“麥昆成長記”STEAM教育系列課程——麥昆識路

教學(xué)背景

教育部《教育信息化“十三五”規(guī)劃》中明確提出要探索STEAM教育、創(chuàng)客教育等創(chuàng)新教育模式。在此背景下，筆者以麥昆機(jī)器人成長學(xué)習(xí)過程中遇到的問題為主線，以問題解決為導(dǎo)向，以激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識為目標(biāo)，將傳統(tǒng)制造技藝、開源與人工智能技術(shù)、創(chuàng)客思維和STEAM教育理念相結(jié)合，兼顧并協(xié)調(diào)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、人文精神和藝術(shù)涵養(yǎng)的發(fā)展。

本課的教學(xué)對象宜為小學(xué)高年級和初中學(xué)生。他們的認(rèn)知發(fā)展正處于由具體運(yùn)算階段（7～12歲）向形式運(yùn)算階段（12～15歲）過渡時(shí)期，借助具體的硬件支持（麥昆機(jī)器人及其周邊開源的軟硬件器材）可以系統(tǒng)地學(xué)習(xí)科學(xué)原理和數(shù)學(xué)規(guī)則，啟發(fā)概括能力，逐步掌握邏輯推理、歸納或演繹能力。

教學(xué)目標(biāo)

1.了解交通標(biāo)志的歷史，識別交通標(biāo)志并理解其含義。

2.利用MU視覺識別傳感器識別交通卡片。

3.利用物聯(lián)網(wǎng)模塊將識別的交通信息上傳到SIoT物聯(lián)網(wǎng)平臺。

STEAM視野

科學(xué)：道路上的交通標(biāo)志。

技術(shù)：視覺識別、物聯(lián)網(wǎng)。

工程：數(shù)據(jù)通信。

教學(xué)準(zhǔn)備

麥昆機(jī)器人套件、micro：bit控制板、MU視覺識別傳感器、物聯(lián)網(wǎng)模塊各1件，銅柱、螺絲若干。

教學(xué)過程

一、情境導(dǎo)入

師：麥昆和小伙伴們來到了一片無人經(jīng)過的路段，要想通過這一無人路段只能依靠識別路段上擺放的交通標(biāo)志指示牌。為了保證大家安全通行，麥昆決定先去探路，并通過SIoT物聯(lián)網(wǎng)平臺及時(shí)將行走的路線傳送給其他小伙伴。但是麥昆對道路交通標(biāo)志并不熟悉，你們有辦法幫助麥昆嗎？

學(xué)生思考并回答：可以借助視覺識別技術(shù)給麥昆添加交通卡片識別功能。

二、講授知識

1.了解交通標(biāo)志的歷史

據(jù)記載，早在中國周朝就有了“列樹以表道”的制度，即在道路兩旁種植行道樹。在國外，古羅馬時(shí)期，從羅馬到加普亞的軍用大道上就設(shè)有里程碑和指路牌。

然而多數(shù)人還是認(rèn)為現(xiàn)代道路交通標(biāo)志起源于英國。1879年12月，參加自行車聯(lián)盟的英國地方組織塞克林格俱樂部，在通往山區(qū)的道路上，用油漆在鐵板上寫了一個(gè)預(yù)告危險(xiǎn)的交通標(biāo)志“到塞克利斯特——這個(gè)山丘危險(xiǎn)”。這個(gè)預(yù)告標(biāo)志成為有史以來文字記載的最早的道路交通標(biāo)志。

2.認(rèn)識交通標(biāo)志

交通標(biāo)志，是指用文字或符號傳遞引導(dǎo)、限制、警告或指示信息的道路設(shè)施，又稱道路標(biāo)志或道路交通標(biāo)志。

道路交通標(biāo)志分為主標(biāo)志和輔助標(biāo)志兩大類。主標(biāo)志又分為指示標(biāo)志、指路標(biāo)志、警告標(biāo)志、禁令標(biāo)志、旅游區(qū)標(biāo)志和道路施工安全標(biāo)志這6種。而我們今天主要學(xué)習(xí)的是道路指示標(biāo)志，用以指示車輛和行人按規(guī)定方向、地點(diǎn)行駛。

