CN115397534A - 编程教学方法与构造组件教具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人技术，具体地说，涉及适用于儿童的电子构造组件。本发明的技术效果是由于编程教学方法的特点是将逻辑元件放置在编程板上并将其连接到接触单元，而这些块的相对位置定义了可执行代码，控制单元对接触垫对进行串行分层扫描，以便在控制单元还激活指示灯以显示接触垫状态线时识别逻辑元件，控制单元解码标识符并将逻辑元件位置定义的代码写入存储器，编译并验证代码；对于代码运行时错误，它会在控制单元GUI上显示消息，并激活指示灯，指示检测到错误的代码行，以及在没有错误的情况下执行代码时，它在GUI上显示消息，并将代码发送到通信和控制单元，后者通过发送和接收来自/到电子块的信号，将代码保存到内存中，以便后续执行。

Description

编程教学方法与构造组件教具

技术领域

本发明涉及机器人技术，具体地说，涉及适用于儿童的电子构造组件。

背景技术

现有技术公开了一种带功能块的构造组件玩具[专利RU2397000C2，2010-08-20]，包括用于可拆卸地连接所述块的带有连接器的块，其特点在于，它包括具有所述连接器的功能块和用于执行特定功能的功能装置，以及用于该功能装置的电源，而每个功能块包含一个响应于外部机械动作以激活功能设备的触发器，并且每个功能块中的触发器相对于连接器的定位相同。

这种模拟装置的缺点是：

-由于模拟装置缺少图形接口块，因此在结构组件组装期间演示性较差，这会妨碍以直观、易于理解的方式对完整电路进行可视化演示。

-电路调试时间长，因为无法跟踪块的位置和类型或可能的模块连接错误，从而导致电路组装过程更长。

-由于缺少用于存储构造组件功能块的专用插槽和解释每个功能块类型和用途的标签，因此可用性低。

现有技术还公开了一种模块化接触式导电成型块[RU2552973C2，2015-06-10]，包括：其顶部至少有一对螺柱突出的中空结构元件，其底部的孔到达其内腔，还设有孔穿过螺柱到达结构元件的内腔；至少一对导电部件放置在螺柱孔中，该导电部件的顶部是插入式电触点，触点从该导电部件的侧面水平延伸，连接线从该导电部件底部延伸；电路板封装在元件中，包含正接触电路、负接触电路和功能组件，且正接触电路连接到带正触点导电部分的每对导电部件的第一导电部分的触点，负接触电路连接到带负触点导电部分的每对导电部件的第二导电部件的触点，而功能组件电连接到这些正接触电路和负接触电路；以及所述支架，放置在所述结构元件的底部，并且具有至少一对通孔插入所述导电部件。

这种模拟装置的缺点是：

-由于缺少远程控制、监控和可视化块导致可用性低，因此用户无法监控导电块的当前状态和性能，迅速检测和纠正故障。

-由于块架构导致低功能性，即它们只能通过导体和触点的安排实现一组固定的操作，而没有任何编程能力来扩展其功能。

技术本质上最接近的模拟装置为由一个基板组成的电路模拟组件[专利RU198156U1，2020-06-22]，该基板包括三个粘合层，背面在一侧承载电路，并具有插槽用于带有功能性电气元件的电路板，以及该电路板触点接触导电轨道的接触垫，第二中间层具有用于支撑电路板的电气元件的插槽，并且第三前层具有透明性的窗口以设置各个电气组件使得其示出在第三前层的正面，其特点在于，该板的前层具有刚性框架在中间层和后层周围形成空腔，因为它们的形状与所述框架的内部形状相同。

