一种面向合作的实物编程方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种面向合作的实物编程方法及系统。本方法为：角色初始化阶段，编程系统根据目标任务加载并显示对应的虚拟故事环境；编程系统根据接收到的角色编程块和属性编程块发出的数据更新虚拟故事环境中相应角色的属性信息；编程阶段，编程系统在该虚拟故事环境中根据该目标任务分别依次生成不同角色的指示任务，其中，每一参与者根据自己选取的角色当前对应的指示任务摆放行为编程块和同步编程块；编程系统根据当前接收到的行为编程块、同步编程块发出的数据得到对应的程序队列，如果当前程序队列符合设定的语法规则，则执行当前程序队列并生成后续指示任务；否则给出相应的反馈信息。本发明专利技术能够增强儿童计算思维的同时加强儿童的团队意识。

【技术实现步骤摘要】
一种面向合作的实物编程方法及系统
本专利技术属于人机交互领域，具体涉及到一种面向合作和基于故事环境的实物编程方法及系统。
技术介绍
随着计算技术的飞速发展，面向早期教育的编程系统日渐普及。在已有研究证明儿童在早期接触编程有助于发展计算思维的大环境下，设计一种成熟的面向儿童的编程系统显得尤为重要。实验证明，实物编程系统在易学易用性，趣味性相较于其他系统都有着明显的优势。同时，合作编程有助于发展儿童的团队意识，根据上述现状，本专利技术设计一种面向合作编程的实物编程系统，提供培养儿童计算思维，合作意识的编程工具。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，其通过与电脑连接的无线处理模块通过不断向编程模块发送请求信号获取实物编程语义，再通过语义映射完成相应动作。ZL201510695893公开了一种基于多语义的实物编程系统，应用了实物编程的二维编程特性。上述专利有以下不足之处：不能提供合作编程的接口，因而不能发展儿童的合作编程能力，编程反馈内部设计缺失。
技术实现思路
在当今实物编程的大环境下，本专利技术提出一种面向合作和与基于故事环境的实物编程方法及系统，包括基于RFID技术的实物编程模块和unity3D虚拟场景(参考：一种基于多语义的实物编程系统，申请号：201510695893)，系统架构如图2所示。在此基础上，本专利技术提供同步动作模块为用户提供了合作编程接口。同时，基于故事环境的3D模型增强了用户沉浸体验，与实际动作结合的实物编程模块增强了系统的易学易用性。本专利技术的编程模块语义与虚拟场景相结合，同时基于故事环境，方便儿童理解。本专利技术分为三个阶段：角色初始化阶段，编程阶段和运行阶段。角色创建阶段儿童可以使用相应模块根据自己的喜好创建角色，编程阶段儿童根据任务摆放正确的模块序列完成相应任务，运行阶段虚拟系统读取模块序列语义结合背景故事给出相应反馈。本专利技术的技术方案为：一种面向合作的实物编程方法，其步骤包括：角色初始化阶段，编程系统根据目标任务加载并显示对应的虚拟故事环境；编程系统根据接收到的角色编程块和属性编程块发出的数据更新虚拟故事环境中相应角色的属性信息；其中，每一参与者根据从该目标任务中选取的角色选取对应角色编程块及属性编程块；编程阶段，编程系统在该虚拟故事环境中根据该目标任务分别依次生成不同角色的指示任务，其中，每一参与者根据自己选取的角色当前对应的指示任务摆放行为编程块和同步编程块；编程系统根据当前接收到的行为编程块、同步编程块发出的数据得到对应的程序队列，如果当前程序队列符合设定的语法规则，则执行当前程序队列并生成后续指示任务；如果当前程序队列不符合设定的语法规则，则给出相应的反馈信息；所述同步编程块包括等待编程块和通知编程块。