一种STEAM少儿编程系统的制作方法

本发明涉及编程学习系统技术领域，具体涉及一种steam少儿编程系统。

背景技术：

steam代表科学(science)，技术(technology)，工程(engineering)，艺术(arts)，数学(mathematics)。steam教育就是集科学，技术，工程，艺术，数学等多学科融合的综合教育。steam是一种教育理念，有别于传统的单学科、重书本知识的教育方式。steam是一种重实践的超学科教育概念。未来，我们需要的是多方面的综合型人才，从而探索出steam教育理念。

现有的少儿编程教学，大部分基于美国麻省理工学院的scratch软件进行教学，国内无知识产权，无法进行定制化教学，没有针对国内教育环境的定制化教程，各方面限制较大。

还有一部分少儿编程教学，使用专业语言教学，难度太大，小朋友学习曲线太陡，很难激起小朋友的学习兴趣。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种steam少儿编程系统，以解决现有技术中少儿编程学习软件无法进行定制化教学的问题。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种steam少儿编程系统，包括：

数字化教案编写系统，用于制定steam编程教学大纲及课程内容，并将所述课程内容转换成通用的可视化教案；

数字化课程教案系统，用于对所述可视化教案进行整理和筛选，形成多套针对不同学生群体的基础教案；

可视化编程系统，用于展示所述基础教案，并提供编程互动接口，以供学生与系统进行编程学习互动；

评价分析系统，用于采集学生的学习信息，并对所述学习信息进行分析，以生成分析报告，并将所述分析报告发送给所述数字化课程教案系统进行教案内容的调整。

优选地，所述系统，还包括：

后台大数据中心，与所述评价分析系统相连，用于存储所述评价分析系统采集的学生的学习信息；

所述评价分析系统，采集学生的学习信息，包括：

接收所述可视化编程系统反馈的学生的学习信息；和/或，

接收所述数字化课程教案系统反馈的学生的学习信息。

优选地，所述系统，还包括：

跨平台系统，用于适配不同的用户终端设备，以使不同的用户终端设备按统一格式规范显示所述基础教案的内容。

优选地，所述数字化教案编写系统，具体用于：

根据预设国际教学标准，并结合国内学科教学大纲，将多个学科知识与计算机科学知识融合，制定出steam编程教学大纲及课程内容；

编码可视化教案编写工具；

通过所述可视化教案编写工具，将所述课程内容转换成通用的可视化教案。

优选地，所述数字化课程教案系统，具体用于：

根据不同学生的学习信息，对所述可视化教案进行整理和筛选，形成多套针对不同学生群体的基础教案，每套基础教案中包含的知识点不同。

优选地，所述可视化编程系统，包括：

数据管理模块，用于根据基础教案的内容，从所述后台大数据中心获取渲染数据，并采集所述可视化编程系统中生成的不同学生的学习信息，并发送给所述后台大数据中心；

网络模块，用于所述数据管理模块与所述后台大数据中心之间的数据交互；

渲染模块，用于从所述数据管理模块中采集需要的渲染数据，并将所述渲染数据转换成图片数据，以将所述基础教案的内容可视化；

输入输出模块，用于通过所述跨平台系统访问用户终端设备的底层硬件接口，读取不同硬件接口的设备输入信息，并将所述设备输入信息转换为数字信息，并通过上层逻辑将所述设备输入信息以多媒体形式输出反馈给用户；

声音模块，用于将网络下载的音频数据转化成语音数字信号，并通过所述跨平台系统，将所述语音数字信号传递给用户终端设备的底层硬件接口，并通过用户终端设备的音频播放设备进行播放；

逻辑转换模块，用于将所述数据管理模块、网络模块、渲染模块、输入输出模块、声音模块产生的数字信息，通过逻辑算法进行转换，生成不同的逻辑，从而控制可视化数字信息产生不同的反馈。

