摘 要

随着数字化和智能化社会的发展，计算机教育也越来越受到重视，儿童编程教育和机器人教育逐渐成为教育领域的重要部分。然而编程教育与机器人教育的结合仍处在初步发展阶段，且在教育过程中存在儿童学习编程困难的问题，为了改进这一问题，本文基于Scratch开发了一个软硬件结合的机器人智能编程儿童教育系统应用。

论文主要研究了编程教育平台的软硬件结合和智能编程问题，包括了对系统的原理分析、软硬件的分析与设计、系统的实施和程序设计实例。本系统利用Scratch软件的可视化编程特点和Arduino硬件的拓展性，设计了儿童编程教育使用的机器人和配套的机器人编程操作软件。在此基础上，添加了智能编程模块，对机器人常用命令进行打包，并引入了智能识别等功能，以降低编程的复杂性同时增加功能的多样性。

最终实现的系统可以达到预期目的。系统可以使用类Scratch块对机器人进行编程，且智能模块的添加可以显著减少儿童编程的代码量和复杂度，为儿童编程学习提供了一个新的选择，对儿童编程教育和机器人教育的应用具有一定的参考价值。

关键词：Scratch；Arduino；编程教育；机器人教育；智能编程

Abstract

With the development of digital and intelligent Society, computer education has been paid more and more attention, and children's programming education and robot education have gradually become an important part of the field of education. However, the combination of programming education and robot education is still in the initial stage of development, and in the process of education there are difficulties in children's learning programming, in order to solve this problem, based on Scratch, this paper develops a software and hardware combination of robot intelligent programming Children's education system application.

This paper mainly studies the software and hardware combination and intelligent programming of programming education platform, including the principle analysis of the system, the analysis and design of software and hardware, the implementation of the system and the design example. Using the visual programming characteristics of Scratch software and the expansion of Arduino hardware, this system designs the robot used in children's programming education and the supporting robot programming operation software. On this basis, the Intelligent programming module is added, the common commands of the robot are packaged, and the functions of intelligent recognition are introduced to reduce the complexity of programming and increase the diversity of functions.

The final implementation of the system can achieve the desired purpose. The system can use Scratch-like block to program the robot, and the addition of intelligent module can significantly reduce the amount of code and complexity of children's programming, which provides a new choice for children's programming learning, and has certain reference value for the application of children's programming education and robot education.

Key Words：Scratch；Arduino；Programming Education；Robot Education； Intelligent Programming

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 目的及意义 1

1.2.1 目的 1

1.2.2 意义 2

1.3 Scratch与Arduino概述 3

1.3.1 Scratch概述 3

1.3.2 Arduino概述 3

1.4 国内外研究及现状综述 4

1.4.1 国外研究现状 4

1.4.2 国内研究现状 5

1.5 主要内容及技术路线 6

1.5.1 主要内容 6

1.5.2 技术路线 6

第2章 系统分析与设计 8

2.1 系统开发目标 8

2.2 系统结构分析 8

2.3 业务流程分析 9

2.4 软件分析与设计 9

2.4.1 软件界面 9

2.4.2 软硬件连接 10

2.4.3 智能模块拓展 10

2.5 硬件分析与设计 11

2.5.1 机器人功能分析与设计 11

2.5.2 机器人硬件设计 11

第3章 系统实施 13

3.1 系统环境配置 13

3.2 关键技术 13

3.2.1 创建程序入口 13

3.2.2 创建智能拓展模块 16

3.3 系统运行与测试 19

3.3.1 软硬件的连接 19

3.3.2 程序实例 20

第4章 总结展望 22

4.1 全文总结 22

4.2 研究展望 22

参考文献 24

致谢 25

第1章 绪论

1.1 研究背景

21世纪，数字化与信息化已经与生活息息相关，计算机行业人才是未来人才竞争的一个重要部分，面对着各行业对众多计算机人才的需求，一方面，不断发展的数字化生活也让人相信计算思维正在逐渐被认为是一项必要的基本素养；另一方面，在国际社会上普遍认为计算思维需要从小开始培养，积极创造计算方面人才。多个国家都在积极培养相关方面的人才，国内外已经有在基础教育课程中加入编程课程的尝试。随着信息技术和人工智能的发展，信息化教育也越来越受到重视，儿童编程教育作为信息化教育的重要部分也逐渐被人们接受。近年来创客文化的出现，期望通过创客教育进行对儿童信息技术能力和创新能力的培养，也大大推动了儿童编程教育的发展^[1]。

在近些年来，我国也对编程教育逐渐重视起来，政府出台了一系列政策支持，多个地区也积极进行响应。2017年9月，教育部印发《中小学综合实践活动课程指导纲要》，鼓励加入编程教育。2018年1月，教育部公布将编程加入高中新课标。2019年1月，教育部教育装备研究与发展中心在会议上指出，北京、广州、深圳、武汉、西安5个城市作为第一批试点落地城市，3-8年级的学生将全面试点学习人工智能与编程的课程。自2017年来，多省市将编程教育纳入学生课程，开展相关实践教育。