面向少兒圖像化可編程智能樂高

李子強(qiáng) 明浩 朱啟鵬 王雪嬌

濰坊理工學(xué)院，中國(guó)·山東 青州 262500

1 引言

近年來，少兒編程教育倍受社會(huì)關(guān)注，全球已經(jīng)有超過24個(gè)國(guó)家在基礎(chǔ)教育中設(shè)立了編程教育大綱。在美國(guó)STEAM教育已成為其素質(zhì)教育的核心，編程、3D打印、機(jī)器人等新技術(shù)教育已走進(jìn)了美國(guó)的中小學(xué)校。美國(guó)前總統(tǒng)奧巴馬也曾參與“編程一小時(shí)”活動(dòng)，并呼吁美國(guó)小朋友“別總在手機(jī)上玩，要去編程”。美國(guó)政府投資40億美元開展少兒編程教育，呼吁全國(guó)青少年學(xué)習(xí)編程。少兒編程可以培養(yǎng)孩子五個(gè)方面的思維能力：分解思維、框架思維、抽象思維、計(jì)算思維、培養(yǎng)耐心和細(xì)心[1]。

2 設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

目前在發(fā)達(dá)國(guó)家，比如70%的美國(guó)孩子在讀大學(xué)之前接觸過一定深度的編程教育，不僅僅是在美國(guó)，日本、韓國(guó)、英國(guó)、芬蘭、新加坡等發(fā)達(dá)國(guó)家早已將少兒編程教育付諸實(shí)踐，將編程納入教學(xué)大綱，成為必修學(xué)科。米切爾·雷斯尼克在麻省理工學(xué)院組建了一個(gè)名為“終身育兒園”的研究小組，開發(fā)了風(fēng)靡全世界的Scratch編程語言，被數(shù)百萬孩子和成年人用來制作和分享動(dòng)畫、故事、游戲和互動(dòng)藝術(shù)。中國(guó)少兒編程教育可以追溯的10年前，當(dāng)時(shí)以機(jī)器硬件學(xué)習(xí)為主。2018年數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)少兒編程教育滲透率僅為0.96%[2]。

當(dāng)今環(huán)境下人工智能、大數(shù)據(jù)等行業(yè)冉冉升起，人才缺口巨大的環(huán)境下，少兒編程教育站在當(dāng)今時(shí)代浪潮的浪尖之上，被推得更高。 少兒編程教育的火爆，主要的助力來自于兩大方面：

第一，政策層面；19年教育部辦公廳關(guān)于印發(fā)《2019年教育信息化和網(wǎng)絡(luò)安全工作要點(diǎn)》的第23條通知中就明確說明了，要推動(dòng)在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育。

市場(chǎng)的需求；市場(chǎng)對(duì)于相關(guān)的專業(yè)人才的需求量越來越大?；诖私鼛啄陣?guó)內(nèi)出現(xiàn)了很多少兒編程教育培訓(xùn)機(jī)構(gòu)、學(xué)習(xí)軟件、平臺(tái)、配套產(chǎn)品等照搬國(guó)外并且要支付高昂的加盟費(fèi)用，而且國(guó)外對(duì)于技術(shù)的壟斷與封鎖使得國(guó)內(nèi)產(chǎn)品研發(fā)的緩慢，在此條件下部分機(jī)構(gòu)重視經(jīng)濟(jì)利益，卻忽視了編程教育的主要目的與新技術(shù)的研發(fā)與制造。

3 產(chǎn)品特色

從益智類玩具市場(chǎng)的反應(yīng)結(jié)果看，在益智類玩具的設(shè)計(jì)上，設(shè)計(jì)者應(yīng)該秉持創(chuàng)新的原則，擴(kuò)展思維，開辟心思路，設(shè)計(jì)創(chuàng)新型的玩具作品。創(chuàng)新性是玩具設(shè)計(jì)的核心，沒有新意的玩具作品也就沒有的靈魂和內(nèi)容，不利于益智類玩具設(shè)計(jì)的可持續(xù)發(fā)展，創(chuàng)新是益智類玩具設(shè)計(jì)中的重要因素，對(duì)益智類玩具的發(fā)展具有推動(dòng)作用。

堅(jiān)持創(chuàng)新原則才是讓產(chǎn)品一直保持魅力的秘訣。

第一，積木智能化；將單個(gè)電路模塊嵌入積木內(nèi)部，拼接積木形成完整電路。

第二，拼接方式靈活多樣化；智能積木可以靈活地拼接為不同成品以實(shí)現(xiàn)其不同功能，讓編程思維的培養(yǎng)與兒童的興趣以及操作行為相結(jié)合，歷程豐富、趣味十足。

