CN111932985A - 一种编程语言实物化积木编程系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种编程语言实物化积木编程系统，包括：启动模块、功能模块、参数模块、主控模块和接口单元，每个模块都内置控制板，控制板集成微控制器，允许与其相邻的模块获取或提供供电、通信、区分模块功能，并从参数模块读取数据和控制接口单元，其中，由启动模块、功能模块和参数模块组成编程端，实现实物编程，由主控模块和接口单元及其通用积木组成执行端，实现程序编译后的执行。本发明将编程语言及编程环境实物化，应用具备编程功能的积木来完成编程教学和工程应用，能够完全脱离电脑或平板电脑，不依赖运行于电脑上软件编程环境，同时能够结合孩子们熟悉的积木玩具，既有趣味性，又能寓教于乐。

Description

一种编程语言实物化积木编程系统

技术领域

本发明涉及一种编程系统，具体涉及一种编程语言实物化积木编程系统。

背景技术

现如今，随着人工智能技术的快速发展和越来越多的实践应用，而软件算法作为人工智能的重要基础，对于编程教育的重要性也受到广泛关注，特别地世界各国对于编程教育逐步列入到中小学教育大纲中。例如，以色列在2000年起将编程纳入高等学校的必修科目，同时要求学生从小学一年级开始学习编程。英国在2013年对全国中小学教学大纲进行全面改革，5岁以上儿童必须学习编程，11岁的小学生就需要具备一定编程能力。

但是，传统的编程教育方式，其门槛较高，对于学生的年龄和逻辑抽象能力有一定要求，并且需要依赖电脑编程语言环境或平板电脑等硬件方式来进行。传统编程环境需要通过键盘输入文本，对儿童而言，理解和使用起来很不方便，而且编程语言中的语法和复杂指令需要理解和记忆。对于他们来说往往很难记住和理解程序语法、逻辑关系和程序结构等专业知识。此外，对文字掌握得还不纯熟的儿童来说，文本语法编程方式缺乏直观性，儿童无法采用传统的编程方式来创作自己的程序。对于低龄儿童、低年级学生，通过传统教育方式存在客观上的难度，并且使用屏幕式的编程环境，需要通过硬件外设来交互操作，使学员在学习过程中增加学习的难度，并且容易分散学员注意力，导致编程教育的效果达不到预期。

现有技术中，也有部分相关的研究，例如，公开号为CN108806405A的中国专利申请公开了“一种实物化儿童编程积木及其使用方法”，包括循环型主积木、选择型主积木、分支型主积木和若干个数字积木；所述循环型主积木、选择型主积木、分支型主积木分别包括电性连接的微处理器一、输出模块、电源接口模块和数据通信接口模块；所述数字积木包括微处理器二，所述循环型主积木、选择型主积木、分支型主积木分别通过电源接口模块和数据通信接口模块与数字积木拼接。该发明在传统积木中内嵌微处理器，并通过多个积木拼接，实现传统编程语言中的循环，选择及分支结构，可用于儿童的早期编程语言的学习。但是，该实物化儿童编程积木不具备一个编程语言所应具备的数学元素和逻辑元素的自由表达，例如功能和参数没有完全独立分离，不可以自由表达；同时，该实物化儿童编程积木及其使用方法不符合编程环境一般概念，不具备编程代码调试中断功能，也不利于编程逻辑思维可视化学习训练。

公开号为CN102136208A的中国专利申请公开了“一种实物编程方法和系统”，包括若干实物编程块、图像采集单元、实物编程处理单元、实物编程显示环境的输出设备；所述实物编程块位于所述图像采集单元的拍摄范围内，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出设备、与所述图像采集单元连接；其中，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。但是该系统需要借助计算机实现，并需要通过摄像头和计算机视觉技术来实现通过实物编程块进行编程，局限性很大。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种编程语言实物化积木编程系统，将编程语言及编程环境实物化，应用具备编程功能的积木来完成编程教学和工程应用。这种编程语言实物化积木编程系统，能够完全脱离电脑或平板电脑，不依赖运行于电脑上软件编程环境，同时能够结合孩子们熟悉的积木玩具，既有趣味性，又能寓教于乐，从而实现“玩中学、学中玩”的幼儿编程教育。

