高中信息技术 STEAM实验探究之智能家居的秘密 教学设计

STEAM实验探究之智能家居的秘密
一、教学背景
2021年9月入学的学生将会使用信息技术新教材，不管是初中还是高中，各个版本新教材的绝大部分采用的编程语言都是Python，同时Python是当之无愧的人工智能第一编程语言。学生日常使用的Arduino、micro:bit和掌控板等开源硬件，因为其采用的芯片不同，其支持的编程语言和编程工具也各自不同，有的是Scratch,有的是Mind+等图形化编程工具。因此，有没有一种统一的编程语言，用统一的编程规范来控制不同的开源硬件？
同时，人工智能作为老教材、新教材各个版本的都有的教学内容，日常的教学老师们总是不敢轻易尝试，学生们觉得很高大上，大部分的教学都停留在理论知识上，把重心放在了各种智能软件的应用上，使得这部分教学总是不那么接地气，缺乏具体动手探究实践的机会。
1.老教材：原来使用的粤教版的教材第四章第二节用智能工具处理信息教材中安排了手写输入、光学字符识别、自然语言对话、机器翻译等活动，这部分的教学重在学生们对软件的操作方面，对知识点的学习停留在理论阶段，缺乏形象、直观的实验探究；
2.新教材：2021年9月普及的新教材人教中图版信息技术必修1《数据与计算》第4章走进智能时代教材P132页中，安排了与智能机器人对话，注册微信公众号，分析智能班级交互系统数据等活动，对人工智能概念和特征都非常抽象，这种教学内容的安排重在智能软件的应用上来体验人工智能，很难让学生真正理解。
图1 新教材第4章走进智能时代教材P132内容
基于以上原因，作者想要设计关于人工智能的实验教学，既可以很好补充教学内容，将理论教学付诸实践，又可以使实验教学作品具有现实意义，让学生从实验中深刻体会人工智能及其应用，从而举一反三。
因此，笔者基于原来粤教版的教材《信息技术基础》第四章第二节用智能工具处理信息和新教材人教中图版信息技术必修1《数据与计算》第4章走进智能时代教材的内容基础上，基于Python编程语言设计了本实验——STEAM实验探究之智能家居的秘密。
二、教学目标
1.认识人工智能及其基本原理（人脸识别、自然语言、深度学习）
2.通过实验探究，理解和物化智能家居作品（百度AI、心知天气、远程控制）
3.形成以信息技术学科方法观察事物和问题解决的能力，提升计算思维与创新能力。
3、创新实验器材介绍
（1）硬件方面
1.家居模型
2.开源硬件
表1 实验器材准备
材料名称 数量 备注
Arduino主控板、扩展板 1套 主控
掌控板、拓展板 1套 主控
虚谷号、拓展版 1套 主控
LED灯 1个
舵机 3个 驱动
按钮 1个
蜂鸣器 1个 提醒功能
HuskyLens识图 1个 图像识别
语音识别、语音合成模块 1个 语音识别
充电宝 1个 供电
连接线 1个
（二）软件方面
1.Mind+、mython
2.心知天气、百度AI、讯飞语音
表2 网页密钥
1 心知天气 公钥PPUNMDqDPD9AvCwnK 私钥SqNNK7nV0VP3VLfqE
2 百度智能云 API KeyZEH1pcpyfGrmCuGhkvNWgR1O Secret KeyXyifO41hKOEzsHjLcGYgXUxDydGEzjT9
3 讯飞语音 APIKey41b317bb52a1ebdca2dd5a82ef60900f APISecretZjU4YjA5NzdhYjQyNTk2NmYwYzliNDIy
四、创新实验原理和设计思路
《智能家居》实验主要融合新教材人教中图版必修1人教中图版信息技术新教材必修1《数据与计算》第4章走进智能时代、选择性必修4《人工智能初步》和选择性必修《开源硬件项目设计》部分内容设计的教学实验项目。
（一）实验原理
1.深度神经网络
深度神经网络就是日常说的深度学习，研究计算机怎样模拟或实现人类的学习行为，以获取新的知识或技能，重新组织已有的知识结构使之不断改善自身的性能。深度学习是近年机器学习领域发展最快的分支之一，大致分为卷积神经网络、AutoEncoder、循环神经网络 RNN、网络表示学习与图神经网络（GNN ）、增强学习、生成对抗网络等不同方向与应用。
2.计算机视觉
计算机视觉（computer vision）是分析、研究让计算机智能化的达到类似人类的双眼“看”的一门研究科学，它利用摄像机以及电脑替代人眼使得计算机拥有人类的双眼所具有的分割、分类、识别、跟踪、判别决策等功能。如人脸识别技术是基于人的面部特征信息进行身份识别的一种生物识别技术。使用摄像头或者摄像机采集含有人脸的图像或视频，自动检测图像信息和跟踪人脸，对检测到的人脸进行脸部的一系列相关分析技术。
3.自然语言处理
自然语言处理，是指用计算机对自然语言的形、音、义等信息进行处理，即对字、词、句、篇章的输入、输出、识别、分析、理解、生成等的操作和加工。自然语言处理的具体表现形式包括机器翻译、文本摘要、文本分类、文本校对、信息抽取、语音合成、语音识别等。其中语音识别是让机器识别和理解说话人语音信号内容的新兴学科，目的是将语音信号转变为文本字符或者命令的智能技术，利用计算机理解讲话人的语义内容，使其听懂人类的语音，从而判断说话人的意图，是一种非常自然和有效的人机交流方式。
