什么是樂高機(jī)器人最好的編程語言環(huán)境

1、什么是樂高機(jī)器人最好的編程語言環(huán)境？作者： admin - 發(fā)表日期: 2004-08-04 12:40:41本文為What is the Best Environment-Language for Teaching Robotics Using Lego MindStorms?（英文版pdf下載）的中文翻譯，由Hanker提供。除了介紹RCX相關(guān)的編程外，還提及了如何使用機(jī)器人進(jìn)行教育。什么是最好的編程語言環(huán)境？ 使用 LEGO Mindstorms 講授機(jī)器人技術(shù)摘要我們打算給出一個使用 “LEGO Mindstorms 機(jī)器人開發(fā)系統(tǒng)”針對不同的學(xué)習(xí)者講授機(jī)器人課的一些教育手段。我們簡要

2、的回顧了當(dāng)前可用的編程環(huán)境，并且評價了它們對我們所選擇的對象的適用性。易用和功能強(qiáng)大之間通常是互斥的，不可能提出一個單一的編程環(huán)境適合于所有的學(xué)習(xí)者，作為一種替代方案，一個從 Microworlds 開始、經(jīng)歷圖形化編程環(huán)境、直到文本語言的一個遞進(jìn)的環(huán)境似乎是我們開展這方面教育所能提供的最佳方法。在本文中，我們綜合了我們的想法并展示給大家，希望得到各機(jī)器人社團(tuán)的建設(shè)性的意見。1、 引言機(jī)器人技術(shù)在講授科學(xué)和技術(shù)方面是積極而有益的，這個觀點(diǎn)已被許多研究人員所證明（Beer 等人，1999）。我們確信：機(jī)器人是刺激學(xué)習(xí)的一種強(qiáng)有力的方法，機(jī)器人的構(gòu)建和編程要使用很廣泛的科學(xué)和工程原理，以及現(xiàn)代技術(shù)

3、經(jīng)濟(jì)中的關(guān)鍵技能（Wasserman, 2002），這些技能需要團(tuán)隊(duì)合作、周密的計(jì)劃以及完整的工作記錄。我們已經(jīng)講授有關(guān)機(jī)器人技術(shù)的課程很多年了，而且我們已經(jīng)開始規(guī)劃一門新的機(jī)器人課程：與國際 RoboFesta 和 RoboCup運(yùn)動合作，我們計(jì)劃一個在中小學(xué)和大學(xué)中開設(shè)機(jī)器人技術(shù)課的大方案，基于以往使用 Lego 教育器材的經(jīng)驗(yàn)，我們更傾向于選用 Lego Mindstorms機(jī)器人開發(fā)系統(tǒng)作為可能的硬件平臺，講授針對第一、第二、第三級的機(jī)器人技術(shù)課、工程課以及計(jì)算機(jī)課。不可避免的問題是：使用 Lego Mindstorms 教機(jī)器人技術(shù)課，是么是最好的編程環(huán)境和語言？假設(shè)我們想要用 Mi

4、ndstorms 所教的內(nèi)容的深度和廣度是：從簡單編程到工程原理和仿真，而且我們想要服務(wù)的對象范圍從小孩到成熟的大學(xué)生，語言既要復(fù)雜又要是有權(quán)威的。因?yàn)楦哔|(zhì)量教育器材的大規(guī)模產(chǎn)品是昂貴的，這中間既有經(jīng)濟(jì)上的原因，也有教育上的原因。在本文中，我們沒有刻意將編程環(huán)境和語言分開，而且我們給了術(shù)語 語言、編程環(huán)境一個寬松的解釋。例如，我們把用于創(chuàng)建代碼的“拖放”環(huán)境視為“語言”，同樣的情況，對于常見的文本語言只能視為編輯環(huán)境。這篇文章是我們迄今為止研究和分析的總結(jié)，我們不期望在這個時候給出這個問題的最終答案，我們希望讀者也提出自己的論點(diǎn)。2、 我們教什么？ 教誰？為什么目的？對于成人和孩子，不論男女，

