讓人工智能與物聯(lián)網(wǎng)在課堂相遇

王健 江蘇省常熟市滸浦高級中學(xué)

信息科技課程的內(nèi)容建設(shè)與課堂實踐，正在一線如火如荼地開展，也涌現(xiàn)出很多好的規(guī)劃設(shè)計方案，如多條邏輯主線相互融合，以大單元設(shè)計通盤考慮等。本期解碼，我們走進(jìn)一線課程設(shè)計，去共同發(fā)現(xiàn)課堂教學(xué)設(shè)計的亮點(diǎn)。

智能物聯(lián)網(wǎng)(artificial intelligence of things，AIoT)作為人工智能與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相融合的產(chǎn)物，現(xiàn)已逐步擴(kuò)大到教育領(lǐng)域。但AIoT相關(guān)技術(shù)在教育領(lǐng)域的研究仍處于初級階段，缺乏相應(yīng)的內(nèi)容設(shè)計。筆者結(jié)合所在學(xué)校省級科學(xué)工作室（機(jī)器人）中現(xiàn)有的教學(xué)與活動器材，嘗試在人工智能大概念下將物聯(lián)網(wǎng)、掌控板等技術(shù)裝備進(jìn)行深度融合，開展有主題任務(wù)的項目式設(shè)計與初步實踐。

●實踐活動目標(biāo)與分析

確立科技實踐活動中的全局規(guī)劃意識；在梳理器材的探究實踐中，進(jìn)一步加深對人工智能模塊、物聯(lián)網(wǎng)模塊、掌控板的功能認(rèn)知與運(yùn)用；從圖形化編程到Python語言的環(huán)境遷移，培養(yǎng)計算思維能力；通過從基礎(chǔ)任務(wù)、進(jìn)階任務(wù)到挑戰(zhàn)性任務(wù)的升級，以及成員間的協(xié)作交流，進(jìn)一步提升數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力；通過打造形式新穎的主題挑戰(zhàn)項目，感受新技術(shù)對現(xiàn)實生活與社會帶來的積極影響，進(jìn)一步提升分析與解決問題的綜合能力。

●實踐活動使用的裝備

考慮到人工智能與物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)深度融合設(shè)計的需要，本項目所涉及的實驗器材或裝備較多，分別有AI攝像頭、外置攝像頭、開源硬件掌控魔盒、塔臺1956（熱點(diǎn)服務(wù)器及消息展示）、樂動掌控（物聯(lián)網(wǎng)模塊用于營救點(diǎn)）等。

編程軟件：mPython是一款主要針對開源硬件編寫程序而使用的編程開發(fā)軟件。

器材選擇：AI攝像頭，搭配外置攝像頭配合使用，從以往灰度傳感器到AI視覺算法的運(yùn)用，視覺循跡與轉(zhuǎn)向識別功能真正實現(xiàn)了循跡小車的智能化。

●實踐活動內(nèi)容的構(gòu)建

本實踐活動以人工智能大概念下的學(xué)習(xí)內(nèi)容為依據(jù)，面向高中學(xué)生開設(shè)，遵循層次化學(xué)習(xí)的原則，以任務(wù)挑戰(zhàn)為策略進(jìn)行實踐活動的內(nèi)容構(gòu)建。

筆者結(jié)合教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生實際，劃分了多個主題模塊開展實踐。引導(dǎo)各組學(xué)生（結(jié)合認(rèn)知能力與綜合實踐能力的不同分組）從器材的基礎(chǔ)探究與體驗開始，逐漸進(jìn)入進(jìn)階任務(wù)與高階任務(wù)，最后選做終極挑戰(zhàn)的編程任務(wù)。各項具體的活動任務(wù)與主題模塊一一對應(yīng)，如下頁圖1所示。

●實踐活動內(nèi)容設(shè)計與實踐

筆者選取了小型信息系統(tǒng)的組建內(nèi)容，將本次綜合實踐活動賦予了一個新的項目編程情境——AI綜合救援任務(wù)挑戰(zhàn)。

1.項目主題的導(dǎo)入

本項目主題模塊的選題背景來源于極端天氣下緊急救援行動的模擬。項目的實施對象為高中校本課程中選修人工智能課程的15位學(xué)生（組內(nèi)結(jié)合各自成員的實際進(jìn)行合理的分工）。各小組學(xué)生利用掌握的人工智能機(jī)器視覺處理技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，搭建并編程調(diào)試各自的AI救援車進(jìn)行偵測、語音反饋與智能控制，最終各小組嘗試完成指定任務(wù)，并進(jìn)行項目展示與競賽。