为实现上述技术方案，本发明提供了一种编程语言实物化积木编程系统，包括：启动模块、功能模块、参数模块、主控模块和接口单元，每个模块都内置控制板，控制板集成微控制器，允许与其相邻的模块获取或提供供电、通信、区分模块功能，并从参数模块读取数据和控制接口单元，其中参数模块完全独立于功能模块，功能模块可以配置不同参数模块；由启动模块、功能模块和参数模块组成编程端，实现实物编程，由主控模块和接口单元及其通用积木组成执行端，实现程序编译后的执行。

优选的，所述启动模块为编程端主控器，通过内置电源或外接电源来供电，并通过模块四侧的接口给编程端的各种功能模块供电。

优选的，所述主控模块为执行端主控器，通过内置电源来供电，并通过模块两侧的接口给接口单元供电及通讯，模块两侧的接口按需定义配置以匹配特定的接口单元。启动模块与主控模块之间的通讯通过无线方式进行。

优选的，所述功能模块和参数模块在不同物理轴之间分离，功能模块放置在水平二维平面上，而参数模块放置在垂直平面上，参数模块叠加于功能模块之上。

优选的，每种功能模块对应的参数模块均不相同，并且每种功能模块上印刷有与其物理意义相关的图案，所对应的参数模块外观与上述图案轮廓设计一致并印刷同样的图案，并印有参数模块所代表的含义标识。

优选的，程序运行期间，主控模块与启动模块之间、启动模块与功能模块之间，均进行双向通信。

本发明提供的一种编程语言实物化积木编程系统的有益效果在于：

1)将编程语言及编程环境实物化，应用具备编程功能的积木来完成编程教学和工程应用。这种编程语言实物化积木编程系统，能够完全脱离电脑或平板电脑，不依赖运行于电脑上软件编程环境，同时能够结合孩子们熟悉的积木玩具，既有趣味性，又能寓教于乐。

2)具有多线程命令序列的物理编程接口，通过将函数和参数分离到不同的平面(水平和垂直)来区分函数和参数，并将参数量化大小及其功能与其物理外观和尺寸相关联。功能性和物理外观之间的关联也使得通过一对一关系的自动错误预防系统成为可能，即每个参数在功能模块中都有一个唯一的受体。系统还通过使用指示灯通知功能错误来启用调试。

3)本编程语言实物化积木编程系统中通过启动模块、功能模块、参数模块、主控模块和接口单元之间的配合，可以实现：实时调试、循环、随机赋值、条件指令、多线程、语法错误预防、逻辑错误预防、竞争条件等基本的“编程要素”学习。

4)本编程语言实物化积木编程系统实现了函数功能实物化，即：不同的功能模块含有不同的函数功能，实物化成不同的功能积木(条件、移动、循环、特定功能等)；也实现了函数参数实物化，即：将函数融入至参数，可变参；并且可实现多线程编程，实现不同线程同时运行；同时可编译调试系统，可视化逐步编译调试，LED灯指示调试中断点。

附图说明

图1为实施例1中积木编程连接结构示意图。

图2为实施例1中启动模块的立体结构示意图。

图3为实施例1中功能模块Ⅰ的立体结构示意图。

图4为实施例1中功能模块Ⅱ的立体结构示意图。

图5为实施例1中功能模块Ⅲ的立体结构示意图。

图6为实施例1中参数模块的立体结构示意图。

图7为实施例1中主控模块的立体结构示意图。

图8为实施例1中接口单元的立体结构示意图。

图9为实施例2中执行端为小车时的结构示意图。

图中：1、启动模块；11、启动按钮；12、停止按钮；13、LED指示灯；14、电池电量指示灯；2、功能模块；21、图案；3、参数模块；4、主控模块；41、电源开关按钮；5、接口单元；6、通用积木；7、车轮。

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、完整的描述，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。本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明的保护范围。

实施例1：一种编程语言实物化积木编程系统。

参照图1至图8所示，一种编程语言实物化积木编程系统，包括：启动模块1、功能模块 2、参数模块3、主控模块4和接口单元5，其中，启动模块1、功能模块2、参数模块3、主控模块4、接口单元5均以积木的形式表现，参数模块3完全独立于功能模块2，两者分离设置，即每个功能模块2上可以与不同的参数模块3相配合；启动模块1上设置有启动按钮11、停止按钮12、LED指示灯13和电池电量指示灯14；功能模块2设置成多种外形；主控模块4 上设置有电源开关按钮41；接口单元5主要为输入模块(如声音传感器、距离传感器、光线传感器、触摸传感器等)、输出模块(蜂鸣器、LED灯等)和马达等。每个模块都内置控制板，控制板集成微控制器，允许与其相邻的模块获取或提供供电、通信、区分模块功能，并从参数模块3读取数据和控制接口单元5。

