高中信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)設(shè)計(jì)-STEAM實(shí)驗(yàn)探究之智能家居的秘密

高中信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)智能家居的秘密高中信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)技能創(chuàng)新大賽作品：STEAM實(shí)驗(yàn)探究之智能家居的秘密作品：STEAM實(shí)驗(yàn)探究之智能家居的秘密學(xué)科：綜合（信息技術(shù)）學(xué)校：遵義市第四中學(xué)教師：張?jiān)褚?、?shí)驗(yàn)教學(xué)背景2021年9月入學(xué)的學(xué)生將會(huì)使用信息技術(shù)新教材，不管是初中還是高中，各個(gè)版本新教材的絕大部分采用的編程語(yǔ)言都是Python，同時(shí)Python是當(dāng)之無愧的人工智能第一編程語(yǔ)言。學(xué)生日常使用的Arduino、micro:bit和掌控板等開源硬件，因?yàn)槠洳捎玫男酒煌?，其支持的編程語(yǔ)言和編程工具也各自不同，有的是Scratch,有的是Mind+等圖形化編程工具。因此，有沒有一種統(tǒng)一的編程語(yǔ)言，用統(tǒng)一的編程規(guī)范來控制不同的開源硬件？同時(shí)，人工智能作為老教材、新教材各個(gè)版本的都有的教學(xué)內(nèi)容，日常的教學(xué)老師們總是不敢輕易嘗試，學(xué)生們覺得很高大上，大部分的教學(xué)都停留在理論知識(shí)上，把重心放在了各種智能軟件的應(yīng)用上，使得這部分教學(xué)總是不那么接地氣，缺乏具體動(dòng)手探究實(shí)踐的機(jī)會(huì)。1.老教材：原來使用的粵教版的教材第四章第二節(jié)用智能工具處理信息教材中安排了手寫輸入、光學(xué)字符識(shí)別、自然語(yǔ)言對(duì)話、機(jī)器翻譯等活動(dòng)，這部分的教學(xué)重在學(xué)生們對(duì)軟件的操作方面，對(duì)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)停留在理論階段，缺乏形象、直觀的實(shí)驗(yàn)探究；2.新教材：2021年9月普及的新教材人教中圖版信息技術(shù)必修1《數(shù)據(jù)與計(jì)算》第4章走進(jìn)智能時(shí)代教材P132頁(yè)中，安排了與智能機(jī)器人對(duì)話，注冊(cè)微信公眾號(hào)，分析智能班級(jí)交互系統(tǒng)數(shù)據(jù)等活動(dòng)，對(duì)人工智能概念和特征都非常抽象，這種教學(xué)內(nèi)容的安排重在智能軟件的應(yīng)用上來體驗(yàn)人工智能，很難讓學(xué)生真正理解。圖1新教材第4章走進(jìn)智能時(shí)代教材P132內(nèi)容基于以上原因，作者想要設(shè)計(jì)關(guān)于人工智能的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，既可以很好補(bǔ)充教學(xué)內(nèi)容，將理論教學(xué)付諸實(shí)踐，又可以使實(shí)驗(yàn)教學(xué)作品具有現(xiàn)實(shí)意義，讓學(xué)生從實(shí)驗(yàn)中深刻體會(huì)人工智能及其應(yīng)用，從而舉一反三。因此，筆者基于原來粵教版的教材《信息技術(shù)基礎(chǔ)》第四章第二節(jié)用智能工具處理信息和新教材人教中圖版信息技術(shù)必修1《數(shù)據(jù)與計(jì)算》第4章走進(jìn)智能時(shí)代教材的內(nèi)容基礎(chǔ)上，基于Python編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)了本實(shí)驗(yàn)——STEAM實(shí)驗(yàn)探究之智能家居的秘密。二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)1.認(rèn)識(shí)人工智能及其基本原理（人臉識(shí)別、自然語(yǔ)言、深度學(xué)習(xí)）2.通過實(shí)驗(yàn)探究，理解和物化智能家居作品（百度AI、心知天氣、遠(yuǎn)程控制）3.形成以信息技術(shù)學(xué)科方法觀察事物和問題解決的能力，提升計(jì)算思維與創(chuàng)新能力。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)器材介紹硬件方面1.家居模型2.