[發明專利]一種面向兒童的圖形化編程系統和方法

有效

• 申請號: 201310097617.5
• 申請日: 2013-03-25
• 公開（公告）號: CN103197929A
• 公開（公告）日: 2013-07-10
• 發明（設計）人: 王丹力;王婷婷;王宏安
• 申請（專利權）人: 中國科學院軟件研究所
• 主分類號: G06F9/44
• 分類號: G06F9/44
• 代理公司: 北京君尚知識產權代理事務所(普通合伙) 11200
• 代理人: 馮藝東

技術領域

本發明屬于人機交互領域，具體涉及到一種兒童圖形化編程系統和方法。

背景技術

隨著軟件行業的飛速發展，計算機編程已經不再是IT專業人員的工作，而是各行各業的終端用戶用來實現各自領域目標的工具。針對兒童這一特殊群體，科學技術的發展使得他們有更多機會接觸和使用電腦，而隨著兒童使用計算設備的深入，現有軟件已不能滿足需求，他們希望自己也能創作作品。學習編程不僅對兒童的數學和科學知識方面有幫助，而且對于語言、創造力和社會交流等方面都能有積極和重要的作用。此外，從培養兒童計算思維的角度來講，學習編程也具有其重要價值。計算思維的概念最早源自Papert的建構主義，近年來由CMU計算機科學系主任周以真教授大力倡導，得到美國教育界的支持，并引起國內外科學家的廣泛關注。周教授把計算思維提升到與“讀、寫、算”同等重要的高度，成為適合于每一個人的“一種普遍的認識和一類普適的技能”。而學習計算機編程則是培養計算思維能力的一種有效方式。但傳統的基于文本和符號的編程語言，讓兒童理解起來異常困難，同時基于鼠標交互的編程工具也使得兒童難以操作和使用。大量的研究成果表明，圖形化編程作為一種自然的編程方式，是兒童編程的一種可行途徑。它將各種編程的概念轉化為顯示在屏幕上的各種圖形，兒童只需按照形象化的規則拼接各種圖形塊，就可以完成編程的過程。

由MIT多媒體實驗室開發的Scratch是目前圖形化編程系統的代表，其面向8到16歲的用戶，以制作游戲、動畫等作品為應用背景。Scratch將編程語句封裝成有溝槽的圖形塊，用不同的顏色來區分不同類型的編程塊，方便兒童識別和查找。但這些編程塊的形狀本身沒有語義信息，功能和參數也都是純文本顯示，兒童只能靠理解文字含義來判別編程塊的功能。其次，Scratch把傳統文本程序命令細化到每個編程塊中，這雖然提高了系統可實現程序的復雜度，但也使得其編程塊數量多、尺寸小，這不利于兒童點選、拖放和修改參數等。此外，Scratch中沒有明顯的多場景概念，需要復雜的編程塊組合才能實現類似場景轉換的效果，這對大部分兒童來說是比較困難的。Scratch提供的運行時反饋是逐個高亮編程塊，這種形式欠缺程序“流”的概念，對兒童來說生動性也不足。另一方面，國內這方面的研究還很少，大多數針對中國兒童的圖形化編程軟件均源于國外軟件的漢化版本，沒有充分考慮地域文化的特點。

發明內容

針對現有技術中存在的問題，本發明的目的在于提供一種面向兒童的圖形化編程系統和方法，本發明采用筆(或鼠標)交互方式，利用圖形化編程方法實現多場景的編程創作。用戶可以自由增刪場景，為每個場景更換背景、增刪角色，通過拖放圖形化編程塊為場景編寫程序，控制場景的轉換和其中角色的運動等，并利用錄音和繪圖等多媒體資源制作功能來添加和修改素材，豐富編程的內容，從而實現自由的編程創作。

本發明通過結合筆(或鼠標)交互方式和圖形化編程方法的優勢，設計合適的兒童用戶界面，提供一個交互自然、直觀形象的圖形化編程系統，支持兒童在生動的創作空間中，充分利用圖形隱喻和豐富的素材資源，簡單方便地創作動畫、故事或游戲，并從中學習簡單的編程概念。

為實現上述目的，本項發明的技術方案為：

一種面向兒童的圖形化編程系統，其包括：

1)圖形化編程的操作和顯示環境，包括若干區域，包括舞臺區(顯示場景的背景和其中的角色)，資源區(顯示背景和角色素材，提供繪圖和錄音功能)，編程對象區(顯示場景縮略圖列表和選中某個場景縮略圖時，其包含的所有角色的縮略圖列表)，編程區(顯示當前選中場景的背景帶有的腳本程序或場景中某角色所帶有的腳本程序；也是拖放編程塊進行編程的區域)和編程塊區(以標簽頁形式顯示每一類圖形化編程塊)；預置了背景、角色和音頻素材資源，存儲在系統資源庫中，用于布置場景及其角色。用戶使用筆(或鼠標)來拖放圖形化編程塊，對每個場景的背景和角色進行編程，控制場景轉換和角色動作等。圖形化的程序腳本通過系統內部的代碼解析模塊轉換成機器可執行的函數命令，并在程序運行時調用執行，系統實時更新顯示每次執行的結果，在舞臺中呈現連續的效果；