其中，由启动模块1、功能模块2和参数模块3组成编程端，实现实物编程；编程端，主要负责编程系统的实现，如编程语法检查、编译调试等。当实物编程完成后，按下编程端的启动模块的Play按键，启动模块1就会通讯读取相关功能模块2及其参数模块3的赋值(当前被读取的功能模块2的绿色LED指示灯13同步亮起)，并进行调试编译，如语法错误导致调试中断，对应的功能模块2的红色LED指示灯13亮起，辅助检查纠正编程错误。当调试编译无误后，启动模块1将编译后代码上传到执行端的主控模块4。

由主控模块4和接口单元5及其通用积木6组成执行端，实现程序编译后的执行；执行端，主要负责编程后的执行，并通过主控模块4实现相应输入输出单元的控制交互。当主控模块4 接收到编程端上传的代码后，独立地按代码执行相关指令。执行过程中，除了启动模块1的中止执行指令(Stop按键)，执行端不受到编程端的影响，即使编程端拆掉也不影响执行。

在执行端运行代码的过程中，主控模块4将执行到哪一步的状态同步给编程端的启动模块 1，启动模块1会控制对应的功能模块2中的LED指示灯13亮起，指示当前程序的实时运行步骤。

启动模块1为编程端主控器，其通过内置电源或外接电源来供电，并通过模块四侧的接口给编程端的各个功能模块2供电，参数模块3叠加于功能模块2之上。主控模块4为执行端主控器，其通过内置电源来供电，并通过模块两侧的接口给接口单元5供电。启动模块1与主控模块4之间的通讯，通过无线方式(如WiFi或蓝牙等)进行，使得编程端与执行端脱离物理连接的限制。

本编程系统中使用不同尺寸的功能模块2和参数模块3(具体参见图3至图5)，并且它们在不同物理轴之间分离。功能模块2放置在水平二维平面上，而参数模块3放置在垂直平面上，即参数模块3叠加于功能模块2之上。将功能模块2放在水平面上可以在程序的每个点上实现多线程，这对于一个简单的程序来说也是很重要的，它希望在程序的不同事件中独立地激活不同的电机(因为每一个功能模块2的四侧均有完全相同的接口，从而在物理上提供了每一个点都实现多线程的可能)。此外，使用参数模块3的垂直平面可以使得功能模块2在实施过程中的物理垂直尺寸与其量化表示之间产生明显的相关性。

本编程系统中每种功能模块2所对应参数模块3都是不同的，为了防止错误参数模块3 放置到不对应的功能模块2上而导致编译错误，每种功能模块2上印刷与其物理意义相关的图案21(参照图5所示)，所对应的参数模块3外观与上述图案轮廓设计一致并印刷同样的图案，并加上参数模块3所代表的含义标识，因此，由以上多种功能模块2和相对应的参数模块 3所组成的编程序列，逻辑清晰且可视化。通过启动模块1、功能模块2、参数模块3、主控模块4和接口单元5之间的配合，本编程语言实物化积木编程系统可以实现以下基本的“编程要素”学习：实时调试、循环、随机赋值、条件指令、多线程、语法错误预防、逻辑错误预防、竞争条件，等等。

本编程系统允许在程序运行期间，主控模块4与启动模块1之间、启动模块1与功能模块 2之间，均进行双向通信，以便在任何给定的运行时间，用户可以通过设置在各个模块上的 LED指示灯13来知道哪个功能模块2正在实时运行，例如，当某个功能模块2激活时，功能模块2上的LED指示灯13便亮起。和启动模块1的四侧连接相似，每一个功能模块2的四侧均有完全相同的接口，各个功能模块2之间可以水平堆积成不同的形状；启动模块1和功能模块2，可以从不同的侧面方向连接并形成不同的整体形状，如图1所示。

