“麥昆成長記”STEAM教育系列課程

陳杰

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(shí)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(jí)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、歸納演繹能力。

教學(xué)目標(biāo)

1.了解MQTT協(xié)議及其使用。

2.掌握多種識(shí)別算法的綜合應(yīng)用。

3.通過SIoT物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上傳數(shù)據(jù)并與掌控板之間展開雙向通信。

STEAM視野

技術(shù)：視覺識(shí)別、物聯(lián)網(wǎng)。

工程：數(shù)據(jù)通信、機(jī)械組裝。

教學(xué)準(zhǔn)備

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

教學(xué)過程

一、情境導(dǎo)入

師：麥昆走進(jìn)無人路段，并且已經(jīng)將行走路線傳回總部，但后方總部對傳回的數(shù)據(jù)并沒有完全理解，因此希望麥昆能夠?qū)⒌缆分匦逻M(jìn)行標(biāo)記并傳回。如果遇到道路被障礙阻斷的情況也及時(shí)傳回，由總部決定是否開啟清障工作。如果總部同意清障，麥昆將現(xiàn)場展開一場道路救援工作……請你幫助麥昆完成這些任務(wù)吧。

二、講授知識(shí)

1.MQTT協(xié)議

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊(duì)列遙測傳輸）是ISO標(biāo)準(zhǔn)下基于發(fā)布/訂閱范式的消息協(xié)議。該協(xié)議構(gòu)建于TCP/IP協(xié)議上，起初是為了硬件性能低下的遠(yuǎn)程設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)狀況欠佳情況而設(shè)計(jì)的。MQTT是一個(gè)基于客戶端、服務(wù)器的傳輸協(xié)議，具有輕量、簡單、開放和易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，因此適用范圍很廣，在物聯(lián)網(wǎng)、小型設(shè)備、移動(dòng)應(yīng)用等方面有較廣泛的應(yīng)用。

2.多種識(shí)別算法分析

本例中MU視覺識(shí)別傳感器綜合使用了3種識(shí)別算法，分別為交通卡片識(shí)別、數(shù)字卡片識(shí)別、形狀卡片識(shí)別。麥昆通過交通卡片來識(shí)別道路行駛信息;通過數(shù)字卡片來標(biāo)注道路信息;通過形狀卡片來模擬路況信息。

三、操作實(shí)踐

1.明確任務(wù)需求

師：本例中我們使用掌控板與麥昆通信，而兩者通信是通過SIoT物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的。其中麥昆利用MU視覺識(shí)別傳感器，通過Topic0將道路信息、行駛信息等上傳到SIoT物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器端，同時(shí)，掌控板也能接收到來自SIoT物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器端的數(shù)據(jù)，繼而在OLED屏上做出相應(yīng)的反饋;而路況信息則通過Topic1將數(shù)據(jù)上傳到SIoT物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器端，掌控板可以同步接收數(shù)據(jù)。另外掌控板也可以發(fā)送數(shù)據(jù)到SIoT物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器端，然后再傳回給麥昆。麥昆端接收到來自掌控板的數(shù)據(jù)后，做出相應(yīng)的反饋，從而實(shí)現(xiàn)在麥昆、SIoT、掌控板三者之間的雙向數(shù)據(jù)流，如圖1。

2.電路連接

將舵機(jī)、MU視覺識(shí)別傳感器、物聯(lián)網(wǎng)模塊與麥昆連接。

3.結(jié)構(gòu)搭建

在麥昆車體前端安裝兩個(gè)支撐銅柱;拿出前叉和前叉固定件，用螺絲安裝固定前叉總成;用螺絲將曲臂與舵盤固定;將舵機(jī)安裝固定在舵機(jī)槽位;將舵盤卡在舵機(jī)上;安裝其余的曲臂;安裝前叉機(jī)械臂;將前叉機(jī)械臂固定在麥昆車體前端的兩根銅柱上。

4.編程實(shí)踐

程序編寫包括兩部分：掌控板端程序和麥昆端程序。

（1）部署掌控板端編程環(huán)境

打開Mind+軟件，點(diǎn)擊“擴(kuò)展”，選擇“主控板”頁面，添加“掌控板”;完成上述步驟后，再切換到“網(wǎng)絡(luò)服務(wù)”，選擇并添加“MQTT”和“Wi-Fi”指令集。

（2）編寫掌控板端程序

掌控板端程序?qū)崿F(xiàn)的功能是數(shù)的發(fā)送和接收。編寫掌控板主程序，完成SIoT物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)參數(shù)設(shè)置，如圖2。

編寫接收行駛信息和道路信息的程序，如圖3。

編寫接收路況信息的程序，如圖4。

（3）部署麥昆端編程環(huán)境

點(diǎn)擊“擴(kuò)展”，選擇“套件”頁面，添加“micro：Maqueen（麥昆）”，將編程環(huán)境切換到Maqueen擴(kuò)展指令集，然后切換到“傳感器”模塊，選擇并添加“視覺識(shí)別攝像頭”。

（4）編寫麥昆端程序

編寫麥昆主程序并完成SIoT物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)參數(shù)設(shè)置（參看掌控板部分）;編寫道路狀況數(shù)據(jù)發(fā)送程序，如圖5;編寫道路清障數(shù)據(jù)發(fā)送程序，如圖6;最后編寫識(shí)別交通標(biāo)志程序及識(shí)別道路信息程序。

5.運(yùn)行測試

將麥昆和掌控板分別通電，進(jìn)行系統(tǒng)初始化，如圖7。掌控板通電后，在OLED屏上會(huì)依次顯示W(wǎng)i-Fi連接成功、MQTT連接成功等信息。打開瀏覽器，輸入地址，登錄SIoT服務(wù)器，設(shè)置相關(guān)參數(shù)。

四、拓展延伸

師：在同學(xué)們的幫助下，麥昆成功完成了總部交給的任務(wù)。但是我們發(fā)現(xiàn)麥昆車頭的前叉只有1個(gè)上下方向的自由度，你能否幫助麥昆改造機(jī)械結(jié)構(gòu)？增加1個(gè)左右方向的自由度，使其成為2個(gè)自由度的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

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)，為把學(xué)生培養(yǎng)成會(huì)科學(xué)探究、善技術(shù)實(shí)踐、有藝術(shù)品位、能工程創(chuàng)新的復(fù)合型人才奠定了基礎(chǔ)。