「2024 DigiKey 创意大赛 」4、儿童互动数学学习设计

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前言

幼小衔接阶段的数学计算通常包括基础的数数、认识数字、简单的加减法等。这个阶段的目标是让孩子对数学有一个初步的认识和兴趣，为小学阶段的学习打下基础。

例如：识别1到20的简单数字，能区分数字大小，例如4和7谁大。以及一些简单的加减法。

 

产品设计背景

在幼儿教育中，数学启蒙是关键一环，但传统教学方法往往难以激发孩子的兴趣。为了解决这一问题，开发一个专为幼小衔接儿童打造的互动式数学学习应用。该应用通过图形化界面和触摸屏操作，让孩子们在玩乐中学习加减法，提高他们的计算能力和逻辑思维。

 

功能设计：

设计一个适合小朋友的加减法学习应用，可以采用以下简化的步骤：

1. 界面设计：使用明亮的颜色和卡通形象，以及大按钮和图标，确保界面友好且易于操作。

2. 互动性：通过触摸屏操作，让孩子通过拖动或点击图形化的图示（如水果、动物等）来完成加减法题目。

3. 倒计时：设置一个倒计时功能，增加游戏感，让孩子在有限时间内完成题目，提高专注力。

4. 错题复习：自动记录孩子做错的题目，并提供复习模式，帮助孩子巩固易错点。

5. 即时反馈：每当孩子答对题目，给予积极的反馈，如动画效果和表扬声音；答错时，提供正确答案和鼓励。

界面设计：

我们完全可以参考实体书的一些做法，例如使用一些常见的水果，通过添加删除线或者外框，组织一些简单的加减法算式。

  题目界面设计

在网上可以找到一些免费的扁平化水果图片和删除线条，组织成类似以下的一个界面设计。

从上到下分别是进度条提示、题目图形化提示，题目和答案选择按钮。

 

出题函数逻辑设计：

1. 随机选择操作类型：决定是生成加法题目还是减法题目。

2. 随机生成数字A：随机选择一个数字A，确保它在1到9之间。

3. 根据数字A生成另一个随机数：

   • 对于加法，随机生成一个数字B，使得A和B的和小于或等于10。
   • 对于减法，随机生成一个数字B，使得A和B的差大于0。

4. 生成答案选项：为题目提供几个可能的答案选项，包括正确答案和几个错误的选项。

生成题目的具体代码

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#define MAX_QUESTION_NUM 10
#define OPERATION_ADD 1
#define OPERATION_SUB 0

/**
 * @brief 定义一个数学题目结构体
 * 该结构体用于存储一个数学题目的相关信息，包括两个数字、操作类型和答案。
 */
typedef struct {
  uint8_t numbers[2]; // 存储两个操作数，例如加法或减法中的两个数字
  uint16_t operation : 2; // 存储操作类型，使用2位来表示不同的操作
  uint16_t solution : 14; // 存储答案，使用14位来表示答案的值
} math_question_t;

/**
 * 全局数组，用于存储生成的数学题目的数组。
 */
math_question_t math_questions[MAX_QUESTION_NUM];

uint8_t score = 0;

// 生成指定范围内的随机数
// 参数：
//   min: 随机数的最小值（包含）
//   max: 随机数的最大值（包含）
// 返回值：
//   返回一个在[min, max]范围内的随机数
uint32_t get_random(uint32_t min, uint32_t max) {
  // 确保随机数生成器只被种子化一次
  static bool seeded = false;
  if (!seeded) {
    // 使用硬件随机数作为种子，提高随机性
    srand(esp_random());
    seeded = true; // 标记为已种子化，避免重复种子化
  }

  return (rand()) % (max - min + 1) + min; // 返回生成的随机数
}

/**
 * 生成一系列数学题目的函数。
 * 该函数生成MAX_QUESTION_NUM个数学题目，并存储在全局数组ques中。
 * 每个题目随机选择加法或减法操作，并确保操作数不重复。
 */
void gen_question() {
  int8_t last_value = 0; // 用于存储上一个生成的数字，以避免重复
  for (int i = 0; i < MAX_QUESTION_NUM; i++) {
    int8_t operation = get_random(0, 1); // 随机选择1（加法）或0（减法）
    math_questions[i].numbers[0] = get_random(0, 10); // 随机生成第一个操作数
    // 确保第一个操作数不与上一个题目的第一个操作数相同
    while (last_value == math_questions[i].numbers[0]) {
      math_questions[i].numbers[0] = get_random(0, 10);
    }
    last_value = math_questions[i].numbers[0]; // 更新上一个操作数的值

