計算機工業(yè)一直引導著世界工業(yè)的發(fā)展，也是其他行業(yè)前進的動力源。計算機科學和計算機工程專業(yè)是計算機工業(yè)以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的源泉，也一直是全世界最有價值的專業(yè)之一。然而，2000 年的網(wǎng)絡(luò)泡沫使計算機工業(yè)受到重創(chuàng)，也使計算機科學及相關(guān)專業(yè)的學位價值第一次受到質(zhì)疑。計算機科學和計算機工程專業(yè)的生源也受到挑戰(zhàn)，甚至出現(xiàn)了一場世界范圍內(nèi)的計算機科學生源危機。然而，2000年的網(wǎng)絡(luò)泡沫的影響是短暫的，計算機工業(yè)很快恢復并創(chuàng)造出更高的價值。例如，亞馬遜的市值在2000 年從其峰值107 美元/ 股一度跌到7美元/ 股。今天，亞馬遜的市值已經(jīng)遠遠超過2000 年的107 美元/ 股的峰值，并發(fā)展成為一家云計算服務(wù)的主要提供商。Google更是從一家網(wǎng)絡(luò)公司發(fā)展成為世界最大的公司之一，其業(yè)務(wù)包含互聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動計算、智能手表、汽車等行業(yè)。 
      然而，計算機工業(yè)的恢復并沒有消除計算機專業(yè)的生源危機。以美國亞利桑那州立大學（ASU）為例。2002 年前，ASU 每年有200 名新生進入計算機科學專業(yè)。到2004 年，就只有100 名新生入學。美國其他大學的情況也與之類似。2008 年，美國計算機協(xié)會（ACM）發(fā)布的計算機科學教學大綱報告（http://www.acm.org/ education/curricula/ComputerScience2008.pdf）正式定義2000 年之后計算機科學進入生源危機，必須采取有效措施來解決這一危機。ACM 在長達108 頁的報告中用了一整章來闡述這一危機的解決方案。 
ACM 的報告指出，網(wǎng)絡(luò)泡沫的影響只是計算機科學專業(yè)進入生源危機的導火索，致使計算機科學生源持續(xù)危機的真正原因是陳舊的教學方法和內(nèi)容。計算機科學專業(yè)課程，特別是計算機入門課程的教學方法和內(nèi)容必須使學生感興趣，想挑戰(zhàn)，還要能激發(fā)學生的創(chuàng)造性。ACM 報告建議從三方面來改進教學方法和內(nèi)容。 
      第一，應(yīng)用領(lǐng)域。計算機科學的教學內(nèi)容必須更緊密地與應(yīng)用相結(jié)合。 
      第二，課程設(shè)置。計算機科學的教學必須增加學生感興趣的課程，例如，游戲編程、多媒體計算、機器人、移動計算。 
      第三，教學方法。教學過程必須生動有趣，以激發(fā)學生的學習興趣，聽課的同時必須動手實踐，內(nèi)容有挑戰(zhàn)性但必須基于學生的接受能力，教學必須與就業(yè)機會相結(jié)合。 
      在ACM 大綱的指導下，很多大學開始在計算機的課程中增加學生感興趣的內(nèi)容。機器人的引入最為廣泛。 
      為什么基于機器人的計算機科學入門課程沒有在10 年、20 年或30 年前發(fā)生呢？有多方面的原因： 
      第一，計算機科學專業(yè)的生源一直很好，計算機教育主要注重內(nèi)容和系統(tǒng)化，沒有太多考慮學生的興趣。 
      第二，機器人硬件價格高，無法用于大班課程。 
      第三，機器人涉及硬件和軟件，編程復雜，不宜作為入門課程的內(nèi)容。 
      近10 年來，這幾方面都發(fā)生了根本的變化。計算機科學專業(yè)的生源在2000 年后受到挑戰(zhàn)。機器人硬件價格大幅下降，特別是面向服務(wù)的軟件技術(shù)、云計算和可視化編程技術(shù)使機器人的編程應(yīng)用在大學一年級甚至高中教學中成為可能。計算機教育專家和計算機工程師攜手合作，開發(fā)了多種可視化的教育編程平臺，使沒有計算機知識和編程基礎(chǔ)的高中生和大學低年級的學生能夠很快學會計算機應(yīng)用編程。例如，美國MIT開發(fā)的Scratch以及卡內(nèi)基·梅隆大學開發(fā)的Alice動畫和編程平臺能讓學生把他們的故事變成電影和游戲。MIT的App Inventor能讓學生很快學會手機App編程。 
