陳杰 南京師范大學(xué)附屬中學(xué)樹人學(xué)校高級(jí)教師，中國(guó)電子學(xué)會(huì)教育技術(shù)分會(huì)委員，DF社區(qū)Arduino板塊版主。致力于創(chuàng)客教育研究，于《無線電》雜志發(fā)表多篇稿件。

教學(xué)背景

教育部《教育信息化“十三五”規(guī)劃》中明確提出要探索STEAM教育、創(chuàng)客教育等創(chuàng)新教育模式。在此背景下，筆者以麥昆機(jī)器人成長(zhǎng)學(xué)習(xí)過程中遇到的問題為主線，以問題解決為導(dǎo)向，以激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)為目標(biāo)，將傳統(tǒng)制造技藝、開源與人工智能技術(shù)、創(chuàng)客思維和STEAM教育理念相結(jié)合，兼顧并協(xié)調(diào)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、人文精神和藝術(shù)涵養(yǎng)的發(fā)展。

本課的教學(xué)對(duì)象宜為小學(xué)高年級(jí)和初中學(xué)生。他們的認(rèn)知發(fā)展正處于由具體運(yùn)算階段（7～12歲）向形式運(yùn)算階段（12～15歲）過渡時(shí)期，借助具體的硬件支持（麥昆機(jī)器人及其周邊開源的軟硬件器材）可以系統(tǒng)地學(xué)習(xí)科學(xué)原理和數(shù)學(xué)規(guī)則，啟發(fā)概括能力，逐步掌握邏輯推理、歸納或演繹能力。

教學(xué)目標(biāo)

1.了解視覺識(shí)別技術(shù)。

2.學(xué)會(huì)利用MU視覺識(shí)別傳感器識(shí)別數(shù)字卡片上的數(shù)字。

3.學(xué)會(huì)利用物聯(lián)網(wǎng)模塊將識(shí)別的數(shù)字上傳到SIoT物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

教學(xué)準(zhǔn)備

麥昆機(jī)器人套件、micro：bit控制板、MU視覺識(shí)別傳感器、物聯(lián)網(wǎng)模塊各1件，銅柱、螺絲若干。

教學(xué)過程

一、情境導(dǎo)入

師：麥昆偏離了原來的航線，與星系總部失去了聯(lián)系。為了重新建立與總部的聯(lián)系，需要發(fā)送一些數(shù)字信息，可是麥昆和小伙伴們都不認(rèn)識(shí)這些數(shù)字信息。為了及時(shí)聯(lián)系上總部，麥昆接受了這項(xiàng)新任務(wù)——識(shí)別數(shù)字并將識(shí)別結(jié)果發(fā)送到SIoT服務(wù)器。請(qǐng)同學(xué)們想想辦法幫助麥昆完成任務(wù)。

學(xué)生思考并回答：可以借助視覺識(shí)別技術(shù)給麥昆添加數(shù)字卡片識(shí)別功能。

師：對(duì)，本節(jié)課我們就來學(xué)習(xí)如何運(yùn)用視覺識(shí)別技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)幫助麥昆完成任務(wù)。

二、講授知識(shí)

1.視覺識(shí)別

視覺識(shí)別就是用機(jī)器代替人眼來做測(cè)量和判斷。視覺識(shí)別系統(tǒng)是通過圖像攝取裝置將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，得到被攝目標(biāo)的形態(tài)信息，再根據(jù)像素分布、亮度、顏色等信息，將其轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào);圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。我們今天將利用MU視覺識(shí)別傳感器對(duì)卡片上的數(shù)字進(jìn)行識(shí)別。

2.設(shè)置MU視覺識(shí)別傳感器

MU視覺識(shí)別傳感器是一個(gè)集成了多種視覺算法及傳感功能的嵌入式圖像識(shí)別模塊。MU的視覺識(shí)別算法包括顏色識(shí)別、球體識(shí)別、人體檢測(cè)，以及形狀、交通、數(shù)字卡片識(shí)別等。目前MU視覺識(shí)別傳感器全面支持micro：bit、Mind+等主流開發(fā)平臺(tái)。MU視覺識(shí)別傳感器支持4種通信模式：UART（00）、I2C（01）、Wi-Fi（10）、圖傳（11）。根據(jù)所需要的通信方式，可撥動(dòng)MU視覺識(shí)別傳感器左側(cè)的Output撥碼開關(guān)調(diào)整其通信模式，如圖1。