    // 根据随机选择的操作类型生成题目
    if (operation == OPERATION_ADD) {
      math_questions[i].operation = OPERATION_ADD; // 设置操作类型为加法
      // 生成第二个操作数，确保和不超过10
      math_questions[i].numbers[1] =
          get_random(0, 10 - math_questions[i].numbers[0]);
      math_questions[i].solution = math_questions[i].numbers[0] +
                                   math_questions[i].numbers[1]; // 计算答案
    } else {
      math_questions[i].operation = OPERATION_SUB; // 设置操作类型为减法
      // 生成第二个操作数，确保差非负
      math_questions[i].numbers[1] =
          get_random(0, math_questions[i].numbers[0]);
      math_questions[i].solution = math_questions[i].numbers[0] -
                                   math_questions[i].numbers[1]; // 计算答案
    }
  }
}

编译程序验证代码

 

 

按原有设计编写lvgl的界面部分：

过程就不浪费时间说了，代码如下:

婵犮垼娉涚粔鎾春閿燂拷

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LV_IMG_DECLARE(chengzi);
LV_IMG_DECLARE(taozi);
LV_IMG_DECLARE(mangguo);
LV_IMG_DECLARE(lizi);
LV_IMG_DECLARE(yangtao);

const lv_img_dsc_t *src_array[5] = {&chengzi, &taozi, &mangguo, &lizi,
                                    &yangtao};

LV_IMG_DECLARE(_fork);
LV_IMG_DECLARE(quan);

/**
 * 创建图片对象并设置其位置。
 * @param img_ptr 指向图片对象指针的指针。
 * @param src 图片源。
 * @param x_offset 水平偏移量。
 * @param y_offset 垂直偏移量。
 * @param index 图片索引。
 */
void create_and_position_image(lv_obj_t *img_ptr, const lv_img_dsc_t *src,
                               int16_t x_offset, int16_t y_offset, int index) {
  img_ptr = lv_img_create(lv_scr_act()); // 创建图片对象
  lv_img_set_src(img_ptr, src);          // 设置图片源
  lv_obj_align(img_ptr, LV_ALIGN_LEFT_MID, x_offset,
               y_offset + (index % 2 == 0
                               ? 0
                               : FRUIT_OFFSET)); // 设置图片对象的对齐方式和位置
}

/**
 * 创建一个按钮，并为其设置样式和事件回调。
 * @param btn 指向按钮对象的指针。
 * @param value 按钮显示的值。
 * @param index 按钮的索引，用于计算位置。
 */
void create_ans_button(lv_obj_t *btn, uint8_t value, uint8_t index) {
  // 设置按钮的背景颜色为蓝色调色板中的主要颜色。
  lv_obj_set_style_bg_color(btn, lv_palette_main(LV_PALETTE_BLUE), 0);
  // 设置按钮的圆角半径为10，应用于默认状态和所有部分。
  lv_obj_set_style_radius(btn, 10, LV_PART_MAIN | LV_STATE_DEFAULT);
  // 根据按钮索引计算其在水平方向上的位置，并设置垂直位置为350。
  lv_obj_set_pos(btn, 20 + 160 * index, 350);
  // 设置按钮的大小为120x100像素。
  lv_obj_set_size(btn, 120, 100);
  // 为按钮添加事件回调函数，处理所有事件。
  lv_obj_add_event_cb(btn, btn_event_cb, LV_EVENT_ALL, NULL);
  // 将自定义样式应用到按钮的默认状态。
  lv_obj_add_style(btn, &f_style, 0);
  // 在按钮上创建一个标签对象，用于显示文本。
  lv_obj_t *label = lv_label_create(btn);
  // 准备一个字符缓冲区，用于存储按钮的值，并将其格式化为字符串。
  char buff[10] = "";
  sprintf(buff, "%d", value);
  // 设置标签的文本为按钮的值。
  lv_label_set_text(label, buff);
  // 将标签居中对齐。
  lv_obj_center(label);
}