      樂高的NXT 2.0和EV3機器人編程平臺采取了軌道式積木編程模式，簡單易學，適合中小學的興趣教學。然而，NXT 2.0和EV3只能用于編程樂高機器人，而樂高機器人在中國價格昂貴，限制了它的廣泛應(yīng)用。 
Intel最新開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)編排層（IoT Services Orchestration Layer）在Linux操作系統(tǒng)上用可視化的語言編程物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，可以讀寫連接于物聯(lián)網(wǎng)控制板上的設(shè)備。 
      微軟的機器人開發(fā)工作室（MRDS）的VPL（Visual Programming Language，可視化程序設(shè)計語言）可用于編程和控制樂高NXT機器人和多種機器人，包括iRobot、Fischertechnik、LEGO Mindstorms NXT、Parallax robots和微軟的仿真機器人等。MRDS VPL可以用于編程從簡單到復雜的各種應(yīng)用，廣泛用于高中和大學教學中。從2006年發(fā)布至今，MRDS VPL建立了一個巨大的用戶社區(qū)。遺憾的是，在微軟的重構(gòu)過程中，MRDS VPL項目被終止。盡管微軟繼續(xù)支持MRDS VPL的免費下載，但MRDS VPL不再支持新的機器人平臺，例如，MRDS VPL不支持取代樂高NXT的EV3機器人。 
      為了讓MRDS VPL的用戶社區(qū)能夠繼續(xù)他們的機器人程序開發(fā)，基于對工作流和可視化語言多年的研究和開發(fā)，亞利桑那州立大學（ASU）于2015年發(fā)布了ASU VIPLE機器人開發(fā)平臺，該平臺由陳以農(nóng)博士領(lǐng)導的物聯(lián)網(wǎng)及機器人教育實驗室開發(fā)。陳以農(nóng)博士于2003年和2005年受微軟資助，參與了MRDS VPL的早期研究。從2006年微軟發(fā)布起，ASU一直使用MRDS VPL作為計算機導論課實驗工具。當微軟終止MRDS VPL項目后，ASU物聯(lián)網(wǎng)及機器人教育實驗室以MRDS VPL功能和編程模式為設(shè)計說明，自主開發(fā)了VIPLE平臺。VIPLE有以下特點： 
      繼承了MRDS VPL的屬性和編程模式，具有MRDS VPL編程經(jīng)歷的教師和學生可以直接使用VIPLE。VPL的教學資料也能為VIPLE平臺所用。 
      擴展了MRDS VPL支持的機器人平臺，例如，VIPLE可以編程樂高的EV3機器人。使用MRDS VPL編程樂高NXT機器人的學校可以直接升級到EV3。 
      在VIPLE程序與機器人之間采用了面向服務(wù)的標準通信接口JSON和開源的機器人中間件，可讓通用機器人平臺接入。 
      開發(fā)了以Linux為操作系統(tǒng)的VIPLE中間件并以Intel Edison的機器人作為默認平臺和套件。VIPLE中間件已經(jīng)移植到其他機器人平臺。Galileo和Edison的機器人價格不到樂高EV3的一半，從而可使基于VIPLE和Intel機器人的教學能夠推廣到更多學校。 
除了MRDS VPL的機器人編程功能外，VIPLE還支持通用的服務(wù)計算。VIPLE支持C#源代碼模塊的插入，也可以調(diào)用Web服務(wù)來完成VIPLE庫程序中沒有的功能。 
      ASU VIPLE支持設(shè)計思維和使用可視化編程。開發(fā)者只需繪制應(yīng)用程序的流程圖（規(guī)格設(shè)計）而無須編寫文本代碼。開發(fā)環(huán)境中的編譯工具能夠把流程圖直接轉(zhuǎn)換成可執(zhí)行的程序，從而使軟件開發(fā)變得更容易、更快速。整個軟件的開發(fā)過程就是一個簡單的拖放過程，即把代表服務(wù)的模塊拖放到流程圖的設(shè)計平面，然后用連線把它們連接起來。這個簡單的過程可以使沒有程序設(shè)計經(jīng)驗的人在幾分鐘內(nèi)創(chuàng)建自己的機器人應(yīng)用程序。經(jīng)過一個學期的學習和動手實踐后，學生可以編出較為復雜的智能程序，使機器人能探索未知迷宮并走出迷宮。 
      ASU VIPLE可用作機器人導論、計算機導論、通信導論或工程導論等課程的實驗工具。 
      下面通過幾個程序案例來展示VIPLE編程的簡單性和實用性，特別是與計算機導論的相關(guān)性和對計算機導論課程實驗的支持。 
