計(jì)算機(jī)工業(yè)一直引導(dǎo)著世界工業(yè)的發(fā)展，也是其他行業(yè)前進(jìn)的動(dòng)力源。計(jì)算機(jī)科學(xué)和計(jì)算機(jī)工程專業(yè)是計(jì)算機(jī)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(jià)值的專業(yè)之一。然而，2000 年的網(wǎng)絡(luò)泡沫使計(jì)算機(jī)工業(yè)受到重創(chuàng)，也使計(jì)算機(jī)科學(xué)及相關(guān)專業(yè)的學(xué)位價(jià)值第一次受到質(zhì)疑。計(jì)算機(jī)科學(xué)和計(jì)算機(jī)工程專業(yè)的生源也受到挑戰(zhàn)，甚至出現(xiàn)了一場(chǎng)世界范圍內(nèi)的計(jì)算機(jī)科學(xué)生源危機(jī)。然而，2000年的網(wǎng)絡(luò)泡沫的影響是短暫的，計(jì)算機(jī)工業(yè)很快恢復(fù)并創(chuàng)造出更高的價(jià)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過2000 年的107 美元/ 股的峰值，并發(fā)展成為一家云計(jì)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(jì)算、移動(dòng)計(jì)算、智能手表、汽車等行業(yè)。 
      然而，計(jì)算機(jī)工業(yè)的恢復(fù)并沒有消除計(jì)算機(jī)專業(yè)的生源危機(jī)。以美國亞利桑那州立大學(xué)（ASU）為例。2002 年前，ASU 每年有200 名新生進(jìn)入計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)。到2004 年，就只有100 名新生入學(xué)。美國其他大學(xué)的情況也與之類似。2008 年，美國計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)（ACM）發(fā)布的計(jì)算機(jī)科學(xué)教學(xué)大綱報(bào)告（http://www.acm.org/ education/curricula/ComputerScience2008.pdf）正式定義2000 年之后計(jì)算機(jī)科學(xué)進(jìn)入生源危機(jī)，必須采取有效措施來解決這一危機(jī)。ACM 在長達(dá)108 頁的報(bào)告中用了一整章來闡述這一危機(jī)的解決方案。 
ACM 的報(bào)告指出，網(wǎng)絡(luò)泡沫的影響只是計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)進(jìn)入生源危機(jī)的導(dǎo)火索，致使計(jì)算機(jī)科學(xué)生源持續(xù)危機(jī)的真正原因是陳舊的教學(xué)方法和內(nèi)容。計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)課程，特別是計(jì)算機(jī)入門課程的教學(xué)方法和內(nèi)容必須使學(xué)生感興趣，想挑戰(zhàn)，還要能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性。ACM 報(bào)告建議從三方面來改進(jìn)教學(xué)方法和內(nèi)容。 
      第一，應(yīng)用領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)科學(xué)的教學(xué)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(jì)算機(jī)科學(xué)的教學(xué)必須增加學(xué)生感興趣的課程，例如，游戲編程、多媒體計(jì)算、機(jī)器人、移動(dòng)計(jì)算。 
      第三，教學(xué)方法。教學(xué)過程必須生動(dòng)有趣，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，聽課的同時(shí)必須動(dòng)手實(shí)踐，內(nèi)容有挑戰(zhàn)性但必須基于學(xué)生的接受能力，教學(xué)必須與就業(yè)機(jī)會(huì)相結(jié)合。 
      在ACM 大綱的指導(dǎo)下，很多大學(xué)開始在計(jì)算機(jī)的課程中增加學(xué)生感興趣的內(nèi)容。機(jī)器人的引入最為廣泛。 
      為什么基于機(jī)器人的計(jì)算機(jī)科學(xué)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(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)的生源一直很好，計(jì)算機(jī)教育主要注重內(nèi)容和系統(tǒng)化，沒有太多考慮學(xué)生的興趣。 
      第二，機(jī)器人硬件價(jià)格高，無法用于大班課程。 
