語音控制廢棄口罩專用箱

張小珍

設(shè)計(jì)依據(jù)

人工智能（AI），是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)。2017年國務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，提出實(shí)施全民智能教育項(xiàng)目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育，支持開展人工智能競賽，鼓勵(lì)進(jìn)行形式多樣的人工智能科普創(chuàng)作。本課利用中望公司最新研發(fā)的3D One AI軟件，設(shè)計(jì)語音控制廢棄口罩專用箱，體現(xiàn)了在創(chuàng)客教育和STEM素養(yǎng)的指引下，信息技術(shù)課程結(jié)合人工智能實(shí)現(xiàn)的“智造”，更具開放性、綜合性和獨(dú)創(chuàng)性。

課例特色

特色1：基于問題的情境，啟發(fā)學(xué)生的探究學(xué)習(xí)

基于PBL模式，確定項(xiàng)目探究學(xué)習(xí)流程：提出問題—啟智引導(dǎo)、發(fā)散思維—小組討論—分析可行性—實(shí)體建?！幊陶{(diào)試運(yùn)行—反復(fù)實(shí)踐—完善項(xiàng)目。學(xué)生在參與實(shí)踐過程中，體驗(yàn)參與的快樂，獲得解決問題的成就感。

問題1：當(dāng)防疫成為一種常態(tài)時(shí)，身邊的這個(gè)廢棄口罩專用箱設(shè)計(jì)合理嗎？不合理體現(xiàn)在哪里？（預(yù)埋PBL中的項(xiàng)目需求問題）

問題2：該如何改進(jìn)？（啟智引導(dǎo)：怎么改進(jìn)專用箱的作用及功能？）

問題3：模型該如何設(shè)計(jì)？（工程設(shè)計(jì)、融合多學(xué)科）

問題4：用什么技術(shù)實(shí)現(xiàn)你的目標(biāo)？（3D One和3D One AI等多種技術(shù)融合）

特色2：基于項(xiàng)目的開發(fā)，拓展學(xué)生的創(chuàng)新思維

通過項(xiàng)目的分析、建模、AI設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)“美觀實(shí)用、智能防疫”的項(xiàng)目目標(biāo)，學(xué)生經(jīng)歷了小組合作、任務(wù)驅(qū)動(dòng)、自主探究一系列探究學(xué)習(xí)以及解決問題的過程。在學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)整合了數(shù)學(xué)（規(guī)劃尺寸）與美術(shù)、藝術(shù)（畫草圖）、工程學(xué)科、信息技術(shù)（三維模型設(shè)計(jì)、3D One AI編程），是STEM教育強(qiáng)而有力的應(yīng)用，通過一系統(tǒng)的探究活動(dòng)，拓展了學(xué)生的創(chuàng)新思維。

特色3：基于AI+STEM融合，提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)

實(shí)踐過程中，學(xué)生從不同層面、不同角度分析問題，自主探究解決問題的策略，培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和問題解決能力、實(shí)踐能力，提高了創(chuàng)新思維能力，提升了綜合素養(yǎng)。

教學(xué)目標(biāo)

核心素養(yǎng)目標(biāo) 《小學(xué)信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》要求信息技術(shù)課程以信息素養(yǎng)的培養(yǎng)為核心，為學(xué)生適應(yīng)信息化生活、走向現(xiàn)代化和終身化學(xué)習(xí)發(fā)展之路奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，注重學(xué)生信息知識(shí)與能力的主動(dòng)建構(gòu)，將信息有效內(nèi)化，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力與實(shí)踐能力，體現(xiàn)“以學(xué)生發(fā)展為本”的素質(zhì)教育理念。

本課PBL目標(biāo) 當(dāng)防疫變?yōu)橐环N常態(tài)時(shí)，我們?nèi)翰呷毫刂聘鞣N傳染源，隔離病毒。目前生活中的廢棄口罩專用箱存在防疫弊端，需要用手才能打開，可能會(huì)傳染病毒。所以，我們設(shè)計(jì)了一款改進(jìn)型的用語音控制的廢棄口罩專用箱，直接語音控制“開門”和“關(guān)門”，避免雙手直接觸碰，有效隔離病毒。

教學(xué)過程

一、PBL項(xiàng)目導(dǎo)入，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)

教師提問：當(dāng)防疫成為一種常態(tài)時(shí)，我們身邊的這些廢棄口罩專用箱設(shè)計(jì)合理嗎？不合理在什么地方？該如何改進(jìn)使它變得合理？（啟智——發(fā)散思維：學(xué)生觀察思考并交流）

教師引導(dǎo)：該項(xiàng)目的作用是什么？如何能做到不用手觸碰箱體？為什么要設(shè)計(jì)成箱體？（明智——可見思維：內(nèi)部必須是空的才能放置物體，箱體還可以防止病毒散發(fā)污染氣體）

教師提問：它的模型該如何設(shè)計(jì)？用什么技術(shù)能實(shí)現(xiàn)實(shí)體建模？

（明智——多維思維：畫草圖—定尺寸—建模設(shè)計(jì)可行性分析—定材質(zhì)）

二、3D One建模設(shè)計(jì)箱體

通過整體規(guī)劃設(shè)計(jì)，定制實(shí)體尺寸，用3D one軟件建模設(shè)計(jì)專用箱實(shí)體。箱體包括：能開關(guān)閉合的門，能盛放廢棄物的空間，有預(yù)留清理工作的頂蓋，框架模型如圖1。