该原型的关键技术问题是设计复杂性，这增加了组装时间，需要基本的电路组装知识和经验，大大降低了设备的可用性并使调试复杂化。

发明内容

本发明的目的是消除所述原型的缺点。

本发明的技术效果是简化了设计。

之所以能达到上述技术效果，是因为该程序设计教学方法的特点是将逻辑元件放置在编程板上并将它们连接到逻辑元件的接触单元，而这些元件的相对位置定义了可执行代码，当控制单元还激活可视化接触垫状态线的指示灯时，通过该控制单元对成对的接触垫进行串行分层扫描以识别该逻辑元件，该控制单元解码标识符并将该逻辑元件位置定义的代码写入存储器，编译并验证代码；对于代码运行时错误，它会在该控制单元的GUI上显示消息并激活以指示检测到错误的代码行，以及当代码在没有错误的情况下执行时，它在GUI上显示消息并将代码发送到通信和控制单元，后者将代码保存到内存中以便通过发送和接收来自/到电子块的信号来后续执行。

更具体地，控制单元从左到右和从上到下分层扫描接触垫。

更具体地，当扫描成对的接触垫时，控制单元会激活相应的绿色指示灯。

更具体地，在检测到运行时错误时，控制单元激活对应于所检测到错误的代码行的红色指示灯。

更具体地，电子部件执行代码或向通信和控制单元发送控制信号和数据。

之所以达到所述技术效果，是因为编程教学板具有平坦的接触单元矩阵通过GUI电连接到控制单元的接口连接器，指示灯列设在编程板上的接触单元左侧，这些指示灯也连接到控制单元的接口连接器，接触单元与逻辑元件触点的形状相匹配使得逻辑元件被保持在编程板上的适当位置，在板边缘还设有接口连接器以连接到更多的编程板。

更具体地，控制单元具有编程板接通按钮、代码执行按钮、代码执行暂停按钮和代码运行停止按钮。

之所以获得所述技术效果，是因为用于编程教学的逻辑元件设计成平坦部分，其底部触点与接触单元的形状相匹配并将逻辑元件固定在用于编程板的接触单元上；在逻辑元件内部，触点连接到标识块，逻辑元件的顶部设有标有逻辑元件类型信息的区域。

更具体地，标识块是电阻矩阵或可寻址控制器。

更具体地，逻辑元件的顶部标有文本、数学符号或图像，或盲文字符。

附图说明

图1示出了编程教学板。

图2示出了带有控制单元的编程教学板。

图3示出了编程板扩展的示例。

图4示出了用于放置电子构造组件块的板。

图5示出了导体块的总体布置的俯视图。

图6示出了导体块的总体布置的底部视图。

图7示出了带有图像和盲文字符的逻辑元件实施例的示例。

图8示出了带代码示例1的编程教学板用于教学组1的儿童。

图9示出了用于放置电子构造组件块的板，作为用于教学第1组儿童的代码示例1的一个实施例。

图10示出了用于教学第1组儿童的带有代码示例2的编程教学板。

图11示出了用于放置电子构造组件块的板，作为用于教学第1组儿童的代码示例2的一个实施例

图12示出了带代码示例3的编程教学板，用于教学组1的儿童。

图13示出了用于放置电子构造组件块的板，作为用于教学第1组儿童的代码示例3的一个实施例

图14示出了带代码示例1的编程教学板，用于教学第2组儿童。

图15示出了用于放置电子构造组件块的板，作为用于教学第2组儿童的代码示例1的一个实施例

图16示出了带代码示例2的编程教学板，用于教学第2组儿童。

图17示出了用于放置电子构造组件块的板，作为用于教学第2组儿童的代码示例2的一个实施例

图18示出了带代码示例1的编程教学板，用于教学组3的儿童。

图19示出了用于放置电子构造组件块的板，作为针对第3组儿童的代码示例1的一个实施例

图20示出了带有代码示例2的编程教学板，用于教学组3的儿童。

图21示出了用于放置电子构造组件块的板，作为针对第3组儿童的代码示例2的一个实施例

图22示出了放置电子构造组件块的板，作为第4组儿童教学代码的体现

图23示出了用于放置电子构造组件块的板，作为儿童第4教学组代码的一个具体实施方式，并用作控制面板。

图24示出了软件开发教学板，其中包含用于教学组4的儿童的代码示例，并用作无线电控制的玩具车。

位置：1：编程板，2：接触单元，3：接触单元导体，4：控制单元，5：图形显示，6：逻辑元件触点，7：逻辑元件，8：逻辑元件标识块，9：内部接口连接器，10：指示灯，11：接触垫，12：锁存器，13：接口连接器总线，14：外部接口连接器，15：安装垫，16：安装螺柱，17：电子元件插槽，18：电源，19：导体块，20：通信和控制单元，21：可寻址块，22：指示灯块，23：按钮，24：温度传感器，25：风扇块，26：推送触点，27：平触点。28：上电按钮，29：代码执行开始按钮，30：代码执行暂停按钮，31：代码执行停止按钮，32：光传感器，33：电机，34：车轮。