进一步的，编程阶段，若该虚拟故事场景中的一角色A需要另外一角色B完成设定动作之后才能继续进行，则编程系统在该角色A上给出等待标识，该角色A对应的参与者在当前摆放的行为编程块后摆放一等待编程块，当角色B对应的参与者根据收到的指示任务摆放完对应的行为编程块和通知编程块后，编程系统生成该角色A的指示任务，提示该角色A根据当前指示任务继续编程。进一步的，所述行为编程块为用于控制角色行为的编程块；语义为走的行为编程块内设有RFID读卡器，用于读取磁片中的位置信息；四面语义分别为爬上、爬下、拿起/抬起、放下的行为编程块内设有三轴传感器，不同面的摆放方式发出的信号不同，从而表达相应语义。进一步的，所述角色编程块为用来创建角色的编程块，所述属性编程块为用于为角色选择合适外形的编程块；所述属性编程块内设有RFID读卡器，用于读取磁片中的角色属性信息。进一步的，每一编程块上设有一处理单元，用于接收编程系统中逻辑处理单元或其他编程块所发出的信号，并根据相应的信号向逻辑处理单元发送信号；其中，所述编程块包括角色编程块、属性编程块、同步编程块和行为编程块。一种面向合作的实物编程系统，其特征在于，包括若干编程块、逻辑处理单元以及三维虚拟场景生成单元；所述编程块包括角色编程块、属性编程块、同步编程块和行为编程块；其中，逻辑处理单元，用于根据接收到的角色编程块和属性编程块发出的数据更新虚拟故事环境中相应角色的属性信息，以及根据接收到的行为编程块、同步编程块发出的数据得到对应的程序队列，如果当前程序队列符合设定的语法规则，则执行当前程序队列并生成后续指示任务；如果当前程序队列不符合设定的语法规则，则给出相应的反馈信息；三维虚拟场景生成单元，用于根据目标任务加载并显示对应的虚拟故事环境；以及显示不同角色的指示任务和反馈信息。一种面向合作和与基于故事环境的实物编程系统，包含若干类别实物编程块，逻辑处理单元，以及三维虚拟场景生成单元和相应的数据资源库。上述的实物编程块是整个系统的主要输入工具。每个实物编程块都具有发送接收信号的能力，计算机可以根据实物编程块所发出的信号参数判断实物编程块的种类，不同种类的实物编程块所发出的无线信号不同。实物编程块内部装有三轴传感器，不同的摆放方式发出的信号不同，同一编程块可以表达不同语义。同时，每种编程块都贴有方便儿童理解的语义标识图。在本系统中实物编程块可以分为角色编程块、属性编程块、行为编程块以及同步编程块。其中属性编程块和一部分行为编程块内设有RFID读卡器，与有独立ID的磁片配合使用，以选择不同的参数。所有编程块通过一个带有USB接口的硬件模块与计算机交流信息。角色编程块可以用来创建角色，配合属性编程块可以方便儿童为自己的角色选择合适的外形。属性编程块内设有RFID读卡器，可将代表不同角色属性的磁片放置在读卡器上方代表改变角色属性。行为编程块被设计用于编程阶段搭建程序控制角色的行为。根据故事场景的设计，目前系统提供了6种动作：走、爬上、爬下、操作、拿起/抬起以及放下。其中语义为走的行为编程块内有RFID读卡器，可将代表不同位置的磁片放置在读卡器上方来代表走到该位置。其中四面语义分别为爬上、爬下、拿起/抬起、放下的行为编程块内有三轴传感器，不同面的摆放方式发出的信号不同，从而表达相应语义。同步编程块主要是用于儿童在编程过程中的合作。目前提供了3种同步编程块：等待编程块、通知编程块和等待若干秒编程块。在本系统中，如果使用到了两名以上角色，则可以使用带参数的等待编程块和通知编程块。当一个角色的程序运行到等待指令时，角色会一直站在原地，直到用户使用同步编程块中的通知编程块让另一个角色发送通知指令，才会继续执行等待编程块后面的程序。等待和通知可以让两个角色并行执行的程序相互配合，对应于计算机科学中的线程或进程的同步概念，保证了两个儿童的合作效果。在本专利技术中，通过重新设计编程块中的电路板，大量使用贴片式封装的元器件，以及优化布线，缩小了电路板的面积，增加了连接RFID读卡器模块的相关引脚，预留了多处引脚以供扩展新的模块。编程块所发出或接收的信号会被编程块处理单元分析。