      案例1：ASU VIPLE實現(xiàn)的計數(shù)器該計數(shù)器程序從0計到10，并用語音輸出服務(wù)讀出所生成的數(shù)字：The number is 0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10。 
      案例2：車庫門遙控器下圖的有限狀態(tài)機描述了一個單鍵遙控器。當車庫門處于關(guān)閉狀態(tài)時，按下遙控鍵將使車庫門開啟。當車庫門處于開啟狀態(tài)時，按下遙控鍵將使車庫門關(guān)閉。當車庫門處于開啟或關(guān)閉過程中時，按下遙控鍵將使車庫門停止運動，再按下遙控鍵將使車庫門繼續(xù)向之前的方向運行。 
　   上圖的有限狀態(tài)機可用下圖的ASU VIPLE程序?qū)崿F(xiàn)。所使用的單鍵是控制鍵Ctrl。 
      案例3：遙控Intel機器人以下VIPLE程序可以實現(xiàn)用計算機鍵盤(方向鍵)來遙控Intel機器人的移動，空格鍵是停止移動。 
      案例4：迷宮機器人編程以下程序展示了迷宮機器人編程過程。該機器人具有一個測距傳感器，根據(jù)前方、左方和右方的距離來決定下一步的走向。 
      與通常的介紹原理的教材不同，本書是一本介紹原理并實現(xiàn)原理的教材。學懂一個原理后，學生還必須把該原理應(yīng)用到實踐中。比如，當學懂了運算器的工作原理后，學生必須用VPL 編寫一個運算器，并測試實現(xiàn)的運算器能否正確完成運算任務(wù)。當設(shè)計了一個迷宮漫游算法后，學生必須把該算法編程到機器人中，測試機器人能否在迷宮中不迷路。 
      所以，我們的教材不但必須保證原理的正確，還必須保證正確的原理能被學生在給定的時間內(nèi)實現(xiàn)。為此，我們必須驗證每一個實驗和每一個練習的正確性和時間要求。編寫這樣的教材和講授這樣的課程，會花費更多的精力和時間，但是我們堅信這樣的教材和這樣的課程是學生想要學的，是學生能學透和記住的，這樣才能培養(yǎng)出真正有知識和能力的學生。正是這樣的教學理念，使我們走到一起，聯(lián)手編寫了本書。 
      本教材的第1版于2013年出版，本教材的第2版在第1版的基礎(chǔ)上做了重大的改進。首先，主要的編程軟件從微軟的MRDS VPL更新到ASU VIPLE (Visual IoT/Robotics Programming Language Environment)。支持的機器人平臺也從樂高增加到多個其他平臺，包括Intel Edison和Galileo平臺、ARM pcDuino平臺、TI的平臺。VIPLE還有三個內(nèi)建仿真平臺：Unity模擬器平臺、Web 2D模擬器平臺和Web 3D模擬器平臺。ASU VIPLE可以在中文和英文菜單之間隨時切換。 
      由于工作量巨大，還有許多老師和學生參與了編寫和校驗工作，在此表示衷心的感謝。本教材基于自主開發(fā)的軟件平臺，許多學生參與了開發(fā)工作。 Garrett Drown開發(fā)了第1版的eRobotics的可視化編程語言；Calvin Cheng為VIPLE的早期開發(fā)提供幫助，并在EV3 API的開發(fā)上做出了貢獻；Gennaro De Luca負責VIPLE的主要開發(fā)工作；Tara De Vries對VIPLE開發(fā)中的服務(wù)集成做出了貢獻；Megan Plachecki、John Robertson和Sami Mian在JSON的接口設(shè)計、Edison機器人的中間件實現(xiàn)以及機器人的硬件實現(xiàn)方面做出了貢獻；Matthew De Rosa開發(fā)了第1版VIPLE Unity模擬器；Yufeng Ouyang 和Kaiyi Huang等開發(fā)了第2版的Unity模擬器；Adam Lew、Joshua Owens、Ankit Patel、Harshil Patel、Peter Tueller和Spencer Rodewald在Web 2D模擬器開發(fā)中做出了貢獻； Alexandra Porter、David Orellana、Matthew Miller 開發(fā)了Web 3D 模擬器。 
      如何開設(shè)一門受學生歡迎的計算機入門課程是一個值得持續(xù)探索的課題，我們也在進一步的嘗試和不斷完善中。因此，本書中難免有疏漏和不當之處，歡迎各位同行和讀者批評指正。 
      作者201