開源硬件表1實(shí)驗(yàn)器材準(zhǔn)備材料名稱數(shù)量備注Arduino主控板、擴(kuò)展板1套主控掌控板、拓展板1套主控虛谷號(hào)、拓展版1套主控LED燈1個(gè)舵機(jī)3個(gè)驅(qū)動(dòng)按鈕1個(gè)蜂鳴器1個(gè)提醒功能HuskyLens識(shí)圖1個(gè)圖像識(shí)別語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音合成模塊1個(gè)語(yǔ)音識(shí)別充電寶1個(gè)供電連接線1個(gè)（二）軟件方面1.Mind+、mython2.心知天氣、百度AI、訊飛語(yǔ)音表2網(wǎng)頁(yè)密鑰1心知天氣公鑰PPUNMDqDPD9AvCwnK私鑰SqNNK7nV0VP3VLfqE2百度智能云APIKeyZEH1pcpyfGrmCuGhkvNWgR1OSecretKeyXyifO41hKOEzsHjLcGYgXUxDydGEzjT93訊飛語(yǔ)音APIKey41b317bb52a1ebdca2dd5a82ef60900fAPISecretZjU4YjA5NzdhYjQyNTk2NmYwYzliNDIy四、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)原理和設(shè)計(jì)思路《智能家居》實(shí)驗(yàn)主要融合新教材人教中圖版必修1人教中圖版信息技術(shù)新教材必修1《數(shù)據(jù)與計(jì)算》第4章走進(jìn)智能時(shí)代、選擇性必修4《人工智能初步》和選擇性必修《開源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)》部分內(nèi)容設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。（一）實(shí)驗(yàn)原理1.深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是日常說的深度學(xué)習(xí)，研究計(jì)算機(jī)怎樣模擬或?qū)崿F(xiàn)人類的學(xué)習(xí)行為，以獲取新的知識(shí)或技能，重新組織已有的知識(shí)結(jié)構(gòu)使之不斷改善自身的性能。深度學(xué)習(xí)是近年機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域發(fā)展最快的分支之一，大致分為卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、AutoEncoder、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)RNN、網(wǎng)絡(luò)表示學(xué)習(xí)與圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GNN）、增強(qiáng)學(xué)習(xí)、生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)等不同方向與應(yīng)用。2.計(jì)算機(jī)視覺計(jì)算機(jī)視覺（computervision）是分析、研究讓計(jì)算機(jī)智能化的達(dá)到類似人類的雙眼“看”的一門研究科學(xué)，它利用攝像機(jī)以及電腦替代人眼使得計(jì)算機(jī)擁有人類的雙眼所具有的分割、分類、識(shí)別、跟蹤、判別決策等功能。如人臉識(shí)別技術(shù)是基于人的面部特征信息進(jìn)行身份識(shí)別的一種生物識(shí)別技術(shù)。使用攝像頭或者攝像機(jī)采集含有人臉的圖像或視頻，自動(dòng)檢測(cè)圖像信息和跟蹤人臉，對(duì)檢測(cè)到的人臉進(jìn)行臉部的一系列相關(guān)分析技術(shù)。3.自然語(yǔ)言處理自然語(yǔ)言處理，是指用計(jì)算機(jī)對(duì)自然語(yǔ)言的形、音、義等信息進(jìn)行處理，即對(duì)字、詞、句、篇章的輸入、輸出、識(shí)別、分析、理解、生成等的操作和加工。自然語(yǔ)言處理的具體表現(xiàn)形式包括機(jī)器翻譯、文本摘要、文本分類、文本校對(duì)、信息抽取、語(yǔ)音合成、語(yǔ)音識(shí)別等。其中語(yǔ)音識(shí)別是讓機(jī)器識(shí)別和理解說話人語(yǔ)音信號(hào)內(nèi)容的新興學(xué)科，目的是將語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槲谋咀址蛘呙畹闹悄芗夹g(shù)，利用計(jì)算機(jī)理解講話人的語(yǔ)義內(nèi)容，使其聽懂人類的語(yǔ)音，從而判斷說話人的意圖，是一種非常自然和有效的人機(jī)交流方式。4.開源硬件開源硬件指與自由及開放原始碼軟件相同方式設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)和電子硬件。