5、機(jī)器人都普遍存在廣泛的吸引力，這在機(jī)器人主演的電視節(jié)目的成功上，不斷成長的機(jī)器人競賽中可以明顯的感受到。我們有強(qiáng)烈的教育愿望，并且希望抓住所有這些人的興趣和狂熱，使之服務(wù)于更廣泛的教育目的。編程環(huán)境語言的選擇必須適應(yīng)我們的教學(xué)對象。2.1 我們準(zhǔn)備教誰？ 小孩，小于10歲 學(xué)校的孩子，10 18 歲 大學(xué)生， 18 歲以上 成人 終生學(xué)習(xí) 教師，為了輔導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)如此寬泛的群體使得語言環(huán)境的選擇復(fù)雜化，盡管我們假設(shè)某些學(xué)生將作為機(jī)器人技術(shù)的初學(xué)者開始我們的課程，但是我們所作的假設(shè)中關(guān)于已有的技能、學(xué)習(xí)的速度以及基本概念的水平在不同的群體中仍會存在差異，才識字的孩子的需要與較高文化層次的大學(xué)生是不

6、同的，而大學(xué)生又不同于重新接受教育的成年學(xué)生的需要。這說明：不存在一個完美的編程環(huán)境，我們的目標(biāo)必須是現(xiàn)實(shí)的：使盡可能多的學(xué)生最好的使用我們提供的資源。2.2 我們要教什么？為什么教？我們的計(jì)劃分兩部分： 教機(jī)器人技術(shù)本身； 用機(jī)器人技術(shù)作為出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)習(xí)愿望。 機(jī)器人技術(shù)本身是多學(xué)科的，它包含：機(jī)械工程、電子、控制、通訊、視覺處理、實(shí)時并行計(jì)算以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)。所有這些在我們的教學(xué)中都要涉及到。機(jī)器人技術(shù)還是一種很好的載體，可用于培養(yǎng)關(guān)鍵技能（如：團(tuán)隊(duì)合作、批判性思維、計(jì)劃、科學(xué)觀察、完整的紀(jì)錄等），還可用于加強(qiáng)物理、數(shù)學(xué)、計(jì)算的基本能力，同時還可以引入仿真、人工智能、人工識別等現(xiàn)代概念

7、。此外，機(jī)器人引出了關(guān)于我們與現(xiàn)代技術(shù)及其潛能之間關(guān)系的深層問題，從而允許我們處理圍繞技術(shù)的使用帶來的倫理、社會問題。2.3 使用機(jī)器人在理論和實(shí)踐之間建立橋梁傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)教學(xué)方法往往是抽象的，學(xué)生們常常難于推導(dǎo)程序的運(yùn)行狀態(tài)并識別它們動作的相互關(guān)聯(lián)。問題是：因?yàn)樾枰峁┙o編程者足夠的功能，通用的語言是復(fù)雜的，而這對初學(xué)者而言是不幸的，通常意味著：你需要為做很少的事而知道很多。許多語言要求用戶鍵入大量的代碼去產(chǎn)生一些相對無價值的結(jié)果。任何學(xué)生在能寫程序之前必須學(xué)習(xí)語法（這使人有挫折感），或者必須輸入一些對他們毫無意義的代碼。一種替代的方法是使用圖形化的編程環(huán)境。使用合適的環(huán)境給機(jī)器人編程（這個

8、環(huán)境提供強(qiáng)大的可視化符號并且支持語法糾正）的優(yōu)點(diǎn)是：1. 形象化：學(xué)生所編程的內(nèi)容是他們能夠處理的，而且能夠以他們在現(xiàn)實(shí)世界中所觀察到的方式去運(yùn)行； 2. 循序漸進(jìn)； 3. 可以創(chuàng)新； 4. 可有多種解決方案； 5. 允許處理一些不太合乎邏輯的操作； 6. 提供直接的反饋； 7. 具有習(xí)性（因此鼓勵個性化）； 8. 使用多種技能； 9. 讓完全初學(xué)者能創(chuàng)造出一個有趣的成果；（例如：“去收集一個網(wǎng)球”一定比“打印 Hello,world”更有趣） 迄今為止，我們的經(jīng)驗(yàn)是給機(jī)器人編程可以幫助學(xué)習(xí)者建立理論與實(shí)踐之間的橋梁，從而使他們從自己的親身體驗(yàn)中得到原理。2.4 機(jī)器人是引人入勝的從以機(jī)器人為