优选地，所述渲染模块，具体用于：

从所述数据管理模块中采集需要的渲染数据，并将所述渲染数据转换成图片数据，发送给用户终端设备的底层渲染引擎，以使所述底层渲染引擎通过所述跨平台系统，调用不同用户终端设备的显示接口，将所述图片数据显示出来，从而完成渲染数据到图片数据的转换，实现数字信息可视化。

优选地，所述跨平台系统，包括：

应用层，机器码解释层，硬件接口层，其中，

所述应用层，用于负责上层逻辑，包括：数据管理、网络消息传递、输入反馈、图像解码、音频解码；

所述机器码解释层，用于负责将上层的逻辑脚本转换为机器语言，传递给脚本解释器，生成机器可以识别的语言，最后通过调用所述硬件接口层的底层硬件接口，调用用户终端设备的硬件接口，将数字信息转换成适配当前用户终端设备的多媒体信息。

优选地，所述可视化编程系统，具体用于：

读取所述基础教案的内容信息；

根据所述内容信息，从后台大数据中心中下载课程所需的多媒体资源，并通过所述多媒体资源初始化当前学生编程所需要用到的代码模块；

每接收到一帧更新数据，更新整个代码模块的逻辑；

对于所有的代码模块，编写一个总的模块管理器m，在m的每一帧更新数据中更新所有代码模块的状态；

监听用户输入input，所述用户输入input包括：改变代码模块的链接方式、代码的参数；

将input实时传输到后台大数据中心，并接受后台大数据中心回复result；

将所述result更新在每一帧更新数据中；

判断当前代码模块的运行结果success；

如果success＝true，则可以判断当前的代码模块能正确解决课程内容所设计的题目；

将正确的代码模块组合传输到后台大数据中心，进行数据分析，得到本节课学生的综合表现数据，并且将数据以曲线图和雷达图的形式展现出来。

优选地，所述学习信息，至少包括以下项中的至少一项：

年龄段、学习基础、所选学科、所选班型、当前学习进度、操作过程中的使用时长、代码模块的使用量、分析报告得分。

本发明采用以上技术方案，至少具备以下有益效果：

由于数字化教案编写系统能够制定steam编程教学大纲及课程内容，并将所述课程内容转换成通用的可视化教案，数字化课程教案系统能够对所述可视化教案进行整理和筛选，形成多套针对不同学生群体的基础教案，可视化编程系统能够展示所述基础教案，并提供编程互动接口，以供学生与系统进行编程学习互动，评价分析系统能够采集学生的学习信息，并对所述学习信息进行分析，以生成分析报告，并将所述分析报告发送给所述数字化课程教案系统进行教案内容的调整，因此，本发明提供的技术方案，不仅可以针对不同学生群体定制不同的基础教案，还可以根据学生的学习情况及时对教案内容进行调整，使得教学内容与学生的实际学习情况紧密贴合，能够满足不同学生的个性化学习需求，提供了从通用教案编写、个性化教案定制到学生编程互动学习的一整套符合学生实际学习情况的编程教学解决方案，用户体验度好、满意度高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的一种steam少儿编程系统的示意框图；

图2为本发明一实施例提供的一种steam少儿编程系统的示意框图；

图3为本发明另一实施例提供的一种steam少儿编程系统的数据流向图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

