基于NAO機(jī)器人的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗》教學(xué)輔助系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

華中師范大學(xué)計算機(jī)學(xué)院　莊章璐　彭　熙　黃世亮　許思慧　艾　晶

1　引言

NAO機(jī)器人是一款由軟銀（Softbank）公司研發(fā)并生產(chǎn)的雙足類人機(jī)器人。它擁有25個自由度，以及包括超聲波、慣性、壓力等多種傳感器，同時也有著討人喜歡的外觀。該機(jī)器人可在Windows、Mac、Linux操作系統(tǒng)下運行，可用C++、Python、MATLAB等語言進(jìn)行編程與操作[1]。在世界范圍內(nèi)，已有50多個國家的550多所高校和實驗室購買此款機(jī)器人作為研究工具[2]。NAO機(jī)器人是在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域運用最廣泛的類人機(jī)器人之一。近年來，很多高校在機(jī)器人教學(xué)改革中取得了一些成果[3]，利用NAO機(jī)器人進(jìn)行教學(xué)是一個很好的選擇[8]。使用NAO機(jī)器人教學(xué)可以使教學(xué)過程更加生動有趣，更能激發(fā)學(xué)生的想象力、培養(yǎng)學(xué)生的動手能力[7]。本文以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗為課堂案例進(jìn)行教學(xué)實踐，將傳統(tǒng)與創(chuàng)新相結(jié)合，實踐教學(xué)設(shè)計貫徹趣味性、實用性、系統(tǒng)性的原則[4]。

2　系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1　編程語言的選擇

本系統(tǒng)綜合利用C++與C#的交互實現(xiàn)軟件的各個功能。本校數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)采用的是C語言，NAO機(jī)器人官方提供的SDK為C++語言，C++語言兼容C語言，故本系統(tǒng)采用C++語言作為主要編程語言。此外，系統(tǒng)使用Microsoft Visual Studio中的C#語言進(jìn)行軟件界面的設(shè)計，C#是由C和C++衍生出來的面向?qū)ο蟮木幊陶Z言[5]，在繼承C和C++強(qiáng)大功能的同時去掉了它們的一些復(fù)雜特性[9]。

2.2　系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)可供學(xué)生學(xué)習(xí)《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗》以及教師了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)包括四個模塊：（1）登錄模塊，賬號分為學(xué)生、教師兩個身份；（2）信息查詢模塊，教師登錄后可查詢學(xué)生信息以及學(xué)生的學(xué)習(xí)情況；（3）學(xué)習(xí)功能模塊，包括體驗學(xué)習(xí)、基礎(chǔ)測試和進(jìn)階測試三個功能；（4）機(jī)器人交互模塊，在相應(yīng)界面輸入IP地址可連接機(jī)器人，學(xué)生學(xué)習(xí)時輸入不同的數(shù)據(jù)，機(jī)器人做出相應(yīng)的反應(yīng)。該系統(tǒng)可用于課堂上的編程教學(xué)，使用機(jī)器人來講解程序；老師可以使用該系統(tǒng)查看學(xué)生的學(xué)習(xí)情況；學(xué)生也可以通過該系統(tǒng)與機(jī)器人進(jìn)行代碼上的交流。

圖1　系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

2.2.1登錄模塊設(shè)計

在初次進(jìn)入軟件登錄界面時，用戶點擊“注冊”按鈕填寫相關(guān)信息進(jìn)行注冊，用戶身份分為學(xué)生和教師兩種，這兩種身份賬號登錄后進(jìn)入的界面以及實現(xiàn)的功能不同。例如，學(xué)生用戶登錄后可進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，教師用戶登錄后可查詢學(xué)生信息及學(xué)習(xí)情況。注冊后，每次登錄時通過將相應(yīng)用戶名、密碼與數(shù)據(jù)庫中信息相匹配，匹配成功則進(jìn)入系統(tǒng)。

圖2　學(xué)生體驗主界面

2.2.2信息查詢模塊設(shè)計

教師登錄系統(tǒng)后，通過輸入學(xué)生的姓名或?qū)I(yè)名稱，進(jìn)而查看學(xué)生們近期的學(xué)習(xí)情況及相應(yīng)學(xué)生的詳細(xì)信息；同樣，教師也可以通過為教師界面預(yù)留的接口進(jìn)入學(xué)生界面進(jìn)一步體驗。學(xué)生體驗主界面如圖2所示。

2.2.3學(xué)習(xí)功能模塊設(shè)計

學(xué)習(xí)模式分為體驗學(xué)習(xí)、基礎(chǔ)測試、進(jìn)階測試三個模塊，在每一個模塊下又有一些相應(yīng)的具體實例。學(xué)習(xí)模式框架如圖3所示。

圖3　學(xué)習(xí)模式框架

體驗學(xué)習(xí)的主要功能是讓學(xué)生體驗相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法，深入理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)內(nèi)容。它以體驗為目的，讓學(xué)生自行輸入數(shù)據(jù)，機(jī)器人進(jìn)行播報結(jié)果并進(jìn)行相應(yīng)講解。基礎(chǔ)測試是通過給定的算法代碼描述和輸入的數(shù)據(jù)，學(xué)生填寫輸出結(jié)果，機(jī)器人對學(xué)生輸入的答案進(jìn)行判斷，并給出肯定或否定的結(jié)論。進(jìn)階測試是給定輸入、輸出及部分代碼，學(xué)生對空缺的關(guān)鍵代碼進(jìn)行填空，NAO機(jī)器人同樣會對學(xué)生填入的信息進(jìn)行判斷并在肢體上或語言上做出相應(yīng)的反應(yīng)。