      第三，機(jī)器人涉及硬件和軟件，編程復(fù)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(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)的生源在2000 年后受到挑戰(zhàn)。機(jī)器人硬件價(jià)格大幅下降，特別是面向服務(wù)的軟件技術(shù)、云計(jì)算和可視化編程技術(shù)使機(jī)器人的編程應(yīng)用在大學(xué)一年級(jí)甚至高中教學(xué)中成為可能。計(jì)算機(jī)教育專家和計(jì)算機(jī)工程師攜手合作，開發(fā)了多種可視化的教育編程平臺(tái)，使沒有計(jì)算機(jī)知識(shí)和編程基礎(chǔ)的高中生和大學(xué)低年級(jí)的學(xué)生能夠很快學(xué)會(huì)計(jì)算機(jī)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(xué)開發(fā)的Alice動(dòng)畫和編程平臺(tái)能讓學(xué)生把他們的故事變成電影和游戲。MIT的App Inventor能讓學(xué)生很快學(xué)會(huì)手機(jī)App編程。 
      樂高的NXT 2.0和EV3機(jī)器人編程平臺(tái)采取了軌道式積木編程模式，簡單易學(xué)，適合中小學(xué)的興趣教學(xué)。然而，NXT 2.0和EV3只能用于編程樂高機(jī)器人，而樂高機(jī)器人在中國價(jià)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(jī)器人開發(fā)工作室（MRDS）的VPL（Visual Programming Language，可視化程序設(shè)計(jì)語言）可用于編程和控制樂高NXT機(jī)器人和多種機(jī)器人，包括iRobot、Fischertechnik、LEGO Mindstorms NXT、Parallax robots和微軟的仿真機(jī)器人等。MRDS VPL可以用于編程從簡單到復(fù)雜的各種應(yīng)用，廣泛用于高中和大學(xué)教學(xué)中。從2006年發(fā)布至今，MRDS VPL建立了一個(gè)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(xiàng)目被終止。盡管微軟繼續(xù)支持MRDS VPL的免費(fèi)下載，但MRDS VPL不再支持新的機(jī)器人平臺(tái)，例如，MRDS VPL不支持取代樂高NXT的EV3機(jī)器人。 
      為了讓MRDS VPL的用戶社區(qū)能夠繼續(xù)他們的機(jī)器人程序開發(fā)，基于對(duì)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(xué)（ASU）于2015年發(fā)布了ASU VIPLE機(jī)器人開發(fā)平臺(tái)，該平臺(tái)由陳以農(nóng)博士領(lǐng)導(dǎo)的物聯(lián)網(wǎng)及機(jī)器人教育實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)導(dǎo)論課實(shí)驗(yàn)工具。當(dāng)微軟終止MRDS VPL項(xiàng)目后，ASU物聯(lián)網(wǎng)及機(jī)器人教育實(shí)驗(yàn)室以MRDS VPL功能和編程模式為設(shè)計(jì)說明，自主開發(fā)了VIPLE平臺(tái)。VIPLE有以下特點(diǎn)： 
      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(xué)生可以直接使用VIPLE。VPL的教學(xué)資料也能為VIPLE平臺(tái)所用。 
      擴(kuò)展了MRDS VPL支持的機(jī)器人平臺(tái)，例如，VIPLE可以編程樂高的EV3機(jī)器人。使用MRDS VPL編程樂高NXT機(jī)器人的學(xué)�？梢灾苯由�級(jí)到EV3。 
      在VIPLE程序與機(jī)器人之間采用了面向服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)通信接口JSON和開源的機(jī)器人中間件，可讓通用機(jī)器人平臺(tái)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(jī)器人作為默認(rèn)平臺(tái)和套件。VIPLE中間件已經(jīng)移植到其他機(jī)器人平臺(tái)。Galileo和Edison的機(jī)器人價(jià)格不到樂高EV3的一半，從而可使基于VIPLE和Intel機(jī)器人的教學(xué)能夠推廣到更多學(xué)校。 
除了MRDS VPL的機(jī)器人編程功能外，VIPLE還支持通用的服務(wù)計(jì)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(jì)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(jì)）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(gè)軟件的開發(fā)過程就是一個(gè)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(jì)平面，然后用連線把它們連接起來。這個(gè)簡單的過程可以使沒有程序設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的人在幾分鐘內(nèi)創(chuàng)建自己的機(jī)器人應(yīng)用程序。經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)和動(dòng)手實(shí)踐后，學(xué)生可以編出較為復(fù)雜的智能程序，使機(jī)器人能探索未知迷宮并走出迷宮。 