具体实施方式

该编程培训组件包括带有一组逻辑元件7的编程板1，以及带有一组电子块的安装垫15。

编程板1(参见图1)是一个平坦部分，其表面是接触电池矩阵2，通过导体3电连接到位于编程板1相邻侧的外部接口连接器14。内部接口连接器9位于编程板1边缘上与外部接口连接器14相对的位置，并通过总线13连接到外部接口连接器14。接触垫11位于连接器9和14的中心，而锁存器12位于侧面。指示灯列10位于编程板1上接触垫2的左侧。

在可选实施例中，编程板1可以设有连接到外部接口连接器14和接触单元2的控制器，其中控制器扫描成对的接触垫2并在识别放置在编程板上的逻辑块7时激活指示灯10，并将逻辑块7的位置和类型传输到外部接口连接器14。

外部接口连接器14可用于将带有图形显示器5的控制单元4连接到编程板1。控制单元4承载编程板接通按钮28、代码执行运行按钮29、代码执行暂停按钮30和代码执行停止按钮31。此外，控制单元4可以从左到右和从上到下依次分层扫描成对的接触单元2，并根据外部接口连接器14上编程板1的特定矩阵行中的接触单元的状态激活指示灯10。

编程板1上的接触单元2与逻辑元件7的触点6的形状匹配，以将逻辑元件7附接到编程板1并将它们电连接到接触单元2(参见图2)。

其中，每个逻辑元件7的顶部都有一个区域用于文本和/或图形和/或触觉字段，包含关于逻辑元件7类型的信息。因此，文本和/或者图形和/或者触觉字段解释了特定逻辑元件实现的功能和/或编程命令。例如，逻辑元件7可以带有文本、数字和符号(见图2)或解释其功能的图像，或盲文字符(见图7)。

逻辑块7的触点6连接到标识块8。

逻辑元件标识块8可以设计成电阻元件、可寻址控制器，或者在任何实施例中根据需要由控制单元4识别其触点连接到成对的接触单元2的逻辑元件7。

例如，对于图2所示的实施例，逻辑元件7的标识块8可以设计成具有以下电阻额定值的电阻矩阵：

1、逻辑元件7:

1k欧姆

2、逻辑元件7:

1.2k欧姆

3、逻辑元件7:

1.5k欧姆

4、逻辑元件7:

3k欧姆

5、逻辑元件7:

4.3k欧姆

6、逻辑元件7:

4.7k欧姆

7、逻辑元件7:

5.1k欧姆

8、逻辑元件7:

8.2k欧姆

9、逻辑元件7:

9.1k欧姆.

在可选实施例中，逻辑元件7的标识块8可以是返回逻辑元件标识符的可寻址控制器，例如“001”、“002”、“003”等。

使用内部9和外部14接口连接器，可以通过将额外的编程板1连接到主编程板1的侧面或底部来扩展编程板的面积(见图3)。

编程示教组件还包含带有安装螺柱16的安装垫15(见图4)，用于放置底部带有配合槽17的电子块。例如，可以将电源18、导体块19、通信和控制单元20、可寻址块21、指示灯块22、按钮23、温度传感器24、风扇块25、光传感器32、电机33、车轮34等电子元件放置在安装垫上。

电子元件被设置成类似于乐高积木的积木，底部有槽17。例如，导体块19(参见图5和图6)是一个与LEGO积木类似的结构组合块，底部有槽17，顶部有安装架，而导体块的相对侧有推动触点26和扁平触点27分别通过导体块19内的导体连接以传输电信号。

对于给定的电子块配置(参考图4)，安装垫15承载通过导体块19连接到通信和控制单元20和风扇块25的电源18，并且温度传感器24通过导体连接到通信与控制单元20。