2.前置學(xué)習(xí)與探究

各小組成員在開始本項目的學(xué)習(xí)時，首先需要了解器材的功能，并了解救援任務(wù)小車、塔臺物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器的搭建等，熟悉mPython編程環(huán)境。

在探索過程中，面對較復(fù)雜的人工智能算法，筆者通過展示與引導(dǎo)的學(xué)習(xí)方式讓學(xué)生加深印象。例如，視覺循跡攝像頭所使用的收集數(shù)據(jù)與選擇算法（如深度學(xué)習(xí)算法——CNN、RNN等），在識別偵測出物體后，將結(jié)果返回至物聯(lián)網(wǎng)平臺，通過物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議發(fā)送特定指令指導(dǎo)AI救援車完成地圖內(nèi)設(shè)定的相關(guān)任務(wù)，讓學(xué)生在實踐中進(jìn)一步理解人工智能中深度學(xué)習(xí)的原理及運(yùn)用。

3.項目活動的過程

（1）基礎(chǔ)探究與體驗（1課時）

學(xué)生活動：①各小組成員結(jié)合學(xué)習(xí)材料，明確項目主題、問題描述及所需完成的各項任務(wù)，合理分工并了解各類元件及其功能，嘗試搭建。②安裝mPython軟件，下載并默認(rèn)安裝，打開mPython軟件，對軟件界面的各項功能與結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步探索。③各小組對主題任務(wù)進(jìn)行問題分析，結(jié)合教師下發(fā)的基本學(xué)習(xí)材料，嘗試設(shè)計、搭建出本組的小車結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行簡單測試，根據(jù)測試結(jié)果可多次調(diào)整其結(jié)構(gòu)。

教師活動：明確項目主體，引導(dǎo)各小組成員積極參與各活動環(huán)節(jié)，指出各組搭建過程中出現(xiàn)的問題（舵機(jī)、AI攝像頭與掌控魔盒的連接等），并完成任務(wù)地圖上的道具搭建與位置擺放。

設(shè)計意圖：教師以項目主題為引領(lǐng)，激發(fā)學(xué)生積極性，以小組協(xié)作為組織方式，引導(dǎo)學(xué)生開展任務(wù)體驗與探究式學(xué)習(xí)。

（2）進(jìn)階編程與運(yùn)用（1課時）

學(xué)生活動：①各小組在AI小車完成設(shè)計與搭建的基礎(chǔ)上，在mPython軟件中完成對舵機(jī)的正確初始化。②在mPython軟件中使用教師提供的基礎(chǔ)程序，完成對物聯(lián)網(wǎng)塔臺1956與營救點(diǎn)主控的程序刷入，并能成功啟動1956 siot服務(wù)器（如下頁圖2）。③各小組完成首次測試。確認(rèn)物聯(lián)網(wǎng)塔臺1956與營救點(diǎn)主控的開啟，并將AI小車放置于地點(diǎn)，開機(jī)測試。④各小組觀察AI小車的通聯(lián)狀態(tài)，包括AI攝像頭能否正常循跡以及識別到轉(zhuǎn)向標(biāo)志物時的工作是否正常等，最終完成第一個進(jìn)階任務(wù)：如何在程序中修改小車的視覺循跡速度。

圖2

教師活動：引導(dǎo)各小組成員積極參與活動的各環(huán)節(jié)，指出各組在進(jìn)階過程中出現(xiàn)的問題，并對成功完成首測的小組拋出小車如何提速等問題。

設(shè)計意圖：教師以提供學(xué)習(xí)支架為依托，以實踐活動為載體，引導(dǎo)學(xué)生開展進(jìn)階式編程探究，以問題解決為核心目標(biāo)，體會人工智能與物聯(lián)網(wǎng)理論與實操之間的真實距離。

（3）高階編程與提升（1課時）

學(xué)生活動：①各小組如已完成進(jìn)階任務(wù)，可以開始嘗試新的高階任務(wù)，當(dāng)AI小車正常循跡到達(dá)樂動掌控所在的“災(zāi)民被困點(diǎn)A”區(qū)域時，樂動掌控的LED燈帶亮起。②AI小車給物聯(lián)網(wǎng)塔臺1956發(fā)送到達(dá)的消息，發(fā)送成功后AI小車發(fā)出“嘀嘀嘀”的蜂鳴聲。③物聯(lián)網(wǎng)塔臺1956接收到消息后，在服務(wù)器屏幕上顯示“Turndon”，然后顯示“B”，給AI小車下達(dá)新的指令，如圖3所示。④各AI小車收到新的指令后，切換成視覺循跡模式，繼續(xù)前進(jìn)到達(dá)終點(diǎn)B，向物聯(lián)網(wǎng)塔臺1956發(fā)送“End”消息，塔臺接收并屏幕顯示，任務(wù)結(jié)束。