计算机会不断收集编程块发出的信号，并将收集到的信号交由逻辑处理单元处理。编程块上的处理单元也会分析计算机及其他编程块所发出的信号，并根据相应的信号向计算机发送信号。所述逻辑处理单元会根据当前的实物编程块序列并结合虚拟环境分析编程块序列所表示的语义动作。逻辑处理单元根据当前编程块序列本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向合作的实物编程方法，其步骤包括：角色初始化阶段，编程系统根据目标任务加载并显示对应的虚拟故事环境；编程系统根据接收到的角色编程块和属性编程块发出的数据更新虚拟故事环境中相应角色的属性信息；其中，每一参与者根据从该目标任务中选取的角色选取对应角色编程块及属性编程块；编程阶段，编程系统在该虚拟故事环境中根据该目标任务分别依次生成不同角色的指示任务，其中，每一参与者根据自己选取的角色当前对应的指示任务摆放行为编程块和同步编程块；编程系统根据当前接收到的行为编程块、同步编程块发出的数据得到对应的程序队列，如果当前程序队列符合设定的语法规则，则执行当前程序队列并生成后续指示任务；如果当前程序队列不符合设定的语法规则，则给出相应的反馈信息；所述同步编程块包括等待编程块和通知编程块。

【技术特征摘要】
1.一种面向合作的实物编程方法，其步骤包括：角色初始化阶段，编程系统根据目标任务加载并显示对应的虚拟故事环境；编程系统根据接收到的角色编程块和属性编程块发出的数据更新虚拟故事环境中相应角色的属性信息；其中，每一参与者根据从该目标任务中选取的角色选取对应角色编程块及属性编程块；编程阶段，编程系统在该虚拟故事环境中根据该目标任务分别依次生成不同角色的指示任务，其中，每一参与者根据自己选取的角色当前对应的指示任务摆放行为编程块和同步编程块；编程系统根据当前接收到的行为编程块、同步编程块发出的数据得到对应的程序队列，如果当前程序队列符合设定的语法规则，则执行当前程序队列并生成后续指示任务；如果当前程序队列不符合设定的语法规则，则给出相应的反馈信息；所述同步编程块包括等待编程块和通知编程块。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，编程阶段，若该虚拟故事场景中的一角色A需要另外一角色B完成设定动作之后才能继续进行，则编程系统在该角色A上给出等待标识，该角色A对应的参与者在当前摆放的行为编程块后摆放一等待编程块，当角色B对应的参与者根据收到的指示任务摆放完对应的行为编程块和通知编程块后，编程系统生成该角色A的指示任务，提示该角色A根据当前指示任务继续编程。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述行为编程块为用于控制角色行为的编程块；语义为走的行为编程块内设有RFID读卡器，用于读取磁片中的位置信息；四面语义分别为爬上、爬下、拿起/抬起、放下的行为编程块内设有三轴传感器，不同面的摆放方式发出的信号不同，从而表达相应语义。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述角色编程块为用来创建角色的编程块，所述属性编程块为用于为角色选择合适外形的编程块；所述属性编程块内设有RFID读卡器，用于读取磁片中的角色属性信息。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，每一编程块上设有一处理单元，用于接收编程系统中逻辑处理单元或其他编程块所发出的信号，并根据相应的信号向逻辑处理单...

【专利技术属性】
技术研发人员：王丹力，邓小舟，金乔，
申请(专利权)人：中国科学院软件研究所，中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11