本编程语言实物化积木编程系统将编程语言及编程环境实物化，应用具备编程功能的积木来完成编程教学和工程应用，包含了例如Java、C++等书面编程语言所具备的主要元素，如：功能、参数、条件、循环等，并通过将“功能”区别于“参数”，“参数”与“功能”相结合，通过积木组合的方式将编程语言实物化。这种编程语言实物化积木编程系统，能够完全脱离电脑或平板电脑，不依赖运行于电脑上软件编程环境，同时能够结合孩子们熟悉的积木玩具，既有趣味性，又能寓教于乐。并且本编程语言实物化积木编程系统具有多线程命令序列的物理编程接口，通过将函数和参数分离到不同的平面(水平和垂直)来区分函数和参数，并将参数量化大小及其功能与其物理外观和尺寸相关联。功能性和物理外观之间的关联也使得通过一对一关系的自动错误预防系统成为可能，即每个参数在功能模块中都有一个唯一的受体。系统还通过使用指示灯通知功能错误来启用调试，一旦通过实物化积木表达的编程(模块之间拼接)错误，该模块就会亮红灯提醒此处编程错误，简单明了，通俗易懂。

实施例2：一种编程语言实物化积木编程系统。

根据设计功能的不同，主控模块4与接口单元5、通用积木6以及相应零配件可以组合不同的形状，以便执行端实现设计功能。为了实现物化的编程语言的应用，需要用积木搭建出机器人，然后用编程去控制机器人的活动。由于编程就是人机交互的语言，人与机器之间要依靠编程来交流沟通。所以，将整个应用所需的零件分成两部份：1)编程的零件，如：功能模块、参数模块、主控模块、LED灯、各种传感器、马达等；2)搭建机器人的零件，如：横梁和砖块等通用积木、轴、销、齿轮、车轮、电池盒等。

如图9所示，主控模块4与接口单元5、通用积木6以及相应零配件、车轮7搭建成一个会行走的机器人小车(执行端)，主控模块4和供电电池也可以放入小车内部。实际编程过程中，可以通过主控模块4实现相应输入输出单元的控制交互，当主控模块4接受到编程端上传的代码后，独立地按代码执行相关指令，例如，通过按下编程端的启动模块1的Play按键，启动模块1就会通讯读取相关功能模块2及其参数模块3的赋值，并进行调试编译，如语法错误导致调试中断，对应的功能模块2的红色指示灯13亮起，辅助检查纠正编程错误。当调试编译无误后，启动模块1将编译后代码上传到执行端的主控模块4，然后通过主控模块4的输入和输出的控制，实现小车的自动行走、碰到障碍物转弯、LED闪灯、发出响声等。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应局限于该实施例和附图所公开的内容，所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种编程语言实物化积木编程系统，其特征在于包括：启动模块、功能模块、参数模块、主控模块和接口单元，每个模块都内置控制板，控制板集成微控制器，允许与其相邻的模块获取或提供供电、通信、区分模块功能，并从参数模块读取数据和控制接口单元，其中参数模块完全独立于功能模块，功能模块可以配置不同参数模块；由启动模块、功能模块和参数模块组成编程端，实现实物编程；由主控模块和接口单元及其通用积木组成执行端，实现程序编译后的执行。

2.如权利要求1所述的编程语言实物化积木编程系统，其特征在于：所述启动模块为编程端主控器，通过内置电源或外接电源来供电，并通过模块四侧的接口给编程端的各个功能模块供电。

3.如权利要求1所述的编程语言实物化积木编程系统，其特征在于：所述主控模块为执行端主控器，通过内置电源来供电，并通过模块两侧的接口给接口单元供电及通讯，模块两侧的接口按需定义配置以匹配特定的接口单元，启动模块与主控模块之间的通讯通过无线方式进行。

4.如权利要求1所述的编程语言实物化积木编程系统，其特征在于：所述功能模块和参数模块在不同物理轴之间分离，功能模块放置在水平二维平面上，而参数模块放置在垂直平面上，参数模块叠加于功能模块之上。

5.如权利要求1所述的编程语言实物化积木编程系统，其特征在于：每种功能模块对应的参数模块均不相同，并且每种功能模块上印刷有与其物理意义相关的图案，所对应的参数模块外观与上述图案轮廓设计一致并印刷同样的图案，并印有参数模块所代表的含义标识。

6.如权利要求1所述的编程语言实物化积木编程系统，其特征在于：程序运行期间，主控模块与启动模块之间、启动模块与功能模块之间均进行双向通信。

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