[发明专利]一种基于多语义的实物编程系统

说明书

技术领域

本发明属于人机交互领域，具体涉及到一种具有多语义和二维连接特性的实物编程系统。

背景技术

个人和计算机等数字化设备的普及，使儿童生活在一个被计算设备包围的环境中，很多工作领域都涉及到计算机。在儿童时期教授计算机科学十分重要，需要使儿童在幼儿园和小学时期接触问题求解和计算方法等。让儿童学习编程最直接的好处儿童可以通过编程学习到最先进的技术，增强对计算机科学的兴趣，此外编程对儿童的数学、科学知识、语言、创造力和社交能力等方面都起到积极、重要的作用。实物交互技术允许儿童将操作物拿在手上与计算机进行交互，减少了繁复的语法规则对儿童学习编程造成的障碍，并且可以使儿童在编程学习过程中更加投入。因此，实物编程是一种可行的学习编程的途径。

专利ZL201210251967公开了一种基于红外和无线传输技术的实物编程方法和系统，与电脑相连的无线处理模块通过轮询编程块序列获得实物程序语义，通过计算机映射语义完成任务。专利ZL2013104147570公开了一种便携式的实物编程系统，其处理和显示单元完全独立于电脑，而其实物编程块仍为简单的线性连接方式。以上专利有以下不足之处：实物编程块的功能单一，每个实物编程块仅能表示一个语义，由于每个编程块的内部都嵌入了电子元器件，造成该实物编程系统的成本较高。其次，实物编程块仅能线性连接，没有充分发挥立体块的优势。再次，编程块所传递的编程概念比较简单，仅有简单的顺序概念和参数概念。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种支持多语义和二维连接特性的实物编程系统，包括一LEDPad和实物编程块(参考：一种便携式实物编程系统，申请号：2013104147570)，除上述专利中所包含的编程概念，本发明向用户传达布尔逻辑和分支等概念，完善编程工具中所教授的编程结构。其中的实物编程块具有多语义特性，可以通过手势改变其语义；此外，实物编程块还支持二维连接方式，不再是单一的线性连接方式，可以更好的映射分支等编程结构。LEDPad中的处理模块在信息处理的算法上进行了改进，使其可以识别到用户通过手势改变的语义，并将二维连接方式的编程块进行排序，在LEDPad内部存储为一维结构。本发明中每个任务分为两个阶段，编程阶段和运行阶段。编程阶段，摆放实物编程块构建迷宫出逃路径，运行阶段，LEDPad依次读取编程命令，控制系统反馈，用户需要进行适当的输入。

本发明的技术方案为：

一种多语义和二维连接的实物编程系统，如图1所示，其组成包括：

1)实物编程处理和显示单元——LEDPad。LEDPad包括迷宫识别模块、无线处理模块、实物编程处理模块、显示模块。作为主要控制单元，LEDPad处理实物编程块发送的无线信息，以及按照设定的编程规则识别多语义实物编程块的当前语义并对编程语义进行排序，向用户提供反馈。迷宫识别模块的功能是根据当前所选迷宫的RFID标签信息加载相应的迷宫结构信息，以便判断用户摆放的程序的正确性。每一张纸质地图的左下角处都附有一个RFID标签，用户贴上纸质迷宫的同时，LEDPad内部也会加载其对应的迷宫结构信息。

进一步的，LEDPad中的无线处理模块包含一单片机和一无线模块；无线处理模块用于接收实物编程块发送的无线信息，识别编程块当前的语义，并根据无线信息将编程块语义进行排序；本方法中无线处理模块根据实物编程块发送的前一个块的信息和自身信息对编程块语义序列进行排序。本发明中实物编程块和LEDPad之间采用无线信号通信；两个相邻的编程块之间采用近距离的红外通信。

进一步的，在编程阶段，LEDPad中的实物编程处理模块根据对应关系转换规则将实物语义序列转换成程序功能语义序列，并判断该编程块是否合法，提供正误的反馈；在运行阶段，逐次读取命令并监听传感器的状态，执行当前的命令。

2)实物编程块。实物编程块是系统的主要输入工具，实物编程块的组成和功能可参见上述专利。本系统中增加了多语义实物编程块，可以识别用户的摇晃手势变换语义。

进一步的，多语义实物编程块包括一个三轴加速度计模块和用于显示的LED矩阵模块。多语义实物编程块通过实时采集加速度值采用决策树方法来识别是否为语义切换手势，如果是，就将编程块的语义设置下一个语义，并通过LED显示当前语义的图标。

3)实物编程块除上述专利提到的语义外，本发明中增加了“与逻辑”和“或逻辑”以及“分支”等实物编程块，用于向儿童传递相关的编程思想。其中“与逻辑”和“或逻辑”以及“分支”等编程块可以与传感器编程块按照二维连接方式进行连接。