常見的開源硬件有Arduino、micro:bit、掌控板、虛谷號(hào)等。包括開源硬件核心板的設(shè)計(jì)、擴(kuò)展板和周邊模塊的設(shè)計(jì)以及具體的開源硬件項(xiàng)目。5.Python編程Python是一種結(jié)合了解釋性、編譯性、互動(dòng)性和面向?qū)ο蟮哪_本語(yǔ)言,擁有極其豐富的Python庫(kù),由于其代碼語(yǔ)言易于理解,操作靈活,使其在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,近幾年流行的數(shù)據(jù)挖掘、科學(xué)計(jì)算、人工智能以及區(qū)塊鏈技術(shù)等領(lǐng)域,都可以看到Python的身影。目前，幾乎所有的高中信息技術(shù)新教材都使用了Python語(yǔ)言替代原有的VB語(yǔ)言,甚至在個(gè)別省份將Python語(yǔ)言設(shè)置為高考內(nèi)容。（二）設(shè)計(jì)思路 基于同學(xué)們熟悉的真實(shí)的應(yīng)用場(chǎng)景——智能家居為主題開展試驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)生們有話可說，激發(fā)學(xué)生興趣，主要有以下幾個(gè)環(huán)節(jié)。1.創(chuàng)意設(shè)計(jì)——確定主題，以設(shè)計(jì)思維的理念構(gòu)思智能家居功能如圖2。圖2智能家居功能圖 2.選擇硬件——開源硬件，如圖3。圖3開源硬件 3.技術(shù)路線——算法實(shí)現(xiàn)，從mind+圖形化軟件到mpython,再到Python教學(xué)，跳過編程技術(shù)細(xì)節(jié)，比如大量的語(yǔ)法學(xué)習(xí)。圖4編程技術(shù)路線 4.作品成型——激光造物：通過LaserMaker軟件設(shè)計(jì)外觀結(jié)構(gòu)件并進(jìn)行激光切割。 5.實(shí)驗(yàn)教學(xué)——項(xiàng)目教學(xué)法。本實(shí)驗(yàn)采用項(xiàng)目教學(xué)實(shí)驗(yàn)法，采用大項(xiàng)目結(jié)合微項(xiàng)目的思路進(jìn)行教學(xué)，每個(gè)項(xiàng)目具體包括學(xué)習(xí)目標(biāo)、項(xiàng)目背景、項(xiàng)目任務(wù)、項(xiàng)目準(zhǔn)備、項(xiàng)目實(shí)施、項(xiàng)目評(píng)價(jià)、項(xiàng)目拓展等內(nèi)容。每個(gè)項(xiàng)目都有相應(yīng)的學(xué)習(xí)目標(biāo)呈現(xiàn)，項(xiàng)目背景是基于學(xué)生日常生活中經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象來設(shè)計(jì)的，如出門總是忘記帶鑰匙，出門了才想起家里燈沒關(guān)，出門了才發(fā)現(xiàn)突然下雨了，家里曬的衣服還沒有收回等等。項(xiàng)目準(zhǔn)備環(huán)節(jié)包含團(tuán)隊(duì)的準(zhǔn)備、知識(shí)的準(zhǔn)備以及材料準(zhǔn)備；項(xiàng)目實(shí)施包含問題聚焦、實(shí)踐調(diào)試、改進(jìn)完善環(huán)節(jié)；項(xiàng)目分享提供機(jī)會(huì)給學(xué)生們相互切磋，思維碰撞；項(xiàng)目評(píng)價(jià)包含量規(guī)評(píng)價(jià)、反思評(píng)價(jià)、知識(shí)測(cè)試等全方位進(jìn)行評(píng)價(jià)；項(xiàng)目拓展環(huán)節(jié)學(xué)生們對(duì)本次項(xiàng)目進(jìn)行進(jìn)一步的思考與拓展，學(xué)會(huì)遷移。圖5項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容框架 6.附件——項(xiàng)目學(xué)習(xí)內(nèi)容，詳細(xì)請(qǐng)見附件。表3微項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)教學(xué)列表項(xiàng)目一用Python驅(qū)動(dòng)開源硬件之PingPong庫(kù)項(xiàng)目二智能晾衣架項(xiàng)目三遠(yuǎn)程遙控?zé)繇?xiàng)目四智能門禁項(xiàng)目五智能天氣播報(bào)項(xiàng)目六小玉語(yǔ)音交互系統(tǒng)其他如激光造物、模型搭建、裝飾防盜系統(tǒng)、自動(dòng)開燈、自動(dòng)換氣、彩燈裝飾、疫情查詢等五、教學(xué)評(píng)價(jià)本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為充滿了實(shí)踐性的課程，教師應(yīng)該從不同的角度來評(píng)價(jià)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成果，不能只局限于一種角度。