劉立勛 姜晨波

摘 要

針對(duì)日益受重視的少兒編程問(wèn)題，本文提出了一種圖形化編程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并介紹了此系統(tǒng)的核心算法，即卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional neural net-works， CNN）。此設(shè)計(jì)適合8～14的兒童和青少年，以少兒用戶的特點(diǎn)為核心，堅(jiān)持簡(jiǎn)單易懂、激發(fā)興趣的原則，對(duì)少兒編程思想的啟蒙具有重大的意義。

關(guān)鍵詞

少兒編程;圖形化編程系統(tǒng);卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）

中圖分類號(hào)： TP391.44;TN929.5 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.07.039

Abstract

Aiming at the problem of children's programming，this paper puts forward a design scheme of graphic programming system，and introduces the core algorithm of this system，that is，convolutional neural network（CNN）.This design is suitable for 8-14 children and teenagers.It takes the characteristics of children's users as the core，adheres to the principle of easy to understand and arouses interest，and has great significance for the Enlightenment of children's programming thought.

Key Words

Children's programming;Graphical programming system;Convolutional neural network（CNN）

隨著科技的不斷進(jìn)步和發(fā)展，人工智能逐漸進(jìn)入人們的視野，計(jì)算機(jī)技能的地位日益提升。目前，國(guó)內(nèi)青少年的編程教育還停留在初起階段，而國(guó)外在少兒時(shí)就十分注重編程思想的啟蒙。在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，編程邏輯和算法是決定程序質(zhì)量高低的關(guān)鍵。而兒童時(shí)期的悟性可以讓我們養(yǎng)成更好的編程思維和算法邏輯。實(shí)體化編程更可以幫助使用者形成良好的編程邏輯和算法思維，幫助他們更好地融入人工智能社會(huì)。

從2007年麻省理工學(xué)院專門為青少年開(kāi)發(fā)scratch軟件開(kāi)始，以色列和英國(guó)緊隨其后在青少年的必修課內(nèi)納入編程，隨后2017年我國(guó)國(guó)務(wù)院發(fā)文，建議實(shí)施全民智能教育項(xiàng)目[1]。在過(guò)去的幾年中，圍繞少兒編程教育的問(wèn)題持續(xù)升溫，少兒編程的可視化、游戲化發(fā)展風(fēng)向愈發(fā)明顯，少兒編程的機(jī)遇已經(jīng)到來(lái)。

1 方案

首先，我們?cè)O(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易程序模塊，綜合考慮泡沫板的形狀、大小，并制作泡沫板;其次，把設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易程序模塊印刷在泡沫板上，使用者只需根據(jù)需要拼接泡沫板，也就是簡(jiǎn)易程序模塊;在使用者確定泡沫板完成拼接后，調(diào)用視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)完成泡沫板圖像信息的采集，并將采集的圖像上載到圖像識(shí)別與圖像分析模塊;然后運(yùn)用模式識(shí)別技術(shù)把采集到的圖像信息翻譯成源程序代碼，最后，待源程序代碼編譯完成后，下載到目標(biāo)小車或機(jī)器人上，完成指定動(dòng)作。系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖1。

2 模塊說(shuō)明

圖形化編程系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)模塊：

（1）泡沫板程序模塊。首先，我們提前設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易程序模塊，并把所有的簡(jiǎn)易程序模塊分別印刷在各不同顏色的泡沫板上，每一塊泡沫板上的程序都可以看作編程軟件中所對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)易程序。

（2）泡沫板拼接。使用者可以直接根據(jù)自己的需求將泡沫板進(jìn)行拼接、增加和減少，類似于積木的搭接。由于是實(shí)物，使用者可以隨時(shí)變動(dòng)泡沫板，改變模塊程序的連接關(guān)系，或添加、刪減泡沫板來(lái)達(dá)到修改程序，改變功能的目的。

（3）圖像信息采集模塊。完成泡沫板拼接后，我們的圖形化編程軟件可通過(guò)圖形化控件庫(kù)調(diào)用視覺(jué)模塊，對(duì)各簡(jiǎn)易程序模塊組成的邏輯塊進(jìn)行信息采集。然后上傳到圖像識(shí)別和圖像分析模塊，完成圖像信息的采集。

（4）運(yùn)用圖像識(shí)別和圖像分析技術(shù)翻譯成源程序。采集完成的圖像是二維空間的圖形對(duì)象，圖形對(duì)象之間按照一定的邏輯順序連接，組成了整個(gè)邏輯塊程序。我們的視覺(jué)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)識(shí)別、提取和解析圖像信息，并將提取的信息譯為源程序代碼，即類c語(yǔ)言代碼。

（5）類c語(yǔ)言程序編譯、上載模塊。在生成類c語(yǔ)言代碼后，對(duì)其進(jìn)行編譯。編譯過(guò)程為選擇編譯事件，從該事件所對(duì)應(yīng)程序的類c語(yǔ)言代碼中讀取字符，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的可執(zhí)行代碼，進(jìn)行保存，完成編譯。上載過(guò)程是由我們的第三方庫(kù)將源程序代碼與校驗(yàn)碼進(jìn)行校驗(yàn)及解析，校驗(yàn)成功后將下載到目標(biāo)小車、目標(biāo)機(jī)器人等，令其完成由程序指定的動(dòng)作。系統(tǒng)整體技術(shù)路線框架如圖2。

3 算法

本系統(tǒng)圖像的識(shí)別與分析采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。其在模式識(shí)別領(lǐng)域表現(xiàn)突出，可以得到更深層的特征，擁有更高的識(shí)別率。CNN層次結(jié)構(gòu)如圖3。

4 結(jié)語(yǔ)

少兒編程本是屬于STEAM教育的一部分，但隨著其逐步的發(fā)展，出現(xiàn)了專注于此領(lǐng)域的項(xiàng)目和公司，促進(jìn)了少兒編程成為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的領(lǐng)域。我們?nèi)缃裉幱谝粋€(gè)編程的時(shí)代，學(xué)習(xí)編程，這有利于我們了解這個(gè)世界正在發(fā)生什么，將會(huì)發(fā)生什么。語(yǔ)言是自然社會(huì)必不可少的構(gòu)成因素，而編程是互聯(lián)網(wǎng)形成的基礎(chǔ)。程序已經(jīng)不再是只有互聯(lián)網(wǎng)人才會(huì)談?wù)摰脑掝}，我們的衣、食、住、行幾乎被互聯(lián)網(wǎng)包圍，而編程這門看似枯燥、深?yuàn)W的技能正是構(gòu)成這一切的基礎(chǔ)。讓下一代提早學(xué)習(xí)編程，有利于他們更清晰地理解他們當(dāng)前所處的時(shí)代。少兒編程教育并不是培養(yǎng)未來(lái)的程序員，而是讓孩子學(xué)會(huì)熟練地用科技表達(dá)自己，由科技時(shí)代的消費(fèi)者轉(zhuǎn)變?yōu)閯?chuàng)造者。因此，少兒編程的研究具有重大意義。

參考文獻(xiàn)

[1]王婷婷，王丹力，路璐，何亮，王宏安，戴國(guó)忠.面向兒童的圖形化編程語(yǔ)言和工具[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2013，25（04）：584-591.