面向少儿图像化可编程智能乐高

李子强 明浩 朱启鹏 王雪娇

潍坊理工学院，中国·山东 青州 262500

1 引言

近年来，少儿编程教育倍受社会关注，全球已经有超过24个国家在基础教育中设立了编程教育大纲。在美国STEAM教育已成为其素质教育的核心，编程、3D打印、机器人等新技术教育已走进了美国的中小学校。美国前总统奥巴马也曾参与“编程一小时”活动，并呼吁美国小朋友“别总在手机上玩，要去编程”。美国政府投资40亿美元开展少儿编程教育，呼吁全国青少年学习编程。少儿编程可以培养孩子五个方面的思维能力：分解思维、框架思维、抽象思维、计算思维、培养耐心和细心[1]。

2 设计现状

目前在发达国家，比如70%的美国孩子在读大学之前接触过一定深度的编程教育，不仅仅是在美国，日本、韩国、英国、芬兰、新加坡等发达国家早已将少儿编程教育付诸实践，将编程纳入教学大纲，成为必修学科。米切尔·雷斯尼克在麻省理工学院组建了一个名为“终身育儿园”的研究小组，开发了风靡全世界的Scratch编程语言，被数百万孩子和成年人用来制作和分享动画、故事、游戏和互动艺术。中国少儿编程教育可以追溯的10年前，当时以机器硬件学习为主。2018年数据显示，中国少儿编程教育渗透率仅为0.96%[2]。

当今环境下人工智能、大数据等行业冉冉升起，人才缺口巨大的环境下，少儿编程教育站在当今时代浪潮的浪尖之上，被推得更高。 少儿编程教育的火爆，主要的助力来自于两大方面：

第一，政策层面；19年教育部办公厅关于印发《2019年教育信息化和网络安全工作要点》的第23条通知中就明确说明了，要推动在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育。

市场的需求；市场对于相关的专业人才的需求量越来越大。基于此近几年国内出现了很多少儿编程教育培训机构、学习软件、平台、配套产品等照搬国外并且要支付高昂的加盟费用，而且国外对于技术的垄断与封锁使得国内产品研发的缓慢，在此条件下部分机构重视经济利益，却忽视了编程教育的主要目的与新技术的研发与制造。

3 产品特色

从益智类玩具市场的反应结果看，在益智类玩具的设计上，设计者应该秉持创新的原则，扩展思维，开辟心思路，设计创新型的玩具作品。创新性是玩具设计的核心，没有新意的玩具作品也就没有的灵魂和内容，不利于益智类玩具设计的可持续发展，创新是益智类玩具设计中的重要因素，对益智类玩具的发展具有推动作用。

坚持创新原则才是让产品一直保持魅力的秘诀。

第一，积木智能化；将单个电路模块嵌入积木内部，拼接积木形成完整电路。

第二，拼接方式灵活多样化；智能积木可以灵活地拼接为不同成品以实现其不同功能，让编程思维的培养与儿童的兴趣以及操作行为相结合，历程丰富、趣味十足。

第三，安全性高；核心硬件主控板从原理图到设计出产品这一过程为自行完成，并进行了多次调试与改进，智能积木拼接所用的连接线均无正负极之分且智能积木拼接模块所通过的电流小，在使用过程中不会出现短路、断路以及因为电流过大而损坏烧毁的情况。

第四，可直接连接电脑端并用软件进行编程，实现电路转换并使其运行。或者可以利用太阳能板将光能转变为电能储存在电池里，为装置供电使其运行以节省电源。智能拼接积木与太阳能电池板模块的完美结合体现在于，阳光充裕的条件下，智能拼接积木的小车拼接组合可搭载太阳能电池板模块在场地上奔驰（小车消耗的能量小于太阳能电池板模块产生的能量）。儿童在系统充电的时刻也能感觉到科技与智能的快感。

4 关键技术

智能积木主控板的设计问题：利用Altium Designer软件以及Arduino Uno芯片完成主控的设计并用Scraino完成图形化编程[3]。

Altium Designer 除了全面继承包括Protel 99SE、ProtelDXP在内的先前一系列版本的功能和优点外，还增加了许多改进和很多高端功能。该平台拓宽了板级设计的传统界面，全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许工程设计人员能将系统设计中的FPGA与PCB设计及嵌入式设计集成在一起。 由于Altium Designer 在继承先前Protel软件功能的基础上，综合了FPGA设计和嵌入式系统软件设计功能，Altium Designer 对计算机的系统需求比先前的版本要高一些。

简单清晰Arduino IDE基于processing IDE开发。对于初学者来说，极易掌握，同时有着足够的灵活性。Arduino语言基于wiring语言开发，是对 avr-gcc库的二次封装，不需要太多的单片机基础、编程基础，简单学习后，你也可以快速的进行开发。

开放性Arduino的硬件原理图、电路图、IDE软件及核心库文件都是开源的，在开源协议范围内里可以任意修改原始设计及相应代码。

Scraino是一款青少年编程软件，图形化的编程界面更能提升小孩的编程兴趣，Scraino基于3.0版本的Scratch开发，还增加了arduino的支持，让编程操作更加简单，孩子更有兴趣学习。 Scratch3.0不仅保留了Scratch的原生形态，同时添加了Arduino开源硬件的支持，将Arduino程序语句封装成独立的脚本，与Scratch原生脚本相结合，进行积木式搭建，实时生成C++语言代码，并配合高效的编译内核，将代码快速烧录到控制器中，从而实现对硬件设备的开发，不仅支持交互模式，实现软件与硬件之间的交互，还可以进行脱机控制，以及构建小型物联网系统，给用户带来多维的体验方式。

整个装置的组装拼接问题：需要准确计算各个零件的大小及确定智能积木连接线的接口位置。

5 结语

此次设计的少儿编程开发板，可根据少儿年龄的不同分阶段进行不同的培训，主控板配合不同的插件可以满足不同年龄不同场合来满足小小创客的需求，希望在大环境及国家的政策下为少儿编程提供一个方便快捷的平台，使孩子的想法敢落地，激发他们对于计算机的热情，提高未来中国对于高精尖技术的自主创新与研发。