“麦昆成长记”STEAM教育系列课程——麦昆识路

教学背景

教育部《教育信息化“十三五”规划》中明确提出要探索STEAM教育、创客教育等创新教育模式。在此背景下，笔者以麦昆机器人成长学习过程中遇到的问题为主线，以问题解决为导向，以激发学生创新意识为目标，将传统制造技艺、开源与人工智能技术、创客思维和STEAM教育理念相结合，兼顾并协调学生科学素养、人文精神和艺术涵养的发展。

本课的教学对象宜为小学高年级和初中学生。他们的认知发展正处于由具体运算阶段（7～12岁）向形式运算阶段（12～15岁）过渡时期，借助具体的硬件支持（麦昆机器人及其周边开源的软硬件器材）可以系统地学习科学原理和数学规则，启发概括能力，逐步掌握逻辑推理、归纳或演绎能力。

教学目标

1.了解交通标志的历史，识别交通标志并理解其含义。

2.利用MU视觉识别传感器识别交通卡片。

3.利用物联网模块将识别的交通信息上传到SIoT物联网平台。

STEAM视野

科学：道路上的交通标志。

技术：视觉识别、物联网。

工程：数据通信。

教学准备

麦昆机器人套件、micro：bit控制板、MU視觉识别传感器、物联网模块各1件，铜柱、螺丝若干。

教学过程

一、情境导入

师：麦昆和小伙伴们来到了一片无人经过的路段，要想通过这一无人路段只能依靠识别路段上摆放的交通标志指示牌。为了保证大家安全通行，麦昆决定先去探路，并通过SIoT物联网平台及时将行走的路线传送给其他小伙伴。但是麦昆对道路交通标志并不熟悉，你们有办法帮助麦昆吗？

学生思考并回答：可以借助视觉识别技术给麦昆添加交通卡片识别功能。

二、讲授知识

1.了解交通标志的历史

据记载，早在中国周朝就有了“列树以表道”的制度，即在道路两旁种植行道树。在国外，古罗马时期，从罗马到加普亚的军用大道上就设有里程碑和指路牌。

然而多数人还是认为现代道路交通标志起源于英国。1879年12月，参加自行车联盟的英国地方组织塞克林格俱乐部，在通往山区的道路上，用油漆在铁板上写了一个预告危险的交通标志“到塞克利斯特——这个山丘危险”。这个预告标志成为有史以来文字记载的最早的道路交通标志。

2.认识交通标志

交通标志，是指用文字或符号传递引导、限制、警告或指示信息的道路设施，又称道路标志或道路交通标志。

道路交通标志分为主标志和辅助标志两大类。主标志又分为指示标志、指路标志、警告标志、禁令标志、旅游区标志和道路施工安全标志这6种。而我们今天主要学习的是道路指示标志，用以指示车辆和行人按规定方向、地点行驶。

三、操作实践

1.明确任务需求

师：麦昆在没有检测到交通指示牌时，会在地图上直行，这时可利用巡线传感器进行判断。当左边的传感器检测到黑线时，向右侧转向;当右边的传感器检测到黑线时，向左侧转向;当左右两个传感器都检测到黑线时，小车停止。我们还可以将识别交通卡片的过程定义为一个函数，让函数实现功能——MU视觉识别传感器检测到不同的标志牌，小车执行相应的动作。

本例中，我们计划使用MU视觉识别传感器识别的交通卡片为掉头、右转、左转、停止，如图1。

2.电路连接

将MU视觉识别传感器的4根线与I2C进行连接，SDA（蓝色）—SDA，SCL（绿色）—SCL，GND（黑色）—负极，VCC（红色）—正极;物联网模块与麦昆车体P1、P2进行连接，T（绿色）—P1，R（蓝色）—P2，VCC（红色）—正极，GND（黑色）—负极。

3.结构搭建

（1）制作指示牌

第一步：准备两个黑色燕尾夹和交通卡片，制作交通指示牌。

第二步：将两个黑色燕尾夹分别夹在交通卡片的左右两侧，将卡片竖立起来，如图2。

（2）布置场地

将左转、右转、掉头、停止等交通指示牌放置在场地中合适位置，如图3。

4.编程实践

第一步：编程环境部署。打开Mind+软件，添加“micro：Maqueen（麦昆）”套件模块;然后切换到传感器模块，选择并添加“视觉识别摄像头”;切换到通信模块，选择并添加“OBLOQ物联模块”。

第二步：编写主程序。主程序应该包括两部分，一部分是对交通卡片的识别程序，如图4;另一部分是巡线处理程序，如图5。

5.运行测试

将麦昆小车放到场地起点处，打开电源后，重启micro：bit控制板（MU视觉识别算法启动要等待一段时间）。等到物联网模块指示灯变成绿色后，小车前进并完成后续动作。收集到的数据如图6所示。

四、拓展延伸

师：本例中，我们使用MU视觉识别传感器识别交通卡片，结合SIoT物联网技术，将麦昆在行驶中遇到的交通标志信息上传到物联网平台。在麦昆小车行走过程中，我们还使用了巡线传感器，你能否修改程序，使得麦昆通过MU视觉识别传感器识别道路两边的黑线和交通卡片完成探路，并将完整行驶路线数据上传？

学生思考并操作实践。

教学反思

本课以STEAM教育理念为指导，倡导跨学科的STEAM学习方式，将科学、技术、工程、艺术和数学有机融为一体，提升了学习的趣味性，让学生在学中玩、在玩中学、在玩中创。课例将人工智能与物联网结合，通过AIoT解决现实生活中的具体问题，帮助学生树立工程与艺术的优化、提升和权衡的意识，在面向真实问题、理性分析设计、物化问题解决方案的过程中，让学生学会讲原则、守伦理、敢创新，充分应对未来世界的挑战。

陈杰 南京师范大学附属中学树人学校信息技术高级教师，中国电子学会会员，江苏省计算机学会会员，江苏省科普作家学会会员、《无线电》杂志项目与制作专栏作者。致力于创客教育、STEAM教育研究，出版创客类图书3本。所带学生在各级各类创客大赛、创新大赛中成绩优异。