中學(xué)OpenMV人工智能特色STEM校本課程開(kāi)發(fā)與實(shí)施

楊瀚盛

（廣東省廣州市番禺區(qū)實(shí)驗(yàn)中學(xué)，廣東廣州 510000）

引 言

近年來(lái)，人工智能技術(shù)蓬勃發(fā)展，人工智能已成各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的新領(lǐng)域，而人才將是這場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵。2018年教育部印發(fā)的《教育信息化2.0 行動(dòng)計(jì)劃》提出，要完善課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)，充實(shí)適應(yīng)信息時(shí)代、智能時(shí)代發(fā)展需要的人工智能和編程課程內(nèi)容，推動(dòng)落實(shí)各級(jí)各類學(xué)校的信息技術(shù)課程，并將信息技術(shù)納入初、高中學(xué)業(yè)水平考試[1]?？梢?jiàn)，在中學(xué)階段開(kāi)設(shè)人工智能課程、開(kāi)展人工智能教育勢(shì)在必行，對(duì)我國(guó)人工智能人才培養(yǎng)有重大意義。

一、課程開(kāi)發(fā)的背景

（一）STEM 教育在世界范圍內(nèi)興起

進(jìn)入21世紀(jì)，科技創(chuàng)新不斷推動(dòng)人類文明的進(jìn)步，越來(lái)越多的國(guó)家意識(shí)到創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要性，并開(kāi)始重視STEM 教育。2016年教育部印發(fā)的《教育信息化“十三五”規(guī)劃》中要求，有條件的地區(qū)要積極探索信息技術(shù)在“眾創(chuàng)空間”、跨學(xué)科學(xué)習(xí)（STEAM 教育）、創(chuàng)客教育等新的教育模式中的應(yīng)用[2]。

（二）《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》的實(shí)施

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱《新課標(biāo)》）中必修模塊1《數(shù)據(jù)與計(jì)算》、選擇性必修模塊4《人工智能初步》、選擇性必修模塊6《開(kāi)源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)》及選修模塊1《算法初步》等均是對(duì)上述“行動(dòng)計(jì)劃”“‘十三五’規(guī)劃”的推進(jìn)與落實(shí)?！缎抡n標(biāo)》的實(shí)施給廣大一線高中信息技術(shù)教師帶來(lái)了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。如何更好地開(kāi)展《新課標(biāo)》下高中信息技術(shù)課程是高中信息技術(shù)教師下一階段的工作重點(diǎn)。

二、課程開(kāi)發(fā)的意義與目標(biāo)

OpenMV 是一套簡(jiǎn)單易用的、開(kāi)源的、基于Python 語(yǔ)言的嵌入式計(jì)算機(jī)視覺(jué)架構(gòu)，它在一塊小巧的硬件模塊上提供了豐富的引腳接口及Python 編程接口。OpenMV 在人工智能技術(shù)方面的易用性與極低的入門門檻，使得其與其他眾多人工智能框架、開(kāi)源項(xiàng)目相比更適合中學(xué)生。隨著時(shí)代的發(fā)展，我們對(duì)學(xué)生的要求也應(yīng)發(fā)生轉(zhuǎn)變，因此學(xué)校課程也不能一成不變，科學(xué)合理的課程開(kāi)發(fā)應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)[3]。于是，我們便有了嘗試在我校開(kāi)發(fā)一門行之有效的、基于OpenMV 的、以人工智能為特色的STEM 課程的想法。

這一新的課程，能讓學(xué)生熟練掌握人工智能首選語(yǔ)言——Python 語(yǔ)言，掌握如何使用Python 語(yǔ)言調(diào)用OpenMV 視覺(jué)函數(shù)，掌握如何使用Python 語(yǔ)言驅(qū)動(dòng)OpenMV 硬件運(yùn)作；讓學(xué)生體驗(yàn)計(jì)算機(jī)如何識(shí)別圖像中的目標(biāo)，理解計(jì)算機(jī)視覺(jué)實(shí)現(xiàn)的基本機(jī)理，了解人工智能實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單原理；讓學(xué)生能夠綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，并對(duì)知識(shí)進(jìn)行合理整合、重構(gòu)，學(xué)會(huì)把編程語(yǔ)言、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、3D 打印、硬件驅(qū)動(dòng)等多方面的科學(xué)、技術(shù)、工程知識(shí)結(jié)合起來(lái)，最終完成諸如追蹤小球、物品分揀，甚至解魔方機(jī)器人等項(xiàng)目。在此過(guò)程中，學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、實(shí)踐能力得到充分的鍛煉。