参见图1，本发明一实施例提供的一种steam少儿编程系统100，包括：

数字化教案编写系统101，用于制定steam编程教学大纲及课程内容，并将所述课程内容转换成通用的可视化教案；

数字化课程教案系统102，用于对所述可视化教案进行整理和筛选，形成多套针对不同学生群体的基础教案；

可视化编程系统103，用于展示所述基础教案，并提供编程互动接口，以供学生与系统进行编程学习互动；

评价分析系统104，用于采集学生的学习信息，并对所述学习信息进行分析，以生成分析报告，并将所述分析报告发送给所述数字化课程教案系统进行教案内容的调整。

可以理解的是，本发明提供的技术方案，由于数字化教案编写系统能够制定steam编程教学大纲及课程内容，并将所述课程内容转换成通用的可视化教案，数字化课程教案系统能够对所述可视化教案进行整理和筛选，形成多套针对不同学生群体的基础教案，可视化编程系统能够展示所述基础教案，并提供编程互动接口，以供学生与系统进行编程学习互动，评价分析系统能够采集学生的学习信息，并对所述学习信息进行分析，以生成分析报告，并将所述分析报告发送给所述数字化课程教案系统进行教案内容的调整，因此，本发明提供的技术方案，不仅可以针对不同学生群体定制不同的基础教案，还可以根据学生的学习情况及时对教案内容进行调整，使得教学内容与学生的实际学习情况紧密贴合，能够满足不同学生的个性化学习需求，提供了从通用教案编写、个性化教案定制到学生编程互动学习的一整套符合学生实际学习情况的编程教学解决方案，用户体验度好、满意度高。

参见图2和图3，优选地，所述系统100，还包括：

后台大数据中心105，与所述评价分析系统相连，用于存储所述评价分析系统采集的学生的学习信息；

所述评价分析系统104，采集学生的学习信息，包括：

接收所述可视化编程系统反馈的学生的学习信息；和/或，

接收所述数字化课程教案系统反馈的学生的学习信息。

优选地，所述学习信息，至少包括以下项中的至少一项：

年龄段、学习基础、所选学科、所选班型、当前学习进度、操作过程中的使用时长、代码模块的使用量、分析报告得分。

可以理解的是，教育评价分析系统会将学生操作过程中所用的时间、代码模块的使用量、学习完成进度、得分等数据进行采集，通过网络传输到后台大数据中心，然后采用描述型分析和预测型分析对这些数据加以分析和整理，以k12教育评级和staem教育系统作为理论支撑，为每个学生生成一套完整的能力分析报告，分析出每个学生的学习情况、学习习惯、思维习惯等。教育工作者通过分析报告，了解到不同学生对于各个学科知识的掌握情况，然后因人而异的定制数字化教案和调整教学重点和教学方法。其次，家长能通过分析报告了解到孩子的学习情况和学习进度，陪伴孩子学习成长，最后，让孩子看到自己的进步和不足，激励自己不断的提升。

优选地，所述系统100，还包括：

跨平台系统106，用于适配不同的用户终端设备，以使不同的用户终端设备按统一格式规范显示所述基础教案的内容。

优选地，所述数字化教案编写系统，具体用于：

根据预设国际教学标准，并结合国内学科教学大纲，将多个学科知识与计算机科学知识融合，制定出steam编程教学大纲及课程内容；

编码可视化教案编写工具；

通过所述可视化教案编写工具，将所述课程内容转换成通用的可视化教案。

需要说明的是，所述预设国际教学标准包括但不限于：computerscienceteachersassociation(csta)的k-12computersciencestandards以及internationalsocietyfortechnologyineducation(iste)。

所述多个学科知识包括但不限于：数学、语文、科学、艺术等学科知识。

可以理解的是，本发明提供的这种steam少儿编程系统，参照国际标准，基于国内教育情况，与教学大纲相结合，通过寓教于乐的形式，打造符合中国少儿学情的定制化的整套编程教育解决方案，为国内少儿编程教育提供优质服务。

优选地，所述数字化课程教案系统，具体用于：

根据不同学生的学习信息，对所述可视化教案进行整理和筛选，形成多套针对不同学生群体的基础教案，每套基础教案中包含的知识点不同。

可以理解的是，数字化课程教案系统，将已经编写好的教案由教育者整理筛选，根据不同学科、不同年龄段和不同基础的学生，形成多套不同的基础教案，每套基础教案涉及的知识点不完全相同。在形成每套基础教案后，还会实时地根据后台大数据中心的分析报告，同时结合学校的教育大纲和教育体系和学生的兴趣爱好，调整基础教案，使得教学内容与学生的实际学习情况紧密贴合，能够满足不同学生的个性化学习需求，用户体验度好、满意度高。