本課例中MU視覺識(shí)別傳感器使用I2C模式，選定通信方式后，程序中的通信方式應(yīng)與撥碼開關(guān)保持一致。編程時(shí)應(yīng)首先配置通信方式，然后才可以進(jìn)行其他的參數(shù)設(shè)置，使用過程中不可更改。每次切換通信方式，都需要重啟MU視覺識(shí)別傳感器。

MU視覺識(shí)別傳感器支持4個(gè)地址：0x60（默認(rèn)）、0x61、0x62、0x63。當(dāng)MU視覺識(shí)別傳感器與其他傳感器地址沖突時(shí)需要進(jìn)行更改。I2C模式支持多個(gè)不同地址的MU協(xié)同工作，可以給MU分配不同的地址。一般情況下保持默認(rèn)地址即可。

三、操作實(shí)踐

1.電路連接

將MU視覺識(shí)別傳感器的4根線與I2C進(jìn)行連接，SDA（藍(lán)色）—SDA，SCL（綠色）—SCL，GND（黑色）—負(fù)極，VCC（紅色）—正極;物聯(lián)網(wǎng)模塊與麥昆車體P1、P2進(jìn)行連接，T（綠色）—P1，R（藍(lán)色）—P2，VCC（紅色）—正極，GND（黑色）—負(fù)極。如圖2。

2.結(jié)構(gòu)搭建

準(zhǔn)備好麥昆車體、MU視覺識(shí)別傳感器、物聯(lián)網(wǎng)模塊、銅柱、3D打印支架、螺絲等結(jié)構(gòu)件;將攝像頭和物聯(lián)網(wǎng)模塊連接后，拿出兩根銅柱將其固定在micro：bit電源模塊上，注意先用螺絲刀擰下原本固定電源模塊的兩根螺絲（電源模塊靠近前面的兩個(gè)螺絲孔）;組裝固定MU視覺識(shí)別傳感器支架，如圖3;用螺絲、螺母固定MU視覺識(shí)別傳感器支架接頭處;將MU視覺識(shí)別傳感器支架放在銅柱頂部，用螺絲固定;以MU視覺識(shí)別傳感器底部的兩個(gè)螺絲孔為基準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)固定在支架上，如圖4。

3.編程實(shí)踐

第一步：部署編程環(huán)境。打開Mind+軟件，添加“micro：Maqueen（麥昆）”套件模塊;然后切換到傳感器模塊，選擇并添加“視覺識(shí)別攝像頭”;切換到通信模塊，選擇并添加“OBLOQ物聯(lián)網(wǎng)模塊”。

第二步：搭建主程序框架，并設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)模塊的Wi-Fi、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)參數(shù)，如圖5。

第三步：編寫識(shí)別數(shù)字卡片的程序，如圖6。

第四步：運(yùn)行測(cè)試。在距離MU視覺識(shí)別傳感器10cm左右的位置，手拿卡片自下而上緩慢抬起，讓麥昆進(jìn)行數(shù)字卡片的識(shí)別，如圖7。

打開瀏覽器，輸入地址，登錄SIoT服務(wù)器，可以看到如下表所示的識(shí)別信息。

四、拓展延伸

師：在同學(xué)們的幫助下，麥昆成功與星系總部取得了聯(lián)系，踏上了新的旅程。麥昆走著走著，又遇到了新問題，它不認(rèn)識(shí)地球上的交通標(biāo)志，每次過馬路都膽戰(zhàn)心驚。請(qǐng)大家課后想一想，如何幫助麥昆解決這個(gè)問題。

教學(xué)反思

本課以STEAM教育理念為指導(dǎo)，倡導(dǎo)跨學(xué)科的STEAM學(xué)習(xí)方式，將科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)有機(jī)融為一體，提升了學(xué)習(xí)的趣味性，讓學(xué)生“在學(xué)中玩、在玩中學(xué)、在玩中創(chuàng)”，為把學(xué)生培養(yǎng)成會(huì)科學(xué)探究、善技術(shù)實(shí)踐、有藝術(shù)品位、能工程創(chuàng)新的復(fù)合型人才奠定了基礎(chǔ)。