让人工智能与物联网在课堂相遇

王健 江苏省常熟市浒浦高级中学

信息科技课程的内容建设与课堂实践，正在一线如火如荼地开展，也涌现出很多好的规划设计方案，如多条逻辑主线相互融合，以大单元设计通盘考虑等。本期解码，我们走进一线课程设计，去共同发现课堂教学设计的亮点。

智能物联网(artificial intelligence of things，AIoT)作为人工智能与物联网技术相融合的产物，现已逐步扩大到教育领域。但AIoT相关技术在教育领域的研究仍处于初级阶段，缺乏相应的内容设计。笔者结合所在学校省级科学工作室（机器人）中现有的教学与活动器材，尝试在人工智能大概念下将物联网、掌控板等技术装备进行深度融合，开展有主题任务的项目式设计与初步实践。

●实践活动目标与分析

确立科技实践活动中的全局规划意识；在梳理器材的探究实践中，进一步加深对人工智能模块、物联网模块、掌控板的功能认知与运用；从图形化编程到Python语言的环境迁移，培养计算思维能力；通过从基础任务、进阶任务到挑战性任务的升级，以及成员间的协作交流，进一步提升数字化学习与创新能力；通过打造形式新颖的主题挑战项目，感受新技术对现实生活与社会带来的积极影响，进一步提升分析与解决问题的综合能力。

●实践活动使用的装备

考虑到人工智能与物联网等技术深度融合设计的需要，本项目所涉及的实验器材或装备较多，分别有AI摄像头、外置摄像头、开源硬件掌控魔盒、塔台1956（热点服务器及消息展示）、乐动掌控（物联网模块用于营救点）等。

编程软件：mPython是一款主要针对开源硬件编写程序而使用的编程开发软件。

器材选择：AI摄像头，搭配外置摄像头配合使用，从以往灰度传感器到AI视觉算法的运用，视觉循迹与转向识别功能真正实现了循迹小车的智能化。

●实践活动内容的构建

本实践活动以人工智能大概念下的学习内容为依据，面向高中学生开设，遵循层次化学习的原则，以任务挑战为策略进行实践活动的内容构建。

笔者结合教学内容与学生实际，划分了多个主题模块开展实践。引导各组学生（结合认知能力与综合实践能力的不同分组）从器材的基础探究与体验开始，逐渐进入进阶任务与高阶任务，最后选做终极挑战的编程任务。各项具体的活动任务与主题模块一一对应，如下页图1所示。

●实践活动内容设计与实践

笔者选取了小型信息系统的组建内容，将本次综合实践活动赋予了一个新的项目编程情境——AI综合救援任务挑战。

1.项目主题的导入

本项目主题模块的选题背景来源于极端天气下紧急救援行动的模拟。项目的实施对象为高中校本课程中选修人工智能课程的15位学生（组内结合各自成员的实际进行合理的分工）。各小组学生利用掌握的人工智能机器视觉处理技术、物联网技术等，搭建并编程调试各自的AI救援车进行侦测、语音反馈与智能控制，最终各小组尝试完成指定任务，并进行项目展示与竞赛。

2.前置学习与探究

各小组成员在开始本项目的学习时，首先需要了解器材的功能，并了解救援任务小车、塔台物联网服务器的搭建等，熟悉mPython编程环境。

在探索过程中，面对较复杂的人工智能算法，笔者通过展示与引导的学习方式让学生加深印象。例如，视觉循迹摄像头所使用的收集数据与选择算法（如深度学习算法——CNN、RNN等），在识别侦测出物体后，将结果返回至物联网平台，通过物联网协议发送特定指令指导AI救援车完成地图内设定的相关任务，让学生在实践中进一步理解人工智能中深度学习的原理及运用。

3.项目活动的过程

（1）基础探究与体验（1课时）

学生活动：①各小组成员结合学习材料，明确项目主题、问题描述及所需完成的各项任务，合理分工并了解各类元件及其功能，尝试搭建。②安装mPython软件，下载并默认安装，打开mPython软件，对软件界面的各项功能与结构进行初步探索。③各小组对主题任务进行问题分析，结合教师下发的基本学习材料，尝试设计、搭建出本组的小车结构，并进行简单测试，根据测试结果可多次调整其结构。

教师活动：明确项目主体，引导各小组成员积极参与各活动环节，指出各组搭建过程中出现的问题（舵机、AI摄像头与掌控魔盒的连接等），并完成任务地图上的道具搭建与位置摆放。