9、主角的電視節(jié)目的成功上可以明顯看出機(jī)器人的吸引力，例如：英國的 RoboWar 和 TechnoGames，它們吸引了大量的幾乎所有年齡段的觀眾。機(jī)器人誕生75年來已經(jīng)成為大眾文化的主題之一，近期的電影（如斯皮爾伯格的 A.I.） 已經(jīng)激起了關(guān)于機(jī)器人潛能的廣泛討論，而 Sony 公司 AIBO 的登場也吸引了主要媒體的關(guān)注。機(jī)器人競賽受到參與者和觀眾同樣的歡迎。機(jī)器人對所有性別的成人和孩子都具有吸引力。2.5 學(xué)生將如何學(xué)習(xí)我們所教的內(nèi)容？ 遠(yuǎn)程輔導(dǎo)； 課堂教學(xué)； 互助組； 獨(dú)立探索。 多學(xué)科、多樣化的學(xué)習(xí)者、多重的學(xué)習(xí)方法 所有這些都意味著我們編程環(huán)境的選擇是相當(dāng)復(fù)雜的，而且不太可能存在一

10、個單一的解決方案。換個角度考慮，我們可以尋找：使用 Lego Mindstorms 教機(jī)器人課最好的遞進(jìn)語言編程環(huán)境是什么？3. 系統(tǒng)背景31 RCX 積木塊對 Mindstorms 處理器積木塊編程需要一臺計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)上組建、編輯、編譯代碼。編譯好的代碼被下載到積木塊中，在積木塊中有一個稱為積木塊固件的小型操作系統(tǒng)，由它支撐下載的程序運(yùn)行。（圖1）Mindstorms 搭載了三個集成軟件：1. 固件：能下載到在積木塊核心的微控制器中，固件實(shí)現(xiàn)了一個虛擬機(jī)，在這個虛擬機(jī)上運(yùn)行從主機(jī)上下載的字節(jié)碼(參考資料)。 2. ActiveX 控件（ the Spirit OCX）：能用作為插件在主機(jī)

11、上寫程序，程序可以下載到積木塊中運(yùn)行，還可以發(fā)送直接命令給一個已運(yùn)行了固件的積木塊。 3. 圖形化的編程語言環(huán)境（RCX碼）：用 Lego 塊圖標(biāo)構(gòu)建使用小型函數(shù)單元組成的程序。 為了教育市場，Lego 推出了一個更靈活的編程環(huán)境（RoboLab），在這個環(huán)境中，更廣泛的功能單元可以用線連在一起，而不是塞在一起。這個編程環(huán)境在用戶的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，允許用戶組建、編輯、編譯代碼，然后將代碼下載到積木塊中在固件上運(yùn)行。加載在積木塊上的固件對可執(zhí)行的命令和變量的數(shù)量有所限制，但是可以替換下載的固件以提供不同的功能。因此，選擇一個特殊的編程環(huán)境可能需要下載新固件。3.2 硬件和操作系統(tǒng)的選擇開放大學(xué)規(guī)定

12、學(xué)生使用被稱為 Wintel 的計(jì)算機(jī)，不論好壞，這個政策主要是基于這樣的事實(shí)：我們的學(xué)生中90%擁有這個硬件軟件平臺，而且用通用的桌面幫助服務(wù)于世界范圍內(nèi)成千上萬的學(xué)生，支持單一的平臺會更容易。假設(shè)這個硬件是默認(rèn)的，操作系統(tǒng)實(shí)際上已既成事實(shí)。顯而易見的競爭者是各種 Windows 和 Unix （Linux 或 Macintosh System X）。開放大學(xué)“盡可能的開放和包容”的承諾與單一平臺方式是矛盾的，因此，一種作為平臺的，或不限定操作系統(tǒng)的語言解決方案將會受到特別的考慮，例如 Java 語言。4選擇一個編程環(huán)境在選擇合適的編程環(huán)境/語言性能方面，我們教計(jì)算機(jī)課的經(jīng)驗(yàn)（Griffit

13、hs 等人， 1999，Woodman 等人，1998）以及軟件工程和人工智能方面的流行趨勢給了我們一些主要的指導(dǎo)，應(yīng)當(dāng)支持面向?qū)ο蟮姆椒?，并將它與現(xiàn)在已有的課程整合，現(xiàn)在它已在軟件工程基礎(chǔ)中得到重視。對于初學(xué)者而言，面向?qū)ο缶幊淌沟卯a(chǎn)生和描述一個復(fù)雜的行為更容易（Griffiths 等， 1999）。我們強(qiáng)調(diào)提供給初學(xué)者合適的軟件的重要性，任何對于初學(xué)者的編程環(huán)境必須是堅(jiān)固的 應(yīng)當(dāng)連續(xù)可靠的運(yùn)行，不能崩潰。錯誤（根本不該出現(xiàn)）必須是含義明確的。人機(jī)交互、最終用戶編程、可視化編程等技術(shù)給予我們一些在語言選擇概念上的提示，詳述如下。4.1 從本質(zhì)上將對象操作從編程中分離Microworlds 是