/**
 * 创建一系列图片对象来显示数学题目的选项。
 * @param que 指向数学题目结构体的指针，包含题目信息和选项数量。
 */
void create_images(math_question_t *que) {
  const lv_img_dsc_t *src = src_array[get_random(0, 4)];
  uint8_t total_images = que->solution; // 总图片数量
  if (total_images > 10)
    return; // 如果总图片数量超过10，则不创建图片

  lv_obj_t *img_array[total_images];    // 存储图片对象的数组
  lv_obj_t *opt_array[que->numbers[1]]; // 存储图片对象的数组

  // 初始化x和y偏移量
  int16_t y_offset = -140; // 垂直偏移量，用于将图片向下移动
  int16_t x_offset = 60;   // 水平偏移量，用于将图片向右移动

  uint8_t count = que->numbers[0];
  if (que->operation != OPERATION_ADD) {
    count = que->numbers[0] - que->numbers[1];
  }

  // 创建并设置每个图片对象，用于显示题目的数字
  for (int i = 0; i < count; i++) {
    create_and_position_image(img_array[i], src, x_offset, y_offset, i);
    x_offset += (i % 2 == 1) ? FRUIT_OFFSET : 0; // 每两个图片水平间隔80
  }

  // 创建并设置每个图片对象，用于显示选项
  for (int i = 0; i < que->numbers[1]; i++) {
    uint8_t img_index = que->numbers[0] + i;
    // 如果是加法，添加圈背景
    if (que->operation == OPERATION_ADD) {
      create_and_position_image(opt_array[i], &quan, x_offset, y_offset,
                                i + count);
    }
    create_and_position_image(img_array[img_index], src, x_offset, y_offset,
                              i + count);
    // 如果是减法，添加打叉图案
    if (que->operation != OPERATION_ADD) {
      create_and_position_image(opt_array[i], &_fork, x_offset, y_offset,
                                i + count);
    }
    x_offset +=
        ((i + count) % 2 == 1) ? FRUIT_OFFSET : 0; // 每两个图片水平间隔80
  }
  // 初始化文本标签指针为NULL。
  lv_obj_t *textlabel = NULL;
  // 创建一个新的标签对象，用于显示问题。
  textlabel = lv_label_create(lv_scr_act());
  // 格式化问题字符串，包含两个数字和一个操作符。
  sprintf(question_str, "%d %s %d = (  )", que->numbers[0],
          que->operation ? "+" : "-", que->numbers[1]);
  // 设置标签的文本为格式化后的问题字符串。
  lv_label_set_text(textlabel, question_str);
  // 将自定义样式应用到标签的默认状态。
  lv_obj_add_style(textlabel, &f_style, LV_STATE_DEFAULT);
  // 设置整个屏幕的文本颜色为深灰色。
  lv_obj_set_style_text_color(lv_scr_act(), lv_color_hex(0x333333),
                              LV_PART_MAIN);
  // 将标签居中对齐，并向下偏移40个单位。
  lv_obj_align(textlabel, LV_ALIGN_CENTER, 0, 40);
  // 生成一个0到2之间的随机索引，用于确定正确答案按钮的位置。
  uint8_t right_index = get_random(0, 2);
  uint8_t v = -1; // 用于生成错误答案的变量。
  // 循环创建三个答案按钮。
  for (int i = 0; i < 3; i++) {
    answer_btn[i] =
        lv_btn_create(lv_scr_act()); // 创建按钮并添加到当前活动屏幕上。
    // 如果当前索引是正确答案的索引，设置按钮的用户数据为正确答案。
    if (right_index == i) {
      lv_obj_set_user_data(answer_btn[i], (void *)(intptr_t)que->solution);
      create_ans_button(answer_btn[i], que->solution,
                        right_index); // 创建正确答案按钮。
    } else {
      // 如果当前索引不是正确答案的索引，生成错误答案。
      if (que->solution == 0) {
        v = 2; // 如果正确答案是0，错误答案应该增加2。
      }
      int32_t wrong_solution = 0;
      wrong_solution = que->solution + v; // 计算错误答案。
      // 设置按钮的用户数据为错误答案，并创建错误答案按钮。
      lv_obj_set_user_data(answer_btn[i], (void *)(intptr_t)wrong_solution);
      create_ans_button(answer_btn[i], wrong_solution, i);
      v = 1; // 更新v的值，以便下次循环生成不同的错误答案。
    }
  }
}

void app_main(void) {
  /* Initialize display and LVGL */
  bsp_display_start();