设计意图：教师以项目主题为引领，激发学生积极性，以小组协作为组织方式，引导学生开展任务体验与探究式学习。

（2）进阶编程与运用（1课时）

学生活动：①各小组在AI小车完成设计与搭建的基础上，在mPython软件中完成对舵机的正确初始化。②在mPython软件中使用教师提供的基础程序，完成对物联网塔台1956与营救点主控的程序刷入，并能成功启动1956 siot服务器（如下页图2）。③各小组完成首次测试。确认物联网塔台1956与营救点主控的开启，并将AI小车放置于地点，开机测试。④各小组观察AI小车的通联状态，包括AI摄像头能否正常循迹以及识别到转向标志物时的工作是否正常等，最终完成第一个进阶任务：如何在程序中修改小车的视觉循迹速度。

图2

教师活动：引导各小组成员积极参与活动的各环节，指出各组在进阶过程中出现的问题，并对成功完成首测的小组抛出小车如何提速等问题。

设计意图：教师以提供学习支架为依托，以实践活动为载体，引导学生开展进阶式编程探究，以问题解决为核心目标，体会人工智能与物联网理论与实操之间的真实距离。

（3）高阶编程与提升（1课时）

学生活动：①各小组如已完成进阶任务，可以开始尝试新的高阶任务，当AI小车正常循迹到达乐动掌控所在的“灾民被困点A”区域时，乐动掌控的LED灯带亮起。②AI小车给物联网塔台1956发送到达的消息，发送成功后AI小车发出“嘀嘀嘀”的蜂鸣声。③物联网塔台1956接收到消息后，在服务器屏幕上显示“Turndon”，然后显示“B”，给AI小车下达新的指令，如图3所示。④各AI小车收到新的指令后，切换成视觉循迹模式，继续前进到达终点B，向物联网塔台1956发送“End”消息，塔台接收并屏幕显示，任务结束。

图3

教师活动：引导各小组成员积极参与各对象模块的程序设计，指出各小组在完成高阶任务过程中面临的问题，并对成功完成高阶任务的小组进行表扬。

设计意图：学生通过分析、建模、算法描述与编程调试的方式，完成高阶任务，进一步加深对物联网模块的认知与应用。

（4）创新编程与挑战（1课时）

学生活动：①任务一“当魔盒切换到视觉循迹时，魔盒RGB灯亮绿灯，其他时候不亮灯”（如图4）。②任务二“当魔盒识别到泥石流二维码时蜂鸣器发出声音，板载RGB灯闪三次红灯”。

图4

教师活动：引导有能力的小组成员积极参与挑战任务的程序设计，指出挑战任务过程中面临的问题（如何定位模式识别的自定义函数段等），并对成功完成挑战任务的小组进行表扬。

设计意图：通过从图形化编程语言到Python语言的迁移，既考验学生程序设计语言的掌握程度，又对其思维能力、动手能力及协作能力提出了挑战。

（5）小组展示与小结（1课时）

制订AI综合救援任务挑战的评价表，其中包含四个基础任务（①完成AI救援车车体的搭建。②AI救援车经过路口时通过人工智能摄像头进行路标识别，共计2个路标识别。③AI救援车驶往两个被困点时LED灯带亮起。④AI救援车成功驶入基地B，并向塔台发送任务完成指令）和两个挑战任务，总计100分。

学生活动：①各小组完成第一次任务挑战模拟测试，针对测试出现的各类问题做最后的调整。②各小组完成本次实践活动的最终挑战。③通过此次实践活动，对本次主题活动的收获进行总结。

教师活动：对所有的小组挑战过程进行记录并打分，评选出挑战任务完成得最出色的三组队伍。同时，采用多种评价手段，表扬所有参与挑战任务的小组。

设计意图：教师在最终的展示与评价环节中融合此前每项活动。学生总结出参与此次活动的真正收获。

●实践活动展望

笔者在指导此次活动过程中发现了两个需要探讨的问题：①实践活动如何真正有效地实施分组？个别小组的分工不明，成员职责分配不均，造成小组合作的效率大打折扣，影响小组活动的任务完成度。②挑战任务必须都要做出来吗？有些小组在某一个任务上遇到挑战，通过自身的分析与实践，还是无法给出解决方案。笔者希望能让学生明白，参与整个实践的过程才是最重要的，当面临的困难无法解决时，可以尝试通过组间讨论、教师指导、查阅资料等多种方式来解决。

人工智能(AI)和物联网(IoT)相遇、融合，产生了人工智能物联网(AIoT)。当前，AIoT的教学应用主要体现在创客、实训等课堂活动中。笔者对人工智能与物联网技术深度融合的探索也刚刚起步，希望通过教学内容的有效整合，夯实高中阶段学生的基础，提升学生的迁移能力，实现学生的长远发展。