2.2.4機(jī)器人交互模塊設(shè)計

學(xué)生登錄后，即可通過局域網(wǎng)連接機(jī)器人并進(jìn)行相應(yīng)的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗》學(xué)習(xí)。機(jī)器人連接成功后，用戶可以調(diào)節(jié)機(jī)器人說話的音量大小，實現(xiàn)在學(xué)習(xí)過程中與機(jī)器人進(jìn)行交互。

圖4　機(jī)器人交互過程流程圖

機(jī)器人交互過程流程如圖4所示。機(jī)器人交互控制主要基于NAO機(jī)器人自身的NAOqi操作系統(tǒng)所提供的C++ SDK進(jìn)行二次開發(fā)。因為NAOqi系統(tǒng)涉及多語言開發(fā)，所以在二次開發(fā)的過程中需要使用qibuild、cmake等工具進(jìn)行交叉編譯。PC端發(fā)送的代碼在NAOqi系統(tǒng)中交叉編譯成功后，即可調(diào)用C++ SDK API接口中的相應(yīng)方法控制機(jī)器人的對應(yīng)模塊。

在使用系統(tǒng)的主要學(xué)習(xí)功能時，學(xué)生登錄后，輸入實驗數(shù)據(jù)，C#調(diào)用C++程序編譯后的動態(tài)鏈接庫中相應(yīng)的dll文件[12]，運行代碼得到結(jié)果，再將結(jié)果發(fā)送給機(jī)器人[10]。NAO機(jī)器人經(jīng)過交叉編譯調(diào)用相關(guān)方法后，語音播報結(jié)果，完成實驗。除此之外，系統(tǒng)利用MySQL數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，C#代碼實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的基本功能，從而實現(xiàn)軟件中登錄、注冊、查詢等操作。系統(tǒng)所涉及的主要數(shù)據(jù)流如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)數(shù)據(jù)流動圖

系統(tǒng)利用NAOqi操作系統(tǒng)中的C++ SDK提供的API接口進(jìn)行機(jī)器人控制。以控制機(jī)器人說話為例，采取調(diào)用NAOqi_C++_SDK中ALAnimatedSpeechProxy類中say方法來實現(xiàn)。關(guān)鍵代碼如下：

因為此函數(shù)只是作為外部函數(shù)使用[13]，所以以extern進(jìn)行修飾并將其編譯為dll動態(tài)鏈接，然后在主程序中添加生成的dll位置進(jìn)行使用[11]。調(diào)用時的關(guān)鍵代碼如下：

3　實驗教學(xué)實例

系統(tǒng)設(shè)計完成后，在實驗教學(xué)中進(jìn)行了測試。將NAO機(jī)器人應(yīng)用于《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗》課堂，這是一個全新的嘗試。以“冒泡排序”為例，體驗學(xué)習(xí)為新課學(xué)習(xí)階段，學(xué)生輸入任意常規(guī)數(shù)據(jù)，機(jī)器人報出結(jié)果，點擊“講解”，機(jī)器人會講解代碼實現(xiàn)過程。基礎(chǔ)測試為復(fù)習(xí)鞏固階段，對應(yīng)題型“程序分析題”，根據(jù)代碼和輸入填寫結(jié)果，檢測學(xué)生是否讀懂代碼。進(jìn)階測試為提高學(xué)習(xí)階段，對應(yīng)題型“程序填空題”，將已有代碼補(bǔ)寫完整實現(xiàn)其功能，培養(yǎng)學(xué)生編程能力。

以“體驗學(xué)習(xí)”功能為例，實驗過程如圖6所示。學(xué)生輸入用戶名及密碼登錄系統(tǒng)即進(jìn)入主界面，點擊“連接”圖標(biāo)，輸入IP地址連接機(jī)器人。連接機(jī)器人成功后，點擊“模式”圖標(biāo)，選擇“體驗學(xué)習(xí)”功能，再選中“冒泡排序”實例，進(jìn)入功能子界面。在指定位置輸入數(shù)據(jù)，如圖7所示。點擊“確定”后，系統(tǒng)運行代碼，將結(jié)果傳輸給機(jī)器人，機(jī)器人播報結(jié)果。如圖8所示，系統(tǒng)界面上也相應(yīng)地顯示實驗結(jié)果。

圖6　實驗過程流程圖

圖7　學(xué)生輸入數(shù)據(jù)

圖8　代碼運行后結(jié)果

4　結(jié)束語

NAO機(jī)器人是一款人形智能機(jī)器人，有著討人喜歡的外形，具備有一定水平的人工智能，能夠與人親切互動。本文綜合利用C++與C#語言，設(shè)計并實現(xiàn)了《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗》教學(xué)輔助系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分發(fā)揮NAO機(jī)器人的特點，讓學(xué)生利用已學(xué)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識控制機(jī)器人的模塊，將學(xué)生感到比較枯燥的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗變得有趣起來，提高了學(xué)生對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗的感性認(rèn)識，加深其對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識的理解，增強(qiáng)了編程實驗對學(xué)生的吸引力[6]。使用本系統(tǒng)，不僅學(xué)生能享受更加豐富有趣的課堂教學(xué)，教師也能利用NAO機(jī)器人作為教學(xué)工具。該系統(tǒng)在實際教學(xué)中已投入應(yīng)用，取得了較好的教學(xué)效果。

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