件获取返回的结果；
所述步骤S04-S06中，Python编辑器与Python服务端的通讯流程包括以下步骤：
SS01： Python编辑器通过http发送请求到服务端，启动kernel；
SS02：建立websocket通道用以发送代码；
SS03：获取Python编辑器中的代码并通过websocket通道发生代码到python kernel；
SS04：python kernel执行代码并返回json数据；
SS05： Python编辑器监听websocket通道返回的json数据并解析数据；
SS06：用户根据需要增减Python编辑器的数量，每个Python编辑器待执行的代码互不影响。
4.根据权利要求3所述的Python与Scratch交互式编程方法，其特征在于，所述kernel若没有启动成功，则会提示用户重新通过http发送请求到服务端，再次启动kernel；
所述websocket通道若建立失败，则会提示用户重新建立websocket通道；
所述json数据若包含用户主动中断kernel的信息，则忽略，若不包含，则正常显示。
5.根据权利要求3所述的Python与Scratch交互式编程方法，其特征在于，所述步骤S03中，每当一个websocket建立时，就会创建一个内核代理对象实例，每个内核代理对象实例有一个订阅器和一个发布器。
6.根据权利要求3所述的Python与Scratch交互式编程方法，其特征在于，所述步骤S03中，内核管理器也有一个订阅器和一个发布器，通过订阅器订阅到了来自ZMQ库的消息，消息中包含Python代码，ipython执行代码，然后通过发布器将执行结果发布给ZMQ库，ZMQ库再通过自身的发布器将执行结果发布给内核代理对象，内核代理对象通过websocket返回给前端。
7.根据权利要求3所述的Python与Scratch交互式编程方法，其特征在于，所述步骤S05中，因为Python服务端程序中内置了pip软件，该软件可以下载安装第三方Python库，所以用户只需要在Python编辑器中编写“!python –m pip install 库名”，然后发送到服务端执行即可，同时，由于Python代码运行在本地服务端，可以直接操作本地文件，摆脱了浏览器的限制。
8.根据权利要求3所述的Python与Scratch交互式编程方法，其特征在于，所述步骤S07-S08中，当Python插件接收到Python编辑器编辑的代码时，Python服务端会执行代码；
当Python插件接收到代码的执行结果时，则停止内核代理对象的运行。
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