      ASU VIPLE可用作機(jī)器人導(dǎo)論、計(jì)算機(jī)導(dǎo)論、通信導(dǎo)論或工程導(dǎo)論等課程的實(shí)驗(yàn)工具。 
      下面通過幾個(gè)程序案例來展示VIPLE編程的簡單性和實(shí)用性，特別是與計(jì)算機(jī)導(dǎo)論的相關(guān)性和對(duì)計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程實(shí)驗(yàn)的支持。 
      案例1：ASU VIPLE實(shí)現(xiàn)的計(jì)數(shù)器該計(jì)數(shù)器程序從0計(jì)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(jī)描述了一個(gè)單鍵遙控器。當(dāng)車庫門處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，按下遙控鍵將使車庫門開啟。當(dāng)車庫門處于開啟狀態(tài)時(shí)，按下遙控鍵將使車庫門關(guān)閉。當(dāng)車庫門處于開啟或關(guān)閉過程中時(shí)，按下遙控鍵將使車庫門停止運(yùn)動(dòng)，再按下遙控鍵將使車庫門繼續(xù)向之前的方向運(yùn)行。 
　   上圖的有限狀態(tài)機(jī)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(jī)器人以下VIPLE程序可以實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)鍵盤(方向鍵)來遙控Intel機(jī)器人的移動(dòng)，空格鍵是停止移動(dòng)。 
      案例4：迷宮機(jī)器人編程以下程序展示了迷宮機(jī)器人編程過程。該機(jī)器人具有一個(gè)測(cè)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(shí)現(xiàn)原理的教材。學(xué)懂一個(gè)原理后，學(xué)生還必須把該原理應(yīng)用到實(shí)踐中。比如，當(dāng)學(xué)懂了運(yùn)算器的工作原理后，學(xué)生必須用VPL 編寫一個(gè)運(yùn)算器，并測(cè)試實(shí)現(xiàn)的運(yùn)算器能否正確完成運(yùn)算任務(wù)。當(dāng)設(shè)計(jì)了一個(gè)迷宮漫游算法后，學(xué)生必須把該算法編程到機(jī)器人中，測(cè)試機(jī)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(xué)生在給定的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)。為此，我們必須驗(yàn)證每一個(gè)實(shí)驗(yàn)和每一個(gè)練習(xí)的正確性和時(shí)間要求。編寫這樣的教材和講授這樣的課程，會(huì)花費(fèi)更多的精力和時(shí)間，但是我們堅(jiān)信這樣的教材和這樣的課程是學(xué)生想要學(xué)的，是學(xué)生能學(xué)透和記住的，這樣才能培養(yǎng)出真正有知識(shí)和能力的學(xué)生。正是這樣的教學(xué)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(jìn)。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(jī)器人平臺(tái)也從樂高增加到多個(gè)其他平臺(tái)，包括Intel Edison和Galileo平臺(tái)、ARM pcDuino平臺(tái)、TI的平臺(tái)。VIPLE還有三個(gè)內(nèi)建仿真平臺(tái)：Unity模擬器平臺(tái)、Web 2D模擬器平臺(tái)和Web 3D模擬器平臺(tái)。ASU VIPLE可以在中文和英文菜單之間隨時(shí)切換。 
      由于工作量巨大，還有許多老師和學(xué)生參與了編寫和校驗(yàn)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(tái)，許多學(xué)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(xiàn)；Gennaro De Luca負(fù)責(zé)VIPLE的主要開發(fā)工作；Tara De Vries對(duì)VIPLE開發(fā)中的服務(wù)集成做出了貢獻(xiàn)；Megan Plachecki、John Robertson和Sami Mian在JSON的接口設(shè)計(jì)、Edison機(jī)器人的中間件實(shí)現(xiàn)以及機(jī)器人的硬件實(shí)現(xiàn)方面做出了貢獻(xiàn)；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(xiàn)； Alexandra Porter、David Orellana、Matthew Miller 開發(fā)了Web 3D 模擬器。 
      如何開設(shè)一門受學(xué)生歡迎的計(jì)算機(jī)入門課程是一個(gè)值得持續(xù)探索的課題，我們也在進(jìn)一步的嘗試和不斷完善中。因此，本書中難免有疏漏和不當(dāng)之處，歡迎各位同行和讀者批評(píng)指正。 
      作者201