三、操作實(shí)踐

1.明確任務(wù)需求

師：麥昆在沒有檢測到交通指示牌時(shí)，會(huì)在地圖上直行，這時(shí)可利用巡線傳感器進(jìn)行判斷。當(dāng)左邊的傳感器檢測到黑線時(shí)，向右側(cè)轉(zhuǎn)向;當(dāng)右邊的傳感器檢測到黑線時(shí)，向左側(cè)轉(zhuǎn)向;當(dāng)左右兩個(gè)傳感器都檢測到黑線時(shí)，小車停止。我們還可以將識別交通卡片的過程定義為一個(gè)函數(shù)，讓函數(shù)實(shí)現(xiàn)功能——MU視覺識別傳感器檢測到不同的標(biāo)志牌，小車執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

本例中，我們計(jì)劃使用MU視覺識別傳感器識別的交通卡片為掉頭、右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)、停止，如圖1。

2.電路連接

將MU視覺識別傳感器的4根線與I2C進(jìn)行連接，SDA（藍(lán)色）—SDA，SCL（綠色）—SCL，GND（黑色）—負(fù)極，VCC（紅色）—正極;物聯(lián)網(wǎng)模塊與麥昆車體P1、P2進(jìn)行連接，T（綠色）—P1，R（藍(lán)色）—P2，VCC（紅色）—正極，GND（黑色）—負(fù)極。

3.結(jié)構(gòu)搭建

（1）制作指示牌

第一步：準(zhǔn)備兩個(gè)黑色燕尾夾和交通卡片，制作交通指示牌。

第二步：將兩個(gè)黑色燕尾夾分別夾在交通卡片的左右兩側(cè)，將卡片豎立起來，如圖2。

（2）布置場地

將左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、掉頭、停止等交通指示牌放置在場地中合適位置，如圖3。

4.編程實(shí)踐

第一步：編程環(huán)境部署。打開Mind+軟件，添加“micro：Maqueen（麥昆）”套件模塊;然后切換到傳感器模塊，選擇并添加“視覺識別攝像頭”;切換到通信模塊，選擇并添加“OBLOQ物聯(lián)模塊”。

第二步：編寫主程序。主程序應(yīng)該包括兩部分，一部分是對交通卡片的識別程序，如圖4;另一部分是巡線處理程序，如圖5。

5.運(yùn)行測試

將麥昆小車放到場地起點(diǎn)處，打開電源后，重啟micro：bit控制板（MU視覺識別算法啟動(dòng)要等待一段時(shí)間）。等到物聯(lián)網(wǎng)模塊指示燈變成綠色后，小車前進(jìn)并完成后續(xù)動(dòng)作。收集到的數(shù)據(jù)如圖6所示。

四、拓展延伸

師：本例中，我們使用MU視覺識別傳感器識別交通卡片，結(jié)合SIoT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將麥昆在行駛中遇到的交通標(biāo)志信息上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺。在麥昆小車行走過程中，我們還使用了巡線傳感器，你能否修改程序，使得麥昆通過MU視覺識別傳感器識別道路兩邊的黑線和交通卡片完成探路，并將完整行駛路線數(shù)據(jù)上傳？

學(xué)生思考并操作實(shí)踐。

教學(xué)反思

本課以STEAM教育理念為指導(dǎo)，倡導(dǎo)跨學(xué)科的STEAM學(xué)習(xí)方式，將科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)有機(jī)融為一體，提升了學(xué)習(xí)的趣味性，讓學(xué)生在學(xué)中玩、在玩中學(xué)、在玩中創(chuàng)。課例將人工智能與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，通過AIoT解決現(xiàn)實(shí)生活中的具體問題，幫助學(xué)生樹立工程與藝術(shù)的優(yōu)化、提升和權(quán)衡的意識，在面向真實(shí)問題、理性分析設(shè)計(jì)、物化問題解決方案的過程中，讓學(xué)生學(xué)會(huì)講原則、守倫理、敢創(chuàng)新，充分應(yīng)對未來世界的挑戰(zhàn)。

陳杰 南京師范大學(xué)附屬中學(xué)樹人學(xué)校信息技術(shù)高級教師，中國電子學(xué)會(huì)會(huì)員，江蘇省計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)會(huì)員，江蘇省科普作家學(xué)會(huì)會(huì)員、《無線電》雜志項(xiàng)目與制作專欄作者。致力于創(chuàng)客教育、STEAM教育研究，出版創(chuàng)客類圖書3本。所帶學(xué)生在各級各類創(chuàng)客大賽、創(chuàng)新大賽中成績優(yōu)異。