圖3

教師活動：引導(dǎo)各小組成員積極參與各對象模塊的程序設(shè)計，指出各小組在完成高階任務(wù)過程中面臨的問題，并對成功完成高階任務(wù)的小組進(jìn)行表揚(yáng)。

設(shè)計意圖：學(xué)生通過分析、建模、算法描述與編程調(diào)試的方式，完成高階任務(wù)，進(jìn)一步加深對物聯(lián)網(wǎng)模塊的認(rèn)知與應(yīng)用。

（4）創(chuàng)新編程與挑戰(zhàn)（1課時）

學(xué)生活動：①任務(wù)一“當(dāng)魔盒切換到視覺循跡時，魔盒RGB燈亮綠燈，其他時候不亮燈”（如圖4）。②任務(wù)二“當(dāng)魔盒識別到泥石流二維碼時蜂鳴器發(fā)出聲音，板載RGB燈閃三次紅燈”。

圖4

教師活動：引導(dǎo)有能力的小組成員積極參與挑戰(zhàn)任務(wù)的程序設(shè)計，指出挑戰(zhàn)任務(wù)過程中面臨的問題（如何定位模式識別的自定義函數(shù)段等），并對成功完成挑戰(zhàn)任務(wù)的小組進(jìn)行表揚(yáng)。

設(shè)計意圖：通過從圖形化編程語言到Python語言的遷移，既考驗學(xué)生程序設(shè)計語言的掌握程度，又對其思維能力、動手能力及協(xié)作能力提出了挑戰(zhàn)。

（5）小組展示與小結(jié)（1課時）

制訂AI綜合救援任務(wù)挑戰(zhàn)的評價表，其中包含四個基礎(chǔ)任務(wù)（①完成AI救援車車體的搭建。②AI救援車經(jīng)過路口時通過人工智能攝像頭進(jìn)行路標(biāo)識別，共計2個路標(biāo)識別。③AI救援車駛往兩個被困點(diǎn)時LED燈帶亮起。④AI救援車成功駛?cè)牖谺，并向塔臺發(fā)送任務(wù)完成指令）和兩個挑戰(zhàn)任務(wù)，總計100分。

學(xué)生活動：①各小組完成第一次任務(wù)挑戰(zhàn)模擬測試，針對測試出現(xiàn)的各類問題做最后的調(diào)整。②各小組完成本次實踐活動的最終挑戰(zhàn)。③通過此次實踐活動，對本次主題活動的收獲進(jìn)行總結(jié)。

教師活動：對所有的小組挑戰(zhàn)過程進(jìn)行記錄并打分，評選出挑戰(zhàn)任務(wù)完成得最出色的三組隊伍。同時，采用多種評價手段，表揚(yáng)所有參與挑戰(zhàn)任務(wù)的小組。

設(shè)計意圖：教師在最終的展示與評價環(huán)節(jié)中融合此前每項活動。學(xué)生總結(jié)出參與此次活動的真正收獲。

●實踐活動展望

筆者在指導(dǎo)此次活動過程中發(fā)現(xiàn)了兩個需要探討的問題：①實踐活動如何真正有效地實施分組？個別小組的分工不明，成員職責(zé)分配不均，造成小組合作的效率大打折扣，影響小組活動的任務(wù)完成度。②挑戰(zhàn)任務(wù)必須都要做出來嗎？有些小組在某一個任務(wù)上遇到挑戰(zhàn)，通過自身的分析與實踐，還是無法給出解決方案。筆者希望能讓學(xué)生明白，參與整個實踐的過程才是最重要的，當(dāng)面臨的困難無法解決時，可以嘗試通過組間討論、教師指導(dǎo)、查閱資料等多種方式來解決。

人工智能(AI)和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)相遇、融合，產(chǎn)生了人工智能物聯(lián)網(wǎng)(AIoT)。當(dāng)前，AIoT的教學(xué)應(yīng)用主要體現(xiàn)在創(chuàng)客、實訓(xùn)等課堂活動中。筆者對人工智能與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深度融合的探索也剛剛起步，希望通過教學(xué)內(nèi)容的有效整合，夯實高中階段學(xué)生的基礎(chǔ)，提升學(xué)生的遷移能力，實現(xiàn)學(xué)生的長遠(yuǎn)發(fā)展。