为了在图4中规定的安装垫15上运行电子块配置，用户将逻辑元件7放置在编程板1上，以创建以下代码(参见图2)：

之后，用户通过按下按钮28激活控制单元4，然后按下代码执行开始按钮29。然后，控制单元4开始通过扫描连接到逻辑元件7的触点6的成对接触单元对来连续扫描逻辑元件7中的标识块8。当扫描成对的接触垫2时，控制单元4激活对应于代码行的指示灯10。

然后，控制单元4识别逻辑元件7的位置和类型，存储该信息，并编译代码。

如果代码编译成功，控制单元4在图形显示器5上显示成功编译消息；如果控制单元4检测到代码编译错误，图形显示器5显示错误并激活对应检测到错误的代码行的指示灯10。

当扫描成对的接触垫时，控制单元4激活相应的绿色指示灯10，当检测到程序代码运行时错误时，控制单元4激活与检测到错误的代码行相对应的指示灯10。

编译成功后，控制单元4将编译后的程序发送到安装在安装垫15上的通信和控制单元20(参见图4)，该单元将程序保存在内部存储器中以供后续执行。

按下代码执行开始按钮29后，控制单元4向通信和控制单元20发送信号以启动程序，程序在安装垫15处按以下事件序列执行：

1.程序启动后，通信和控制单元立即运行程序。

2、通信和控制单元20从温度传感器24读取当前温度

3、将通信和控制单元20读取的温度值与值“25”进行比较。

4.如果测量的温度大于“25”，则通信和控制单元20向风扇块25发送启动命令。

5.如果测得的温度值小于“25”，则向风扇块发送停止命令。

6.从步骤2开始重复循环。

使用代码执行暂停按钮30，用户可以暂停程序执行，并且控制单元4向通信和控制单元20发送命令以暂停程序的执行。

使用代码执行停止按钮31，用户可以停止正在运行的程序；控制单元4向通信和控制单元20发送命令以停止程序的执行。

因此，用户从逻辑元件7组装程序，控制单元4识别逻辑元件7的位置和类型，并将此信息转换为代码，随后将其传输到通信和控制单元20以使用位于安装垫15上的电子块执行；对于用户来说，构建一系列程序并在安装垫上的电子块上运行它们是一种方便而简单的方法。

所述技术方案的优点是：

1、由于逻辑元件7具有文本和/或图形和/或触觉字段，一方面，可以为视力受损的用户使用足够大的字体，或使用盲文字符使所要求的构造组件适合通过触觉操作的盲人(视力受损)用户。

2、所保护的构造组件本质上是一个标准的乐高组件，而其部件是标准化的、可互换的，并且用户熟悉。此外，通过使用推动触点26和平坦触点27以及电子块中的插槽17和安装垫15中的安装螺柱16，可以在安装垫15上的电子块之间提供可靠的电接触

3、当使用所要求的构造组件进行编程教学时，用户可以视觉上和触觉上感知从逻辑元件7组装的程序，程序代码和电子元件之间的层次抽象更少：无需使用软件开发环境和编译器，将代码写入带电子元件的调试板的FPGA(控制器)，无需从计算机激活调试板。

4、所要求保护的构造组件适合于向学龄前儿童教授编程，因为代码以视觉方式表示，表示逻辑元件7的操作和功能的图像被放置在其表面上，从而可以向不精通母语或英语的儿童教授编程并且儿童无需编写代码。

5、另一个重要因素是，这种学习编程的方式不需要父母和其他成年人的任何软件开发技能，这降低了在家庭中使用这种结构设置的门槛：父母可以在玩乐高时学习它。

6、所要求保护的结构组件促进了学龄前儿童精细运动技能的发展，而传统计算机接口设备、用于输入代码的计算机鼠标和键盘并没有提供精细运动技能发展。

7、编程可以在孩子熟悉的环境中进行：孩子的房间里有他们的玩具和建筑设备；儿童熟悉的环境促进了学习编程，并缩短了可以开始编程的年龄。

8、编程板1和控制单元4将代码调试可视化，而由于编程板是可扩展的，用户无需滚动即可以看到整个代码。

9、突出显示当前行清楚地向孩子显示了执行的代码块和有形对象的动作之间的关系。

10、结构设置使得从被动地玩乐高到添加主动的互动功能的平稳(无缝)移动成为可能：孩子首先建造房屋，然后添加由一天中的时间(或光线强度)控制的灯光，建造玩具车，然后添加头灯或喇叭等。其他结构设置在“之前”和“之后”之间有更明确的划分。

