中学OpenMV人工智能特色STEM校本课程开发与实施

杨瀚盛

（广东省广州市番禺区实验中学，广东广州 510000）

引 言

近年来，人工智能技术蓬勃发展，人工智能已成各国竞争的新领域，而人才将是这场竞争的关键。2018年教育部印发的《教育信息化2.0 行动计划》提出，要完善课程方案和课程标准，充实适应信息时代、智能时代发展需要的人工智能和编程课程内容，推动落实各级各类学校的信息技术课程，并将信息技术纳入初、高中学业水平考试[1]。可见，在中学阶段开设人工智能课程、开展人工智能教育势在必行，对我国人工智能人才培养有重大意义。

一、课程开发的背景

（一）STEM 教育在世界范围内兴起

进入21世纪，科技创新不断推动人类文明的进步，越来越多的国家意识到创新人才培养的重要性，并开始重视STEM 教育。2016年教育部印发的《教育信息化“十三五”规划》中要求，有条件的地区要积极探索信息技术在“众创空间”、跨学科学习（STEAM 教育）、创客教育等新的教育模式中的应用[2]。

（二）《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》的实施

《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》（以下简称《新课标》）中必修模块1《数据与计算》、选择性必修模块4《人工智能初步》、选择性必修模块6《开源硬件项目设计》及选修模块1《算法初步》等均是对上述“行动计划”“‘十三五’规划”的推进与落实。《新课标》的实施给广大一线高中信息技术教师带来了新的机遇与挑战。如何更好地开展《新课标》下高中信息技术课程是高中信息技术教师下一阶段的工作重点。

二、课程开发的意义与目标

OpenMV 是一套简单易用的、开源的、基于Python 语言的嵌入式计算机视觉架构，它在一块小巧的硬件模块上提供了丰富的引脚接口及Python 编程接口。OpenMV 在人工智能技术方面的易用性与极低的入门门槛，使得其与其他众多人工智能框架、开源项目相比更适合中学生。随着时代的发展，我们对学生的要求也应发生转变，因此学校课程也不能一成不变，科学合理的课程开发应与时俱进[3]。于是，我们便有了尝试在我校开发一门行之有效的、基于OpenMV 的、以人工智能为特色的STEM 课程的想法。

这一新的课程，能让学生熟练掌握人工智能首选语言——Python 语言，掌握如何使用Python 语言调用OpenMV 视觉函数，掌握如何使用Python 语言驱动OpenMV 硬件运作；让学生体验计算机如何识别图像中的目标，理解计算机视觉实现的基本机理，了解人工智能实现的简单原理；让学生能够综合运用所学知识，并对知识进行合理整合、重构，学会把编程语言、计算机视觉、3D 打印、硬件驱动等多方面的科学、技术、工程知识结合起来，最终完成诸如追踪小球、物品分拣，甚至解魔方机器人等项目。在此过程中，学生的创新意识、实践能力得到充分的锻炼。

三、课程框架与内容

根据OpenMV、STEM 教育的特点及对课程目标的分析，按照由浅入深、从基础到项目应用的课程设计路线图，我们把课程分成4 个主要模块，即语言篇、硬件篇、计算机视觉篇及项目实践篇（见表1）。课程共28 个课时（其中8 个课时在信息技术课完成），每周1 个课时，安排在一个学期内完成。

表1 课程模块分析表

（一）语言篇

本模块涵盖了程序设计三大结构及Python 语法等内容。它是本课程的基础，是后续3 个模块的前导知识。当然，本模块活动的开展还有一个很重要的目的：它充分体现了《新课标》对学生计算思维能力的要求，以培养学生计算思维、程序设计能力为主要目的。另外，因为本模块内容与信息技术课程中程序设计相关知识内容重叠，所以要求学生在信息技术课堂上完成本模块的学习。

（二）硬件篇

OpenMV 的核心是一块意法半导体的STM32 芯片，它在OpenMV 板上提供了10 个可复用IO 接口，1 个SPI 总线、1个I2C 总线，1 个串口总线，12 位数模、模数接口各1 个，还有3 个I/O 引脚可用于舵机控制。

按照由浅入深的原则，本模块的内容被划分成了三个部分：（1）入门——学生将首先了解OpenMV 的基本功能、常用接口介绍；（2）进阶——学习数字IO 接口，结和Python语言调用Pin 类的函数方法，实现数字接口的输入与输出，在此基础上做一些如按键开关灯等小实验；（3）提高——学生将完成两个实验：编程调用Pin 类+OpenMV 电机扩展板驱动小车运动、调用Servo 类+舵机实现2 轴云台转动。通过开展实验活动，学生不仅掌握了OpenMV 的硬件使用方法，还激发了对OpenMV 课程的学习兴趣，提高了创客精神与动手实践能力。