  /* Set display brightness to 100% */
  bsp_display_backlight_on();

  LV_FONT_DECLARE(OPPOSans);
  lv_style_set_text_font(&f_style, &OPPOSans);

  // 创建二进制信号量
  xquestionSemaphore = xSemaphoreCreateBinary();

  gen_question();
  for (int i = 0; i < MAX_QUESTION_NUM; i++) {
    curren_que = i;
    create_images(&math_questions[i]);
    xSemaphoreTake(xquestionSemaphore, portMAX_DELAY);
    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(300));
    lv_obj_clean(lv_scr_act());
  }
  lv_obj_t *textlabel = NULL;
  /*Create a white label, set its text and align it to the center*/
  textlabel = lv_label_create(lv_scr_act());
  sprintf(question_str, "太棒了\n%d 分", score);
  lv_label_set_text(textlabel, question_str);
  lv_obj_add_style(textlabel, &f_style, LV_STATE_DEFAULT);
  lv_obj_set_style_text_color(lv_scr_act(), lv_color_hex(0x333333),
                              LV_PART_MAIN);
  lv_obj_align(textlabel, LV_ALIGN_CENTER, 0, -50);
}

这样就把出题和答题部分的内容做好了。

 

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// 创建二进制信号量
static SemaphoreHandle_t xquestionSemaphore = NULL;

static lv_style_t f_style; // 创建一个样式结构体
lv_obj_t *answer_btn[3] = {0};

uint8_t score = 0;
uint8_t curren_que = 0;

/**
 * 按钮事件回调函数，处理按钮点击事件。
 * @param e 事件对象指针。
 */
static void btn_event_cb(lv_event_t *e) {
  // 获取事件代码，判断事件类型。
  lv_event_code_t code = lv_event_get_code(e);
  // 获取触发事件的对象的用户数据，这里存储的是按钮对应的答案值。
  intptr_t value = (intptr_t)lv_obj_get_user_data(lv_event_get_target(e));
  // 如果事件类型是点击事件（LV_EVENT_CLICKED）。
  if (code == LV_EVENT_CLICKED) {
    // 检查当前问题索引是否小于最大问题数，并且用户点击的答案是否正确。
    if (curren_que < MAX_QUESTION_NUM &&
        value == math_questions[curren_que].solution) {
      // 如果答案正确，更新得分并设置提示文本。
      strcpy(question_str, "答对了！");
      score += 10;
    } else {
      // 如果答案错误，设置提示文本。
      strcpy(question_str, "答错了。");
    }
    // 清除当前活动屏幕上的所有对象。
    lv_obj_clean(lv_scr_act());
    // 创建一个新的标签对象，用于显示反馈信息。
    lv_obj_t *textlabel = lv_label_create(lv_scr_act());
    lv_label_set_text(textlabel, question_str); // 设置标签的文本为反馈信息。
    // 将自定义样式应用到标签的默认状态。
    lv_obj_add_style(textlabel, &f_style, LV_STATE_DEFAULT);
    // 设置整个屏幕的文本颜色为深灰色。
    lv_obj_set_style_text_color(lv_scr_act(), lv_color_hex(0x333333),
                                LV_PART_MAIN);
    // 将标签居中对齐，并向下偏移40个单位。
    lv_obj_align(textlabel, LV_ALIGN_CENTER, 0, 40);
    // 释放信号量，允许下一个问题的处理。
    xSemaphoreGive(xquestionSemaphore);
  }
}

按钮使用统一的函数触发判断，根据传入的自定义数据判断按钮是否是正确的答案。

 

 

最终的效果如下图。

Jacktang

最终的效果界面友好还是比较恰当的哈