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 ... ...