优选地，所述可视化编程系统，包括：

数据管理模块，用于根据基础教案的内容，从所述后台大数据中心获取渲染数据，并采集所述可视化编程系统中生成的不同学生的学习信息，并发送给所述后台大数据中心；

网络模块，用于所述数据管理模块与所述后台大数据中心之间的数据交互；

渲染模块，用于从所述数据管理模块中采集需要的渲染数据，并将所述渲染数据转换成图片数据，以将所述基础教案的内容可视化；

输入输出模块，用于通过所述跨平台系统访问用户终端设备的底层硬件接口，读取不同硬件接口的设备输入信息，并将所述设备输入信息转换为数字信息，并通过上层逻辑将所述设备输入信息以多媒体形式输出反馈给用户；

声音模块，用于将网络下载的音频数据转化成语音数字信号，并通过所述跨平台系统，将所述语音数字信号传递给用户终端设备的底层硬件接口，并通过用户终端设备的音频播放设备进行播放；

逻辑转换模块，用于将所述数据管理模块、网络模块、渲染模块、输入输出模块、声音模块产生的数字信息，通过逻辑算法进行转换，生成不同的逻辑，从而控制可视化数字信息产生不同的反馈。

可以理解的是，所述数据管理模块采集的学习信息，包括但不限于：学生的编号、姓名以及学生学习过程中所用到的模块类型、模块数量、通过每一个关卡的时间、总的学习时长、正确率等学习数据，作用提供给后台分析系统，用于生成学生的学习报告、学习曲线等可视化的分析报告。

优选地，所述渲染模块，具体用于：

从所述数据管理模块中采集需要的渲染数据，并将所述渲染数据转换成图片数据，发送给用户终端设备的底层渲染引擎，以使所述底层渲染引擎通过所述跨平台系统，调用不同用户终端设备的显示接口，将所述图片数据显示出来，从而完成渲染数据到图片数据的转换，实现数字信息可视化。

可以理解的是，可视化编程系统在数字化课程教案系统和数字化教案编写系统的支持下，将教案编写系统转换出来的数字化课程教案读取出来，形成可视化编程可以识别的数字内容，然后将这些数字内容公告可视化编程系统展现到不同的用户终端设备上面。

可视化编程系统总共有数据管理模块、网络模块、渲染模块、逻辑转换模块、输入输出模块、声音模块等六大模块。其中，

数据管理模块主要负责根据不同的基础教案从数据库中获取不同的数据信息，以及用于系统运行时的各种动态数据的管理和分发，网络模块负责后台大数据中心与客户端的数据交互，将后台大数据中心和客户端之间的交互数据通过http的方式进行传递。渲染模块负责整个系统的数据可视化，渲染模块首先从数据管理模块中取到需要的渲染数据，通过图片解码，将数据转换成图片，然后调用webgl或者canvas的api将解码好的图像数据传递给传递给底层渲染引擎，渲染引擎通过跨平台系统，调用不同终端的显示硬件接口，将图片、文字等显示出来，从而完成了数信息到图片信息的转换，实现了数字信息可视化。输入输出模块通过跨平台系统访问到底层的硬件接口，读取不同设备的输入信息，例如电脑的鼠标键盘输入，手机或者其他智能终端的按键触摸等信息，接下来将这些信息转换成数字信息，最终经过上层逻辑，将这些信息以图片、文字，或者音频等形式反馈给用户。声音模块将网络下载的音频数据转化成数字信号，通过跨平台系统，传递给底层硬件，将声音输出到不同硬件终端的音频播放设备中。逻辑转换模块将其他模块产生的数字信息，通过逻辑算法，将这些信息转换，产生不同的逻辑，从而控制可视化的数字信息产生不同的反馈，例如文字改变、动画的运动、声音的播放、键盘按键事件处理、触摸屏事件处理等等。通过这六大模块的合作，形成了一套完整的可视化编程系统，将基础教案中所有的知识点，转换成声音、图像、文字等可视化内容，呈现到设备的显示模块和声音模块中，同时通过调用设备的输入模块，让学生通过硬件和系统互动，轻松地学习知识，并且能够很容易的举一反三、发散思维。