第三，安全性高；核心硬件主控板從原理圖到設(shè)計(jì)出產(chǎn)品這一過程為自行完成，并進(jìn)行了多次調(diào)試與改進(jìn)，智能積木拼接所用的連接線均無正負(fù)極之分且智能積木拼接模塊所通過的電流小，在使用過程中不會(huì)出現(xiàn)短路、斷路以及因?yàn)殡娏鬟^大而損壞燒毀的情況。

第四，可直接連接電腦端并用軟件進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)電路轉(zhuǎn)換并使其運(yùn)行?；蛘呖梢岳锰柲馨鍖⒐饽苻D(zhuǎn)變?yōu)殡娔軆?chǔ)存在電池里，為裝置供電使其運(yùn)行以節(jié)省電源。智能拼接積木與太陽能電池板模塊的完美結(jié)合體現(xiàn)在于，陽光充裕的條件下，智能拼接積木的小車拼接組合可搭載太陽能電池板模塊在場(chǎng)地上奔馳（小車消耗的能量小于太陽能電池板模塊產(chǎn)生的能量）。兒童在系統(tǒng)充電的時(shí)刻也能感覺到科技與智能的快感。

4 關(guān)鍵技術(shù)

智能積木主控板的設(shè)計(jì)問題：利用Altium Designer軟件以及Arduino Uno芯片完成主控的設(shè)計(jì)并用Scraino完成圖形化編程[3]。

Altium Designer 除了全面繼承包括Protel 99SE、ProtelDXP在內(nèi)的先前一系列版本的功能和優(yōu)點(diǎn)外，還增加了許多改進(jìn)和很多高端功能。該平臺(tái)拓寬了板級(jí)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)界面，全面集成了FPGA設(shè)計(jì)功能和SOPC設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能，從而允許工程設(shè)計(jì)人員能將系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的FPGA與PCB設(shè)計(jì)及嵌入式設(shè)計(jì)集成在一起。 由于Altium Designer 在繼承先前Protel軟件功能的基礎(chǔ)上，綜合了FPGA設(shè)計(jì)和嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)功能，Altium Designer 對(duì)計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)需求比先前的版本要高一些。

簡(jiǎn)單清晰Arduino IDE基于processing IDE開發(fā)。對(duì)于初學(xué)者來說，極易掌握，同時(shí)有著足夠的靈活性。Arduino語言基于wiring語言開發(fā)，是對(duì) avr-gcc庫(kù)的二次封裝，不需要太多的單片機(jī)基礎(chǔ)、編程基礎(chǔ)，簡(jiǎn)單學(xué)習(xí)后，你也可以快速的進(jìn)行開發(fā)。

開放性Arduino的硬件原理圖、電路圖、IDE軟件及核心庫(kù)文件都是開源的，在開源協(xié)議范圍內(nèi)里可以任意修改原始設(shè)計(jì)及相應(yīng)代碼。

Scraino是一款青少年編程軟件，圖形化的編程界面更能提升小孩的編程興趣，Scraino基于3.0版本的Scratch開發(fā)，還增加了arduino的支持，讓編程操作更加簡(jiǎn)單，孩子更有興趣學(xué)習(xí)。 Scratch3.0不僅保留了Scratch的原生形態(tài)，同時(shí)添加了Arduino開源硬件的支持，將Arduino程序語句封裝成獨(dú)立的腳本，與Scratch原生腳本相結(jié)合，進(jìn)行積木式搭建，實(shí)時(shí)生成C++語言代碼，并配合高效的編譯內(nèi)核，將代碼快速燒錄到控制器中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件設(shè)備的開發(fā)，不僅支持交互模式，實(shí)現(xiàn)軟件與硬件之間的交互，還可以進(jìn)行脫機(jī)控制，以及構(gòu)建小型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，給用戶帶來多維的體驗(yàn)方式。

整個(gè)裝置的組裝拼接問題：需要準(zhǔn)確計(jì)算各個(gè)零件的大小及確定智能積木連接線的接口位置。

5 結(jié)語

此次設(shè)計(jì)的少兒編程開發(fā)板，可根據(jù)少兒年齡的不同分階段進(jìn)行不同的培訓(xùn)，主控板配合不同的插件可以滿足不同年齡不同場(chǎng)合來滿足小小創(chuàng)客的需求，希望在大環(huán)境及國(guó)家的政策下為少兒編程提供一個(gè)方便快捷的平臺(tái)，使孩子的想法敢落地，激發(fā)他們對(duì)于計(jì)算機(jī)的熱情，提高未來中國(guó)對(duì)于高精尖技術(shù)的自主創(chuàng)新與研發(fā)。