要做到過程與結(jié)果的結(jié)合，共性與個(gè)性的結(jié)合，還要從多個(gè)角度、多個(gè)維度予以評(píng)價(jià)，這樣才能得到可靠、真實(shí)的評(píng)價(jià)結(jié)果。具體如下：（一）過程性評(píng)價(jià)與終結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合過程性評(píng)價(jià)包括學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究學(xué)習(xí)過程中分析任務(wù)、運(yùn)用已有知識(shí)完成任務(wù)、制定任務(wù)完成方案、彼此溝通交流能力、合作搭建、發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力、反思能力等方面的情況，整個(gè)評(píng)價(jià)著眼于整個(gè)項(xiàng)目過程。終結(jié)性評(píng)價(jià)就是客觀地根據(jù)智能家居項(xiàng)目主題評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)教學(xué)后的最終的物化成果以及相關(guān)的一些客觀測(cè)試題目，測(cè)試同學(xué)們知識(shí)和技能的掌握情況。（二）學(xué)生自評(píng)、小組互評(píng)、教師評(píng)價(jià)相結(jié)合第一，學(xué)生自評(píng)，參與到評(píng)價(jià)活動(dòng)中的學(xué)生會(huì)根據(jù)自己完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的情況，通過對(duì)比現(xiàn)有學(xué)習(xí)成果與目標(biāo)之間的差距，判斷自己在活動(dòng)中的表現(xiàn)是否理想，比如隨著任務(wù)難度的增加，自己到哪一步就開始無從下手；自己完成任務(wù)的過程中有沒有一些充滿亮點(diǎn)的想法？當(dāng)遇到困難時(shí)，自己心態(tài)是否正確等等，通過這種自我評(píng)價(jià)，學(xué)生將對(duì)自己各方面的能力有一個(gè)全面的了解。第二，小組互評(píng)，小組內(nèi)各個(gè)成員就其他成員完成分工任務(wù)的情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過相互評(píng)價(jià)，學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)對(duì)方身上的閃光點(diǎn)，并加以學(xué)習(xí)，同時(shí)成員也會(huì)就對(duì)方做的不好的地方進(jìn)行糾正和補(bǔ)充，共同進(jìn)步。第三，教師評(píng)價(jià)，教師設(shè)置好任務(wù)之后，要及時(shí)觀察學(xué)生完成任務(wù)以及自我評(píng)價(jià)、小組評(píng)價(jià)的情況，然后給出一個(gè)綜合評(píng)價(jià)，并以之作為調(diào)整教學(xué)內(nèi)容、模式的依據(jù)。第四，教師匯總并處理三個(gè)評(píng)價(jià)主體的評(píng)價(jià)結(jié)果，得出公正、客觀、可靠的教學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果。六、創(chuàng)新點(diǎn)彌補(bǔ)了教材人工智能實(shí)踐的內(nèi)容，基于學(xué)生們熟悉的真實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景——智能家居，將理論知識(shí)應(yīng)用到了實(shí)際；易操作，上手快，從圖形化編程到mpython，再到Python編程的學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)的無縫遷移，符合當(dāng)下教材統(tǒng)一使用的Python編程語(yǔ)言的需求；符合新課標(biāo)，為項(xiàng)目學(xué)習(xí)提供資源，大項(xiàng)目結(jié)合為微項(xiàng)目，既兼顧整體性又相對(duì)獨(dú)立；拓展性強(qiáng)，也適合人教中圖版新教材《人工智