优选地，所述跨平台系统，包括：

应用层，机器码解释层，硬件接口层，其中，

所述应用层，用于负责上层逻辑，包括：数据管理、网络消息传递、输入反馈、图像解码、音频解码；

所述机器码解释层，用于负责将上层的逻辑脚本转换为机器语言，传递给脚本解释器，生成机器可以识别的语言，最后通过调用所述硬件接口层的底层硬件接口，调用用户终端设备的硬件接口，将数字信息转换成适配当前用户终端设备的多媒体信息。

可以理解的是，为了解决在不同硬件终端下的使用和数据统一的问题，本发明还通过了一整套的跨平台解决方案，针对不同的硬件做了不同适配以及使用优化等一些列措施。首先，针对所有的终端平台，后台大数据中心端都提供一相同格式的数据，保证了各个平台下的数据格式统一，然后针对不同的用户终端，所述跨平台系统采用了应用层、机器码解释层、硬件接口层三层架构。其中，应用层负责上层逻辑，包括数据管理、网络消息传递、输入反馈、图像解码、音频解码等工作。中间层负责将上层的逻辑脚本转换为机器语言，传递给脚本解释器，生成机器可以识别的语言，最后通过调用底层硬件接口，调用不同设备的终端的硬件接口，将数字信息转换成不同平台下的图像、文字、音频等多媒体信息，让用户能在不同的硬件终端下，有良好的体验。

优选地，所述可视化编程系统，具体用于：

读取所述基础教案的内容信息；

根据所述内容信息，从后台大数据中心中下载课程所需的多媒体资源，并通过所述多媒体资源初始化当前学生编程所需要用到的代码模块；

每接收到一帧更新数据，更新整个代码模块的逻辑；

对于所有的代码模块，编写一个总的模块管理器m，在m的每一帧更新数据中更新所有代码模块的状态；

监听用户输入input，所述用户输入input包括：改变代码模块的链接方式、代码的参数；

将input实时传输到后台大数据中心，并接受后台大数据中心回复result；

将所述result更新在每一帧更新数据中；

判断当前代码模块的运行结果success；

如果success＝true，则可以判断当前的代码模块能正确解决课程内容所设计的题目；

将正确的代码模块组合传输到后台大数据中心，进行数据分析，得到本节课学生的综合表现数据，并且将数据以曲线图和雷达图的形式展现出来。

需要说明的是，代码模块不需要从后台大数据中心下载。代码模块分为逻辑和可视化两个部分，针对于可视化部分，必须要依赖图片资源，所以需要在多媒体(图片)资源下载以后，再进行初始化。

综上所述，本发明提供的可定制少儿编程系统包括：数字化课程教案系统、可视化编程系统、数字化教案编写系统、后台大数据中心、评价分析系统、结合不同硬件终端的跨平台系统等六大等模块。教育工作者数字化教案编写系统产生出数字化课程教案，然后利用这些教案通过数字化课程教案系统制作相应的数字化化课程教案，接下来将数字化教案的知识点通过让可视化编程系统教授给学生，在学生使用可视化编程系统的同时，会将学生的学习进度、模块使用量、用时、得分等等转换成数字信息传输到后台大数据系统中，最后评价分析系统会将收集到的大数据分析出一份完整的评价报告，了解学生对知识点的掌握情况、学习习惯、思维习惯等信息。

本发明通过最新的webgl结合html5以及javascript技术，配合后台java大数据系统，并且结合现有的国内小学教育知识大纲体系，将各个学科的知识综合整理结合美国steam教育理念，实现了一套完整的k12教育的系统。该系统将以往的无形的学科概念，知识点等转化为图形、声音等有形的数字多媒体形式，提高学生的学习主动性和学习效率，并且在学习的过程中，了解到计算机的工作原理，发散思维，为未来进入人工智能时代打下良好的基础，更好的适应下一代新型的智能型科技社会。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。