11、尽管存在上述所有差异，但由这些块组成的最终程序是一个真正的软件，可以在PC上运行，这有助于随后学习真正的软件开发工具和编程语言。

12、编程板的设计目的不仅是从活跃的LEGO类型块构建程序，还用于其他可编程机器人平台。

13、学习具有用外语编写的函数的逻辑元件7编写的程序有助于用户学习外语，例如英语。

2020年，申请人为教学规划建造了一套声称的建筑原型；试运行证实了所声称的技术效果，并在儿童节目教学中获得了上述优势。

之所以得到所述技术效果，是由于所要求保护的结构组件设计简单，用户不需要任何电路组装方面的基础知识和经验，使得设备操作和代码调试更加方便。

为了评估教学计划的质量，申请人使用了按年龄分为4组的儿童：第1组：11名3至4岁的儿童；第2组：13名5至6岁的儿童，第3组：14名7至9岁的儿童；第4组：12名10至12岁儿童。

准备了一组单独的逻辑元件7来教每组儿童编程：对于第1组，一组逻辑元件7带有解释其功能的图像；对于组2，一组带有俄文图像和文本到逻辑元件7；对于组3，一组文本为俄语的逻辑元件7；对于第4组，一组文本为母语和英语的逻辑元件。

考虑一个用于教1-4组儿童编程的程序示例。

为了教第1组，我们使用了3个程序；逻辑元件7在编程板1上的位置分别如图8、图10和图12所示。图9、图11和图13分别显示了安装垫15和实现上述程序的电子块。

第1组的用户根据逻辑元件7创建了培训程序，并用图像解释模块的功能，第1组培训程序的实质是激活与可寻址模块21的可寻址输出相连的指示灯块22。

程序定义、编译和执行的过程与上述类似，但：

1、当执行程序1时，连接到可寻址块21的可寻址输出1的指示灯块22在满功率下被激活

2、随着程序2的执行，连接到可寻址块21的可寻址输出1的指示灯块22在满功率下被激活，连接到可以寻址块21可寻址输出2的指示灯块22在半功率下被启动

3、随着程序3的执行，连接到可寻址块21的可寻址输出1的指示灯块22在满功率下被激活，连接到可以寻址块21可寻址输出2的指示灯块22在半功率下被启动，连接到可寻址块21可编址输出3的指示灯块22在3/4功率下被启用。

为了教第2组儿童，我们使用了两个程序，其中逻辑元件7在编程板1上的位置如图14和图16所示。安装垫15上放置电子块以定义程序，分别如图15和图17所示。

第2组用户根据逻辑元件7创建了培训程序，用俄文图像和文本解释其功能，而第2组培训程序的实质是在按下按钮23时激活与可寻址块21的可寻址输出相连的指示灯块22和风扇块25。

程序定义、编译和执行的过程与上述类似，但：

4、当程序1在按下按钮23后执行时，连接到可寻址块21的可寻址输出1的指示灯块22在满功率下被激活

5、当程序2在按下按钮23后执行时，连接到可寻址块21的可寻址输出1的风扇块25在满功率下被激活。

为了教第3组的孩子，我们使用了两个程序，编程板1上逻辑元件7的位置分别如图18和图20所示。图19和图21分别显示了带有电子块的安装垫15，用于定义程序。

第3组用户使用逻辑元件7创建了培训程序，其中包含俄语和英语文本、数字和数学运算符解释其功能，第3组培训程序的本质是创建交互式照明和风扇速度控制系统。

程序定义、编译和执行的过程与上述类似，但：

6、当执行程序1时，连接到可寻址块21的可寻址输出1-3的指示灯块22的功率取决于连接到寻址块21可寻址输出4的光传感器32测量的照明强度，并通过调光或额外照明光传感器32，控制连接到可寻址块21的可寻址输出1-3的指示灯块22的功率

