面向少兒圖像化可編程智能樂高

李子強 明浩 朱啟鵬 王雪嬌

濰坊理工學院，中國·山東 青州 262500

1 引言

近年來，少兒編程教育倍受社會關注，全球已經有超過24個國家在基礎教育中設立了編程教育大綱。在美國STEAM教育已成為其素質教育的核心，編程、3D打印、機器人等新技術教育已走進了美國的中小學校。美國前總統奧巴馬也曾參與“編程一小時”活動，并呼吁美國小朋友“別總在手機上玩，要去編程”。美國政府投資40億美元開展少兒編程教育，呼吁全國青少年學習編程。少兒編程可以培養孩子五個方面的思維能力：分解思維、框架思維、抽象思維、計算思維、培養耐心和細心[1]。

2 設計現狀

目前在發達國家，比如70%的美國孩子在讀大學之前接觸過一定深度的編程教育，不僅僅是在美國，日本、韓國、英國、芬蘭、新加坡等發達國家早已將少兒編程教育付諸實踐，將編程納入教學大綱，成為必修學科。米切爾·雷斯尼克在麻省理工學院組建了一個名為“終身育兒園”的研究小組，開發了風靡全世界的Scratch編程語言，被數百萬孩子和成年人用來制作和分享動畫、故事、游戲和互動藝術。中國少兒編程教育可以追溯的10年前，當時以機器硬件學習為主。2018年數據顯示，中國少兒編程教育滲透率僅為0.96%[2]。

當今環境下人工智能、大數據等行業冉冉升起，人才缺口巨大的環境下，少兒編程教育站在當今時代浪潮的浪尖之上，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年教育部辦公廳關于印發《2019年教育信息化和網絡安全工作要點》的第23條通知中就明確說明了，要推動在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育。

市場的需求；市場對于相關的專業人才的需求量越來越大。基于此近幾年國內出現了很多少兒編程教育培訓機構、學習軟件、平臺、配套產品等照搬國外并且要支付高昂的加盟費用，而且國外對于技術的壟斷與封鎖使得國內產品研發的緩慢，在此條件下部分機構重視經濟利益，卻忽視了編程教育的主要目的與新技術的研發與制造。

3 產品特色

從益智類玩具市場的反應結果看，在益智類玩具的設計上，設計者應該秉持創新的原則，擴展思維，開辟心思路，設計創新型的玩具作品。創新性是玩具設計的核心，沒有新意的玩具作品也就沒有的靈魂和內容，不利于益智類玩具設計的可持續發展，創新是益智類玩具設計中的重要因素，對益智類玩具的發展具有推動作用。

堅持創新原則才是讓產品一直保持魅力的秘訣。

第一，積木智能化；將單個電路模塊嵌入積木內部，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現其不同功能，讓編程思維的培養與兒童的興趣以及操作行為相結合，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計出產品這一過程為自行完成，并進行了多次調試與改進，智能積木拼接所用的連接線均無正負極之分且智能積木拼接模塊所通過的電流小，在使用過程中不會出現短路、斷路以及因為電流過大而損壞燒毀的情況。

第四，可直接連接電腦端并用軟件進行編程，實現電路轉換并使其運行。或者可以利用太陽能板將光能轉變為電能儲存在電池里，為裝置供電使其運行以節省電源。智能拼接積木與太陽能電池板模塊的完美結合體現在于，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地上奔馳（小車消耗的能量小于太陽能電池板模塊產生的能量）。兒童在系統充電的時刻也能感覺到科技與智能的快感。

4 關鍵技術

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

Altium Designer 除了全面繼承包括Protel 99SE、ProtelDXP在內的先前一系列版本的功能和優點外，還增加了許多改進和很多高端功能。該平臺拓寬了板級設計的傳統界面，全面集成了FPGA設計功能和SOPC設計實現功能，從而允許工程設計人員能將系統設計中的FPGA與PCB設計及嵌入式設計集成在一起。 由于Altium Designer 在繼承先前Protel軟件功能的基礎上，綜合了FPGA設計和嵌入式系統軟件設計功能，Altium Designer 對計算機的系統需求比先前的版本要高一些。

簡單清晰Arduino IDE基于processing IDE開發。對于初學者來說，極易掌握，同時有著足夠的靈活性。Arduino語言基于wiring語言開發，是對 avr-gcc庫的二次封裝，不需要太多的單片機基礎、編程基礎，簡單學習后，你也可以快速的進行開發。

開放性Arduino的硬件原理圖、電路圖、IDE軟件及核心庫文件都是開源的，在開源協議范圍內里可以任意修改原始設計及相應代碼。

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，還增加了arduino的支持，讓編程操作更加簡單，孩子更有興趣學習。 Scratch3.0不僅保留了Scratch的原生形態，同時添加了Arduino開源硬件的支持，將Arduino程序語句封裝成獨立的腳本，與Scratch原生腳本相結合，進行積木式搭建，實時生成C++語言代碼，并配合高效的編譯內核，將代碼快速燒錄到控制器中，從而實現對硬件設備的開發，不僅支持交互模式，實現軟件與硬件之間的交互，還可以進行脫機控制，以及構建小型物聯網系統，給用戶帶來多維的體驗方式。

整個裝置的組裝拼接問題：需要準確計算各個零件的大小及確定智能積木連接線的接口位置。

5 結語

此次設計的少兒編程開發板，可根據少兒年齡的不同分階段進行不同的培訓，主控板配合不同的插件可以滿足不同年齡不同場合來滿足小小創客的需求，希望在大環境及國家的政策下為少兒編程提供一個方便快捷的平臺，使孩子的想法敢落地，激發他們對于計算機的熱情，提高未來中國對于高精尖技術的自主創新與研發。