三、用3D One AI 編程實(shí)現(xiàn)人工智能語音控制

中望公司2020年5月最新研發(fā)了3D One AI，是在原有的3D One軟件基礎(chǔ)上整合了AI部分，融三維創(chuàng)新設(shè)計(jì)、人工智能、開源硬件、編程等多種技術(shù)于一體，能輔助學(xué)校開展人工智能教育和STEM教育。

專用箱體建模完畢后，進(jìn)入3D One AI進(jìn)行全局屬性、物理屬性、關(guān)節(jié)的設(shè)置，接著進(jìn)入AI程序設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。

1.程序設(shè)計(jì)之模塊選擇

程序設(shè)計(jì)第一步是模塊的選擇，如果“語音識(shí)別結(jié)果”為“開門”，那么程序執(zhí)行時(shí)，“門”要有確定的角速度方向及旋轉(zhuǎn)速度，這時(shí)就需要用到旋轉(zhuǎn)速度程序模塊和角速度方向程序模塊。學(xué)生在調(diào)試程序時(shí)，若發(fā)現(xiàn)開門方向錯(cuò)誤或者門的旋轉(zhuǎn)速度不理想，可以修改角速度方向及旋轉(zhuǎn)速度。

2.程序設(shè)計(jì)之控制器編程

選擇模塊的同時(shí)，進(jìn)行控制器模塊編程設(shè)計(jì)。例如：如果“語音識(shí)別結(jié)果”為“開門”，那么程序執(zhí)行自動(dòng)開門的語句。利用循環(huán)語句實(shí)現(xiàn)“門”在語音提示發(fā)出后，自動(dòng)打開的動(dòng)作，并設(shè)置適當(dāng)?shù)牡却龝r(shí)間，讓“開門”的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)視覺上的停留，如圖2。

同理，如果“語音識(shí)別結(jié)果”為“關(guān)門”，那么程序執(zhí)行自動(dòng)關(guān)門的語句，如圖3。

3.程序設(shè)計(jì)之觸發(fā)機(jī)制

引導(dǎo)學(xué)生思考：麥克風(fēng)和話筒等硬件一直處于啟動(dòng)狀態(tài)，等待運(yùn)行時(shí)浪費(fèi)電也損耗設(shè)備，怎么辦？

為了減少電耗與材耗，我們可以在程序中加入觸發(fā)控制模塊，比如可以設(shè)置“鍵盤a”“按下”時(shí)，開始執(zhí)行所有的程序，啟動(dòng)設(shè)備，減少耗損，如圖4。

4.啟動(dòng)仿真

編程完畢，進(jìn)入仿真環(huán)境調(diào)試運(yùn)行程序，啟動(dòng)“電腦麥克風(fēng)”和“語音識(shí)別”程序，單擊“啟動(dòng)仿真”，如圖5，程序開始運(yùn)行。

不斷地調(diào)試運(yùn)行程序、修改參數(shù)、優(yōu)化程序，直到語音控制專用箱“門”開與關(guān)的功能趨于理想狀態(tài)。從3D One AI程序進(jìn)入仿真循環(huán)界面模擬智能“開門”或“關(guān)門”效果，“開門”效果如圖6。

實(shí)踐反思

本課程從生活實(shí)際出發(fā)，以人為本，整合科學(xué)、數(shù)學(xué)、美術(shù)、藝術(shù)、工程、信息等相關(guān)課程，利用多學(xué)科融合、多技術(shù)結(jié)合，解決生活中的情境問題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深層次思考。學(xué)生經(jīng)歷了結(jié)構(gòu)分析、建模設(shè)計(jì)、編程調(diào)試、AI智能仿真等一系列探究實(shí)踐活動(dòng)，養(yǎng)成了循序漸進(jìn)地建構(gòu)知識(shí)地圖的習(xí)慣。學(xué)生自主探究，解決問題，最終達(dá)成項(xiàng)目目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)造性學(xué)習(xí)。

創(chuàng)新是人的實(shí)踐行為，是用現(xiàn)有的知識(shí)和物質(zhì)，在特定的環(huán)境中改進(jìn)舊事物或創(chuàng)造新事物。在創(chuàng)意“智造”的過程中，我們要不斷地改變觀念，不斷地學(xué)習(xí)與反思，不斷地實(shí)踐與創(chuàng)新，遵守客觀規(guī)律和倫理道德，以人為本，以德為先，創(chuàng)造發(fā)明對(duì)社會(huì)有用的產(chǎn)品，構(gòu)建“立德樹人”的創(chuàng)新教育理念，培養(yǎng)對(duì)國家有用的復(fù)合型創(chuàng)新人才。

本課例的教學(xué)設(shè)計(jì)從“創(chuàng)意智造”理念出發(fā)，但是在仿真模擬階段遇到了一些問題，在進(jìn)行語音控制實(shí)現(xiàn)“開門”“關(guān)門”功能模擬演示時(shí)，“門”無法停下來，一直在不斷地“開”“關(guān)”。相關(guān)技術(shù)工程師表示，這是因?yàn)樵?D One AI仿真環(huán)境中無法實(shí)現(xiàn)門“插銷”的功能。未來，我將打印模型、組裝各模塊并添加元件進(jìn)行實(shí)踐，在生活實(shí)踐中解決這個(gè)問題。