7、当执行程序2时，连接到可寻址块21的可寻址输出1的风扇块25的功率取决于根据来自温度传感器24的信号的环境温度，温度传感器24连接到可寻址块21的可寻址输出4，并且通过加热或冷却温度传感器24，控制连接到可寻址块21的可寻址输出1的风扇块25的旋转速度。

为了教第4组的孩子，我们使用了程序1；逻辑块7在编程板1上的位置如图22所示。图23和图24分别显示了放置在其上以定义程序的电子块的安装垫15。

第4组用户从逻辑元件7创建了一个培训程序，其中标有用英文、数字和数学运算符标记解释其功能的文本；针对第3组用户的培训计划的实质是创建一个交互式系统来远程控制(见图23)玩具车(见图24)，

程序定义、编译和执行的过程与上述类似，然而，当通过按下安装垫15(参考图23)上的按钮23来执行程序时，控制信号被发送到安装垫15上的通信和控制单元20(参考图24)，安装垫15是一辆玩具车，而汽车可以通过启动电机33在车轮34上前后行驶，并具有模拟前照灯的指示灯块22。

向1-4组教授编程时，前一年龄组的程序用于向下一年龄组用户教授编程。

从上面的程序示例可以看出，所要求的构造组件可以很容易地修改，以教授不同年龄的儿童编程。

编程教学结果如下表所示

这意味着，通过简单的设计和针对儿童特定年龄的微调，所要求的构造组件可以有效地用于向3岁以及以上的儿童教授编程。

Claims (10)

1.一种制作编程教具的方法，其特征在于，将逻辑元件放置在所述编程板上并将它们连接到所述接触垫单元，同时所述逻辑元件的相对排列定义了所述可执行程序代码，由所述控制单元对所述成对的接触垫进行串行分层扫描以确定逻辑元件标识符，其中，所述控制单元还激活对应于接触单元行的指示灯，所述控制单元解码标识符并将由所述逻辑元件的位置定义的代码写入存储器，编译并验证代码；对于代码运行时错误，它会在所述控制单元GUI上显示消息并激活指示灯以指示检测到错误的代码行，以及在没有错误的情况下执行代码时，它会在所述GUI上显示消息并将所述代码发送到通信和控制单元，后者将所述代码保存到所述内存中以便通过发送和接收来自/到所述电子块的信号来后续执行。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制单元从左到右和从上到下对所述接触单元进行分层扫描。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述控制单元扫描所述成对的接触单元时激活对应的绿色指示灯。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当检测到程序代码运行时错误时，所述控制单元激活与检测到错误的程序代码行对应的红色指示灯。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电子部件执行代码或向通信和控制单元发送控制信号和数据。

6.编程教学板，具有平坦的接触单元矩阵通过GUI电连接到所述控制单元的接口连接器，并且将指示灯列设置在所述编程板上接触单元的左侧，这些指示灯也连接到所述控制单元的界面连接器，所述接触单元与逻辑元件触点的形状相匹配，因此所述逻辑元件被固定在所述编程板上的适当位置，在所述板边缘还有接口连接器以连接到更多的编程板。

7.根据权利要求6所述的板，其特征在于，所述控制单元包含用于在所述编程板上切换的按钮、代码执行开始按钮、代码运行暂停按钮和代码执行停止按钮。

8.一种用于教学编程的逻辑元件，设置成平坦部件，其底部触点与接触单元的形状相匹配并将所述逻辑元件保持在用于编程板的接触单元上；在所述逻辑元件内部，所述触点连接到所述标识块，逻辑元件的顶部有标有所述逻辑元件类型信息的区域。

9.根据权利要求8所述的元件，其特征在于，所述标识块是电阻矩阵或可寻址控制器。

10.根据权利要求8所述的元件，其特征在于，逻辑元件的顶部标有文本、数学符号、图像或盲文字符。

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