14、由麻省理工學(xué)院 Logo組開發(fā)的一個教育工具，它允許學(xué)生在一種約束的方式中探索和操縱一個領(lǐng)域（Pappert 1980）。使用者可以通過圖形用戶界面（如：按按鈕，輸入對話框）在 Microworlds 中操作數(shù)據(jù)或現(xiàn)象，觀察隨后在屏幕上反映的變化。實(shí)際上，使用者正在“編程”這個微世界 盡管只達(dá)到組合操作和處理程序參數(shù)的程度 但是在這個界面下已隱含了語言的語法和結(jié)構(gòu)。因此，執(zhí)行是隱藏的，使用者可以不去理會執(zhí)行語言而專注于領(lǐng)域的概念。而且，使用者能夠?qū)W到基本的編程概念，這種概念綜合了多種語言而不需要學(xué)習(xí)語法。（ 參考 Soloways (1986) 設(shè)計(jì)一個編程環(huán)境，允許高中生通過組合一些概念單元

15、或“圖”而不是編程語言來編程）能從這樣的環(huán)境中學(xué)到的概念包含：1. 解決問題的算法； 2. 將解決方案分解為相關(guān)聯(lián)的小元素； 3. 通過使用順序、重復(fù)、選擇能完成大多數(shù)任務(wù)； 4. 對象概念； Microworlds 已被用于開放大學(xué)的計(jì)算機(jī)入門課程：一種服務(wù)于后續(xù)的面向?qū)ο蠹夹g(shù)概念的面向?qū)ο蠓椒?。在一開始的例子中，學(xué)生們可以送一些信息給屏幕上的青蛙，告訴它向左、向右、向上、向下跳，設(shè)置它的顏色等等；隨后的課程中，學(xué)生們創(chuàng)造一些具有某些遺傳特征的青蛙子類，同時賦予這些子類特有的一些新特征。4.2 仿真：將控制邏輯從物理控制中分離在自治的移動機(jī)器人領(lǐng)域，脫離物理系統(tǒng)設(shè)計(jì)和測試控制策略，仿真是常用

16、的方法。圖3 理想化：同樣的程序可以驅(qū)動圖3 示意了這個概念，在此，同樣的程序既可驅(qū)動仿真器又可驅(qū)動機(jī)器人。盡管仿真通常與真實(shí)系統(tǒng)有差別，仿真器可以試驗(yàn)設(shè)想，而且，當(dāng)真實(shí)環(huán)境中的真實(shí)機(jī)器的異?，F(xiàn)象不出現(xiàn)時,仿真器十分適合于找出 Bug。這也與 Mindstorms 相關(guān)，在 Mindstorms 中，分立的傳感器和馬達(dá)的性能可能變化，但當(dāng)程序邏輯和程序執(zhí)行正確時，物理變化量的影響是能修正的。盡管有各種各樣的RCX仿真器可以使用，但我們覺得現(xiàn)在這些仿真器對學(xué)生使用來說還不夠穩(wěn)定。4.3 直接操縱微世界的一個重要特性是直接操縱屏幕對象，而不需要被迫接受語言或語法，Hutchins、Hollan 和

17、 Norman (1986) 提出，直接操縱可以使：初學(xué)者能快速學(xué)會基本功能，專家能極快地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的目的，使用者能直接看到他們的動作能否實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的目標(biāo)。因此，直接操縱看來是最想要的特性，它提供了這樣的特征：可以快速的、遞進(jìn)的、可逆的操作有趣的對象，并直接看到明顯的影響。（Shneiderman, 1982）4.4 分層次、遞進(jìn)的展開微世界方法的概念是“直接操縱編程環(huán)境”（如：另一個實(shí)用的軟件包：Smith, 1987 , LabView ），它既提供了操縱領(lǐng)域?qū)用嫔系谋憩F(xiàn)（如：一個微世界或一個控制面板），又提供了潛在的代碼含義。分層次方法的一個主要優(yōu)點(diǎn)是：使用者可以通過與微世界（即：一個可控