4.开源硬件
开源硬件指与自由及开放原始码软件相同方式设计的计算机和电子硬件。常见的开源硬件有Arduino、micro:bit、掌控板、虚谷号等。包括开源硬件核心板的设计、扩展板和周边模块的设计以及具体的开源硬件项目。
5.Python编程
Python是一种结合了解释性、编译性、互动性和面向对象的脚本语言, 拥有极其丰富的Python库, 由于其代码语言易于理解, 操作灵活, 使其在许多领域得到广泛应用, 近几年流行的数据挖掘、科学计算、人工智能以及区块链技术等领域, 都可以看到Python的身影。目前，几乎所有的高中信息技术新教材都使用了Python语言替代原有的VB语言,甚至在个别省份将Python语言设置为高考内容。
（二）设计思路
基于同学们熟悉的真实的应用场景——智能家居为主题开展试验教学，让学生们有话可说，激发学生兴趣，主要有以下几个环节。
1.创意设计——确定主题，以设计思维的理念构思智能家居功能如图2。
图2 智能家居功能图
2.选择硬件——开源硬件，如图3。
图3 开源硬件
3.技术路线——算法实现，从mind+图形化软件到mpython,再到Python教学，跳过编程技术细节，比如大量的语法学习。
图4 编程技术路线
4.作品成型——激光造物：通过LaserMaker软件设计外观结构件并进行激光切割。
5.实验教学——项目教学法。本实验采用项目教学实验法，采用大项目结合微项目的思路进行教学，每个项目具体包括学习目标、项目背景、项目任务、项目准备、项目实施、项目评价、项目拓展等内容。每个项目都有相应的学习目标呈现，项目背景是基于学生日常生活中经常出现的现象来设计的，如出门总是忘记带钥匙，出门了才想起家里灯没关，出门了才发现突然下雨了，家里晒的衣服还没有收回等等。项目准备环节包含团队的准备、知识的准备以及材料准备；项目实施包含问题聚焦、实践调试、改进完善环节；项目分享提供机会给学生们相互切磋，思维碰撞；项目评价包含量规评价、反思评价、知识测试等全方位进行评价；项目拓展环节学生们对本次项目进行进一步的思考与拓展，学会迁移。
图5 项目实验教学内容框架
6.附件——项目学习内容，详细请见附件。
表3 微项目实验教学列表
项目一 用Python驱动开源硬件之PingPong库
项目二 智能晾衣架
项目三 远程遥控灯
项目四 智能门禁
项目五 智能天气播报
项目六 小玉语音交互系统
其他 如激光造物、模型搭建、装饰防盗系统、自动开灯、自动换气、彩灯装饰、疫情查询等
五、教学评价
本次实验教学作为充满了实践性的课程，教师应该从不同的角度来评价学生的实验成果，不能只局限于一种角度。要做到过程与结果的结合，共性与个性的结合，还要从多个角度、多个维度予以评价，这样才能得到可靠、真实的评价结果。具体如下：
（一）过程性评价与终结性评价相结合
过程性评价包括学生在实验探究学习过程中分析任务、运用已有知识完成任务、制定任务完成方案、彼此沟通交流能力、合作搭建、发现和解决问题的能力、反思能力等方面的情况，整个评价着眼于整个项目过程。
终结性评价就是客观地根据智能家居项目主题评价实验教学后的最终的物化成果以及相关的一些客观测试题目，测试同学们知识和技能的掌握情况。
（二）学生自评、小组互评、教师评价相结合
第一，学生自评，参与到评价活动中的学生会根据自己完成实验项目的情况，通过对比现有学习成果与目标之间的差距，判断自己在活动中的表现是否理想，比如随着任务难度的增加，自己到哪一步就开始无从下手；自己完成任务的过程中有没有一些充满亮点的想法？当遇到困难时，自己心态是否正确等等，通过这种自我评价，学生将对自己各方面的能力有一个全面的了解。
第二，小组互评，小组内各个成员就其他成员完成分工任务的情况进行评价，通过相互评价，学生能够发现对方身上的闪光点，并加以学习，同时成员也会就对方做的不好的地方进行纠正和补充，共同进步。
第三，教师评价，教师设置好任务之后，要及时观察学生完成任务以及自我评价、小组评价的情况，然后给出一个综合评价，并以之作为调整教学内容、模式的依据。
第四，教师汇总并处理三个评价主体的评价结果，得出公正、客观、可靠的教学评价结果。
六、创新点
1. 弥补了教材人工智能实践的内容，基于学生们熟悉的真实应用场景——智能家居，将理论知识应用到了实际；
2. 易操作，上手快，从图形化编程到mpython，再到Python编程的学习，实现学习的无缝迁移，符合当下教材统一使用的Python编程语言的需求；
3. 符合新课标，为项目学习提供资源，大项目结合为微项目，既兼顾整体性又相对独立；
4. 拓展性强，也适合人教中图版新教材《人工智能初步》、《开源硬件项目设计》大部分内容。
七、教学反思
STEAM实验探究之智能家居的秘密通过智能晾衣架、远程遥控灯、智能门禁智能天气播报、小玉语音交互系统等项目实验教学应用人工智能解决真实问题的完整过程，将高大上的人工智能能够是实实在在的落地，帮助学生更好地学习。
整个实验教学通过体验作品的创意、设计、制作、调试、分享、拓展等完整的实验过程，将学习成果“可视化”，形成以信息技术学科方法观察事物和问题解决的能力，提升计算思维与创新能力。