讓人工智能與物聯網在課堂相遇

王健 江蘇省常熟市滸浦高級中學

信息科技課程的內容建設與課堂實踐，正在一線如火如荼地開展，也涌現出很多好的規劃設計方案，如多條邏輯主線相互融合，以大單元設計通盤考慮等。本期解碼，我們走進一線課程設計，去共同發現課堂教學設計的亮點。

智能物聯網(artificial intelligence of things，AIoT)作為人工智能與物聯網技術相融合的產物，現已逐步擴大到教育領域。但AIoT相關技術在教育領域的研究仍處于初級階段，缺乏相應的內容設計。筆者結合所在學校省級科學工作室（機器人）中現有的教學與活動器材，嘗試在人工智能大概念下將物聯網、掌控板等技術裝備進行深度融合，開展有主題任務的項目式設計與初步實踐。

●實踐活動目標與分析

確立科技實踐活動中的全局規劃意識；在梳理器材的探究實踐中，進一步加深對人工智能模塊、物聯網模塊、掌控板的功能認知與運用；從圖形化編程到Python語言的環境遷移，培養計算思維能力；通過從基礎任務、進階任務到挑戰性任務的升級，以及成員間的協作交流，進一步提升數字化學習與創新能力；通過打造形式新穎的主題挑戰項目，感受新技術對現實生活與社會帶來的積極影響，進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網等技術深度融合設計的需要，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（熱點服務器及消息展示）、樂動掌控（物聯網模塊用于營救點）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視覺算法的運用，視覺循跡與轉向識別功能真正實現了循跡小車的智能化。

●實踐活動內容的構建

本實踐活動以人工智能大概念下的學習內容為依據，面向高中學生開設，遵循層次化學習的原則，以任務挑戰為策略進行實踐活動的內容構建。

筆者結合教學內容與學生實際，劃分了多個主題模塊開展實踐。引導各組學生（結合認知能力與綜合實踐能力的不同分組）從器材的基礎探究與體驗開始，逐漸進入進階任務與高階任務，最后選做終極挑戰的編程任務。各項具體的活動任務與主題模塊一一對應，如下頁圖1所示。

●實踐活動內容設計與實踐

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

1.項目主題的導入

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位學生（組內結合各自成員的實際進行合理的分工）。各小組學生利用掌握的人工智能機器視覺處理技術、物聯網技術等，搭建并編程調試各自的AI救援車進行偵測、語音反饋與智能控制，最終各小組嘗試完成指定任務，并進行項目展示與競賽。

2.前置學習與探究

各小組成員在開始本項目的學習時，首先需要了解器材的功能，并了解救援任務小車、塔臺物聯網服務器的搭建等，熟悉mPython編程環境。

在探索過程中，面對較復雜的人工智能算法，筆者通過展示與引導的學習方式讓學生加深印象。例如，視覺循跡攝像頭所使用的收集數據與選擇算法（如深度學習算法——CNN、RNN等），在識別偵測出物體后，將結果返回至物聯網平臺，通過物聯網協議發送特定指令指導AI救援車完成地圖內設定的相關任務，讓學生在實踐中進一步理解人工智能中深度學習的原理及運用。

3.項目活動的過程

（1）基礎探究與體驗（1課時）

學生活動：①各小組成員結合學習材料，明確項目主題、問題描述及所需完成的各項任務，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，下載并默認安裝，打開mPython軟件，對軟件界面的各項功能與結構進行初步探索。③各小組對主題任務進行問題分析，結合教師下發的基本學習材料，嘗試設計、搭建出本組的小車結構，并進行簡單測試，根據測試結果可多次調整其結構。

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

設計意圖：教師以項目主題為引領，激發學生積極性，以小組協作為組織方式，引導學生開展任務體驗與探究式學習。

（2）進階編程與運用（1課時）

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

圖2

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

設計意圖：教師以提供學習支架為依托，以實踐活動為載體，引導學生開展進階式編程探究，以問題解決為核心目標，體會人工智能與物聯網理論與實操之間的真實距離。

（3）高階編程與提升（1課時）

學生活動：①各小組如已完成進階任務，可以開始嘗試新的高階任務，當AI小車正常循跡到達樂動掌控所在的“災民被困點A”區域時，樂動掌控的LED燈帶亮起。②AI小車給物聯網塔臺1956發送到達的消息，發送成功后AI小車發出“嘀嘀嘀”的蜂鳴聲。③物聯網塔臺1956接收到消息后，在服務器屏幕上顯示“Turndon”，然后顯示“B”，給AI小車下達新的指令，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，繼續前進到達終點B，向物聯網塔臺1956發送“End”消息，塔臺接收并屏幕顯示，任務結束。

圖3

教師活動：引導各小組成員積極參與各對象模塊的程序設計，指出各小組在完成高階任務過程中面臨的問題，并對成功完成高階任務的小組進行表揚。

設計意圖：學生通過分析、建模、算法描述與編程調試的方式，完成高階任務，進一步加深對物聯網模塊的認知與應用。

（4）創新編程與挑戰（1課時）

學生活動：①任務一“當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任務二“當魔盒識別到泥石流二維碼時蜂鳴器發出聲音，板載RGB燈閃三次紅燈”。

圖4

教師活動：引導有能力的小組成員積極參與挑戰任務的程序設計，指出挑戰任務過程中面臨的問題（如何定位模式識別的自定義函數段等），并對成功完成挑戰任務的小組進行表揚。

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

（5）小組展示與小結（1課時）

制訂AI綜合救援任務挑戰的評價表，其中包含四個基礎任務（①完成AI救援車車體的搭建。②AI救援車經過路口時通過人工智能攝像頭進行路標識別，共計2個路標識別。③AI救援車駛往兩個被困點時LED燈帶亮起。④AI救援車成功駛入基地B，并向塔臺發送任務完成指令）和兩個挑戰任務，總計100分。

學生活動：①各小組完成第一次任務挑戰模擬測試，針對測試出現的各類問題做最后的調整。②各小組完成本次實踐活動的最終挑戰。③通過此次實踐活動，對本次主題活動的收獲進行總結。

教師活動：對所有的小組挑戰過程進行記錄并打分，評選出挑戰任務完成得最出色的三組隊伍。同時，采用多種評價手段，表揚所有參與挑戰任務的小組。

設計意圖：教師在最終的展示與評價環節中融合此前每項活動。學生總結出參與此次活動的真正收獲。

●實踐活動展望

筆者在指導此次活動過程中發現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完成度。②挑戰任務必須都要做出來嗎？有些小組在某一個任務上遇到挑戰，通過自身的分析與實踐，還是無法給出解決方案。筆者希望能讓學生明白，參與整個實踐的過程才是最重要的，當面臨的困難無法解決時，可以嘗試通過組間討論、教師指導、查閱資料等多種方式來解決。

人工智能(AI)和物聯網(IoT)相遇、融合，產生了人工智能物聯網(AIoT)。當前，AIoT的教學應用主要體現在創客、實訓等課堂活動中。筆者對人工智能與物聯網技術深度融合的探索也剛剛起步，希望通過教學內容的有效整合，夯實高中階段學生的基礎，提升學生的遷移能力，實現學生的長遠發展。