语音控制废弃口罩专用箱

设计依据

人工智能（AI），是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。2017年国务院印发《新一代人工智能发展规划》，提出实施全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育，支持开展人工智能竞赛，鼓励进行形式多样的人工智能科普创作。本课利用中望公司最新研发的3D One AI软件，设计语音控制废弃口罩专用箱，体现了在创客教育和STEM素养的指引下，信息技术课程结合人工智能实现的“智造”，更具开放性、综合性和独创性。

课例特色

特色1：基于问题的情境，启发学生的探究学习

基于PBL模式，确定项目探究学习流程：提出问题—启智引导、发散思维—小组讨论—分析可行性—实体建模—编程调试运行—反复实践—完善项目。学生在参与实践过程中，体验参与的快乐，获得解决问题的成就感。

问题1：当防疫成为一种常态时，身边的这个废弃口罩专用箱设计合理吗？不合理体现在哪里？（预埋PBL中的项目需求问题）

问题2：该如何改进？（启智引导：怎么改进专用箱的作用及功能？）

问题3：模型该如何设计？（工程设计、融合多学科）

问题4：用什么技术实现你的目标？（3D One和3D One AI等多种技术融合）

特色2：基于项目的开发，拓展学生的创新思维

通过项目的分析、建模、AI设计到实现“美观实用、智能防疫”的项目目标，学生经历了小组合作、任务驱动、自主探究一系列探究学习以及解决问题的过程。在学习环节整合了数学（规划尺寸）与美术、艺术（画草图）、工程学科、信息技术（三维模型设计、3D One AI编程），是STEM教育强而有力的应用，通过一系统的探究活动，拓展了学生的创新思维。

特色3：基于AI+STEM融合，提升学生的综合素养

实践过程中，学生从不同层面、不同角度分析问题，自主探究解决问题的策略，培养了团队协作能力和问题解决能力、实践能力，提高了创新思维能力，提升了综合素养。

教学目标

核心素养目标 《小学信息技术课程标准》要求信息技术课程以信息素养的培养为核心，为学生适应信息化生活、走向现代化和终身化学习发展之路奠定坚实基础，注重学生信息知识与能力的主动建构，将信息有效内化，培养学生的创新能力与实践能力，体现“以学生发展为本”的素质教育理念。

本课PBL目标 当防疫变为一种常态时，我们群策群力控制各种传染源，隔离病毒。目前生活中的废弃口罩专用箱存在防疫弊端，需要用手才能打开，可能会传染病毒。所以，我们设计了一款改进型的用语音控制的废弃口罩专用箱，直接语音控制“开门”和“关门”，避免双手直接触碰，有效隔离病毒。

教学过程

一、PBL项目导入，明确学习目标

教师提问：当防疫成为一种常态时，我们身边的这些废弃口罩专用箱设计合理吗？不合理在什么地方？该如何改进使它变得合理？（启智——发散思维：学生观察思考并交流）

教师引导：该项目的作用是什么？如何能做到不用手触碰箱体？为什么要设计成箱体？（明智——可见思维：内部必须是空的才能放置物体，箱体还可以防止病毒散发污染气体）

教师提问：它的模型该如何设计？用什么技术能实现实体建模？

（明智——多维思维：画草图—定尺寸—建模设计可行性分析—定材质）

二、3D One建模设计箱体

通过整体规划设计，定制实体尺寸，用3D one软件建模设计专用箱实体。箱体包括：能开关闭合的门，能盛放废弃物的空间，有预留清理工作的顶盖，框架模型如图1。

三、用3D One AI 编程实现人工智能语音控制

中望公司2020年5月最新研发了3D One AI，是在原有的3D One软件基础上整合了AI部分，融三维创新设计、人工智能、开源硬件、编程等多种技术于一体，能辅助学校开展人工智能教育和STEM教育。

专用箱体建模完毕后，进入3D One AI进行全局属性、物理属性、关节的设置，接着进入AI程序设计环节。

1.程序设计之模块选择

程序设计第一步是模块的选择，如果“语音识别结果”为“开门”，那么程序执行时，“门”要有确定的角速度方向及旋转速度，这时就需要用到旋转速度程序模块和角速度方向程序模块。学生在调试程序时，若发现开门方向错误或者门的旋转速度不理想，可以修改角速度方向及旋转速度。

2.程序设计之控制器编程

选择模块的同时，进行控制器模块编程设计。例如：如果“语音识别结果”为“开门”，那么程序执行自动开门的语句。利用循环语句实现“门”在语音提示发出后，自动打开的动作，并设置适当的等待时间，让“开门”的动作实现视觉上的停留，如图2。

同理，如果“语音识别结果”为“关门”，那么程序执行自动关门的语句，如图3。

3.程序设计之触发机制

引导学生思考：麦克风和话筒等硬件一直处于启动状态，等待运行时浪费电也损耗设备，怎么办？

为了减少电耗与材耗，我们可以在程序中加入触发控制模块，比如可以设置“键盘a”“按下”时，开始执行所有的程序，启动设备，减少耗损，如图4。

4.启动仿真

编程完毕，进入仿真环境调试运行程序，启动“电脑麦克风”和“语音识别”程序，单击“启动仿真”，如图5，程序开始运行。

不断地调试运行程序、修改参数、优化程序，直到语音控制专用箱“门”开与关的功能趋于理想状态。从3D One AI程序进入仿真循环界面模拟智能“开门”或“关门”效果，“开门”效果如图6。

实践反思

本课程从生活实際出发，以人为本，整合科学、数学、美术、艺术、工程、信息等相关课程，利用多学科融合、多技术结合，解决生活中的情境问题，引导学生进行深层次思考。学生经历了结构分析、建模设计、编程调试、AI智能仿真等一系列探究实践活动，养成了循序渐进地建构知识地图的习惯。学生自主探究，解决问题，最终达成项目目标，实现了创造性学习。

创新是人的实践行为，是用现有的知识和物质，在特定的环境中改进旧事物或创造新事物。在创意“智造”的过程中，我们要不断地改变观念，不断地学习与反思，不断地实践与创新，遵守客观规律和伦理道德，以人为本，以德为先，创造发明对社会有用的产品，构建“立德树人”的创新教育理念，培养对国家有用的复合型创新人才。

本课例的教学设计从“创意智造”理念出发，但是在仿真模拟阶段遇到了一些问题，在进行语音控制实现“开门”“关门”功能模拟演示时，“门”无法停下来，一直在不断地“开”“关”。相关技术工程师表示，这是因为在3D One AI仿真环境中无法实现门“插销”的功能。未来，我将打印模型、组装各模块并添加元件进行实践，在生活实践中解决这个问题。

张小珍 江苏省南京市古平岗小学信息技术教师，南京市鼓楼区信息技术学科带头人，曾获南京市“师德先进个人”、鼓楼区“能手教师”“新秀教师”等荣誉称号;参与鼓楼“E学校”在线课堂网络公开课录课，多次获南京市网络文明夏令营“优秀辅导员”称号。在全国中小学教师三维设计教学设计大赛中，作品《献给抗疫英雄的礼物》获中望杯三等奖;多篇论文获奖与发表，多次赛课获奖。i3DOne青少年三维创意社区“优秀创客导师”，全国OMMC线上创客马拉松“优秀科技辅导员”;辅导的学生多次参赛获奖，2020年6月辅导学生在iHopeSpace双足机器人挑战赛中双夺冠，获金奖和最佳人气奖。