（三）计算机视觉篇

与其他开源架构相比，OpenMV 最大的特色是在主板上提供了一个摄像头，实现了计算机视觉算法。因此，本模块以计算机视觉为方向的人工智能学习是课程的最大特色与亮点。

本模块开篇以人工智能发展现状、趋势导入，从计算机视觉原理开始，逐步向学生展示OpenMV 的魅力所在：图像绘制、颜色识别、颜色追踪、直线检测、线段检测、形状识别、形状追踪、边缘检测、关键点检测、数字识别、二维码读取、人脸检测、人脸追踪、瞳孔检测、模板匹配、特征点检测……OpenMV的开发参考了大名鼎鼎的OpenCV视觉库，它把很多OpenCV 中专业的算法封装起来。因此，学生可以在不需要掌握计算机图像专业算法的情况下，用Python 调用OpenMV 的计算机视觉库函数，实现上述大量图像识别内容。学生在完成本模块内容学习后，能够对人工智能技术有初步的了解，掌握基本的计算机视觉处理方法，从而为日后更深入地学习人工智能技术打下基础。

（四）项目实践篇

通过前面的学习，学生已具备一定的知识技能，能够在教师的引导下独立完成简单的任务。在此基础上，本模块要求学生把所学知识进行整合，可以结合OpenMV 官方提供的如LCD 显示屏扩展板、电机扩展板、PWM 舵机扩展板、IMU 姿态传感器扩展板、ToF 光学测距扩展板等模块进行合理的项目开发。本模块充分体现了STEM 教育理念，以培养学生分析问题、解决问题的能力，知识综合运用能力，实践能力，协作能力，探究精神，创新思维为主要目的。

四、课程实施策略

（一）通过项目式学习培养学生综合实践能力和创新能力

项目式学习是STEM 教育的一大法宝。基于OpenMV 的STEM 课程，以信息技术程序设计为基础，在进行项目实践过程中还需要融合大量科学、技术、工程领域的知识，它强调培养学生的问题解决能力、实践能力与创新精神。项目式学习主要包括项目情景导入、分析问题、制订解决方案、项目开展与实施、交流总结几个环节。在情景导入环节，教师可围绕项目的核心问题创设情境，激发学生的学习兴趣，帮助学生理解问题；在分析问题环节，学生可运用现有知识分析问题，把握问题的核心，培养自身分析问题的能力；在制订解决方案环节，学生可根据问题核心提出解决问题的策略和方法，培养自身问题求解的能力；在项目实施环节，学生可在教师的引导下按照设计方案实施项目，培养自身协作能力、实践能力、探究精神与创新精神；最后，在交流与总结环节，学生可以以小组为单位进行项目经验交流与总结，培养自身语言表达能力、归纳总结能力。

（二）基于Moodle 的过程性活动记录

在STEM 课程学习过程中，学生需要掌握Python、硬件、计算机视觉等多学科知识。由于该课程涉及知识面广，知识点较多而且相对零散，学生对知识的遗忘率比较高。尤其在项目实践阶段完成较复杂的任务时，学生往往需要查阅课程资料、查看课程活动记录，以帮助提高学习效率，加快项目开发进度。为此，我们引入了Moodle 在线课程管理系统。Moodle 提供了丰富的课程活动，如论坛、测验、资源、投票、问卷调查、作业、聊天室、博客等。通过这些丰富的活动，学生可以记录下完整的学习过程。同时，Moodle 强调学习过程中学生的互动、交流与协作，要求生生之间、师生之间共同探索，合作解决问题[4]。这与STEM 项目式学习理念不谋而合。

结 语

总之，学校应把国家大力倡导发展的“人工智能技术”与能培养学生创新能力的STEM 教育有效地整合成一门实用的、易学的、可操作性极强的课程，利用OpenMV 在人工智能技术方面的易用性与极低的入门门槛，使用“人工智能语言”Python，以极其丰富的硬件接口开发出一门全新的STEM课程。在当前国内几乎找不到在中学阶段开展以研究人工智能技术、培养学生创新能力为核心的STEM 课程的情况下，这门课程的开发显得弥足珍贵。因此，作为中学STEM 教育的一线教师，我们应努力提高自身素养，继续完善与丰富课程内容，为国家培养新一代人工智能人才与创新思维人才贡献自己的力量。