陳杰 南京師范大學(xué)附屬中學(xué)樹人學(xué)校高級教師，中國電子學(xué)會教育技術(shù)分會委員，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，筆者以麥昆機器人成長學(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)對象宜為小學(xué)高年級和初中學(xué)生。他們的認(rèn)知發(fā)展正處于由具體運算階段（7～12歲）向形式運算階段（12～15歲）過渡時期，借助具體的硬件支持（麥昆機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.了解視覺識別技術(shù)。

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

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

教學(xué)準(zhǔn)備

麥昆機器人套件、micro：bit控制板、MU視覺識別傳感器、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)識這些數(shù)字信息。為了及時聯(lián)系上總部，麥昆接受了這項新任務(wù)——識別數(shù)字并將識別結(jié)果發(fā)送到SIoT服務(wù)器。請同學(xué)們想想辦法幫助麥昆完成任務(wù)。

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

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

二、講授知識

1.視覺識別

視覺識別就是用機器代替人眼來做測量和判斷。視覺識別系統(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，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;圖像系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來抽取目標(biāo)的特征，進而根據(jù)判別的結(jié)果控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。我們今天將利用MU視覺識別傳感器對卡片上的數(shù)字進行識別。

2.設(shè)置MU視覺識別傳感器

MU視覺識別傳感器是一個集成了多種視覺算法及傳感功能的嵌入式圖像識別模塊。MU的視覺識別算法包括顏色識別、球體識別、人體檢測，以及形狀、交通、數(shù)字卡片識別等。目前MU視覺識別傳感器全面支持micro：bit、Mind+等主流開發(fā)平臺。MU視覺識別傳感器支持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MU視覺識別傳感器左側(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。編程時應(yīng)首先配置通信方式，然后才可以進行其他的參數(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視覺識別傳感器。

MU視覺識別傳感器支持4個地址：0x60（默認(rèn)）、0x61、0x62、0x63。當(dāng)MU視覺識別傳感器與其他傳感器地址沖突時需要進行更改。I2C模式支持多個不同地址的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、操作實踐

1.電路連接

將MU視覺識別傳感器的4根線與I2C進行連接，SDA（藍色）—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進行連接，T（綠色）—P1，R（藍色）—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螺絲孔）;組裝固定MU視覺識別傳感器支架，如圖3;用螺絲、螺母固定MU視覺識別傳感器支架接頭處;將MU視覺識別傳感器支架放在銅柱頂部，用螺絲固定;以MU視覺識別傳感器底部的兩個螺絲孔為基準(zhǔn)，對應(yīng)固定在支架上，如圖4。

3.編程實踐

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)平臺參數(shù)，如圖5。

第三步：編寫識別數(shù)字卡片的程序，如圖6。

第四步：運行測試。在距離MU視覺識別傳感器10cm左右的位置，手拿卡片自下而上緩慢抬起，讓麥昆進行數(shù)字卡片的識別，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)識地球上的交通標(biāo)志，每次過馬路都膽戰(zhàn)心驚。請大家課后想一想，如何幫助麥昆解決這個問題。

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)成會科學(xué)探究、善技術(shù)實踐、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)。