18、的環(huán)境）交互作用建立自己的概念模型，因此，直到建立好一個這個領(lǐng)域的完整模型，他們都不需要進(jìn)一步了解語法?！胺謱哟巍钡奶匦越铺峁┝酥鸩降毓δ苷归_，因此，使用者可以有一個直接面向需求的最簡單的環(huán)境，而不要知道更多的已存在的功能（Carroll 和 Carrithers, 1984; Carroll, 1987）。為了初學(xué)者和年輕的使用者，已經(jīng)有一些最有效的編程環(huán)境被組合在一起，如：Repenning 的 AgentSheets （ Repenning ,2000），一種允許使用者從簡單、易于理解的圖形環(huán)境開始，當(dāng)需求更復(fù)雜、更精確時，過渡到文本環(huán)境的系統(tǒng)。事實(shí)上，AgentSheets 曾用于建

19、立一個基于編程環(huán)境 LEGOsheets 的規(guī)則，作為用于 Lego RCX （麻省理工的可編程積木塊）的先驅(qū)者，就作者所知，LEGOsheets 的一個版本也沒蟹跡?Grindling 等，1995）。通過 RCX SDK2 的有限擴(kuò)展支持分層法，SDK2 引入了 Mindscript 語言。根據(jù) SDK2 的版本注釋，在這個語言背后的意圖是：允許使用者看到使用圖形化 RCX 語言編寫的程序的 Script 語言形式。使用我們“青蛙世界”的學(xué)生們在完全探索這個微世界后，僅僅引入了執(zhí)行語言（這種情況下的 Smalltalk），到那時，他們應(yīng)當(dāng)具有堅(jiān)實(shí)的概念基礎(chǔ)，而且能看到在更傳統(tǒng)的編程界面上他

20、們是如何應(yīng)用這些概念的。4.5 閱讀者角度圖形化環(huán)境看上去易于理解和有趣，并且，直接操縱不知不覺地減少了文本產(chǎn)生的需求，而文本可能是才識字孩子的障礙。但是，圖形化環(huán)境已經(jīng)有了一些與閱讀相關(guān)的問題，如： 在一屏上顯示的元素?cái)?shù)量限制； 圖形元素的描述限制 培養(yǎng)有效的閱讀和檢查策略的需要 難于檢索到代碼，難于搜索和標(biāo)識想要的圖形單元； 可量測性； 有效的圖形編輯器的重要性； 5. 選擇的標(biāo)準(zhǔn)我們得出了一個語言選擇標(biāo)準(zhǔn)的列表，我們最初關(guān)注的是大學(xué)入門級課程，可是，我們也希望能利用這些資源服務(wù)于中學(xué)和輔導(dǎo)參加諸如 RoboFesta 和RoboCup 競賽的學(xué)生。因此，細(xì)節(jié)的選擇是根據(jù)大學(xué)的，但更高級的

21、選擇（如：面向?qū)ο?、分層次，多模式環(huán)境）打算歸納各種學(xué)習(xí)對象的需求。選擇語言的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)包括： 易于理解和使用（而且適合于初學(xué)者） 快速開發(fā)； 可量測性（從簡單程序到復(fù)雜系統(tǒng)）； 通用編程； 便于對物理設(shè)備的控制； 堅(jiān)固性； 維護(hù)支持； 價格； 與現(xiàn)在的課程及課程目標(biāo)的相容性； 易于升級而且費(fèi)用不高； 壽命長； 5.1 RCX 編程環(huán)境的比較從一面世開始，Lego Mindstorms 就證明十分受技術(shù)改進(jìn)發(fā)燒友團(tuán)體的歡迎。面對標(biāo)準(zhǔn) RCX編程環(huán)境（見表1）的有限功能，一些人創(chuàng)建了他們自己的編程環(huán)境。許多是由 Active X 控件和 Lego 提供的固件組成，但有些方法引入了以軟件庫形式創(chuàng)建的新的固件，這些軟件庫可以鏈接到“傳統(tǒng)的”編程語言中。表1 匯總了最流行的社團(tuán)提供的編程環(huán)境，表2 給出了他們的網(wǎng)址。6. 結(jié)論我們相信：機(jī)器人是教授各種學(xué)生的合適載體，不管他們的年齡和背景如何。Lego Mindstorms 套件是一個合適的低成本解決方案，即使我們所做的“比較用于Min