三、課程框架與內(nèi)容

根據(jù)OpenMV、STEM 教育的特點(diǎn)及對(duì)課程目標(biāo)的分析，按照由淺入深、從基礎(chǔ)到項(xiàng)目應(yīng)用的課程設(shè)計(jì)路線圖，我們把課程分成4 個(gè)主要模塊，即語(yǔ)言篇、硬件篇、計(jì)算機(jī)視覺(jué)篇及項(xiàng)目實(shí)踐篇（見(jiàn)表1）。課程共28 個(gè)課時(shí)（其中8 個(gè)課時(shí)在信息技術(shù)課完成），每周1 個(gè)課時(shí)，安排在一個(gè)學(xué)期內(nèi)完成。

表1 課程模塊分析表

（一）語(yǔ)言篇

本模塊涵蓋了程序設(shè)計(jì)三大結(jié)構(gòu)及Python 語(yǔ)法等內(nèi)容。它是本課程的基礎(chǔ)，是后續(xù)3 個(gè)模塊的前導(dǎo)知識(shí)。當(dāng)然，本模塊活動(dòng)的開(kāi)展還有一個(gè)很重要的目的：它充分體現(xiàn)了《新課標(biāo)》對(duì)學(xué)生計(jì)算思維能力的要求，以培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維、程序設(shè)計(jì)能力為主要目的。另外，因?yàn)楸灸K內(nèi)容與信息技術(shù)課程中程序設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)內(nèi)容重疊，所以要求學(xué)生在信息技術(shù)課堂上完成本模塊的學(xué)習(xí)。

（二）硬件篇

OpenMV 的核心是一塊意法半導(dǎo)體的STM32 芯片，它在OpenMV 板上提供了10 個(gè)可復(fù)用IO 接口，1 個(gè)SPI 總線、1個(gè)I2C 總線，1 個(gè)串口總線，12 位數(shù)模、模數(shù)接口各1 個(gè)，還有3 個(gè)I/O 引腳可用于舵機(jī)控制。

按照由淺入深的原則，本模塊的內(nèi)容被劃分成了三個(gè)部分：（1）入門——學(xué)生將首先了解OpenMV 的基本功能、常用接口介紹；（2）進(jìn)階——學(xué)習(xí)數(shù)字IO 接口，結(jié)和Python語(yǔ)言調(diào)用Pin 類的函數(shù)方法，實(shí)現(xiàn)數(shù)字接口的輸入與輸出，在此基礎(chǔ)上做一些如按鍵開(kāi)關(guān)燈等小實(shí)驗(yàn)；（3）提高——學(xué)生將完成兩個(gè)實(shí)驗(yàn)：編程調(diào)用Pin 類+OpenMV 電機(jī)擴(kuò)展板驅(qū)動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)、調(diào)用Servo 類+舵機(jī)實(shí)現(xiàn)2 軸云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，學(xué)生不僅掌握了OpenMV 的硬件使用方法，還激發(fā)了對(duì)OpenMV 課程的學(xué)習(xí)興趣，提高了創(chuàng)客精神與動(dòng)手實(shí)踐能力。

（三）計(jì)算機(jī)視覺(jué)篇

與其他開(kāi)源架構(gòu)相比，OpenMV 最大的特色是在主板上提供了一個(gè)攝像頭，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法。因此，本模塊以計(jì)算機(jī)視覺(jué)為方向的人工智能學(xué)習(xí)是課程的最大特色與亮點(diǎn)。

本模塊開(kāi)篇以人工智能發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢(shì)導(dǎo)入，從計(jì)算機(jī)視覺(jué)原理開(kāi)始，逐步向?qū)W生展示OpenMV 的魅力所在：圖像繪制、顏色識(shí)別、顏色追蹤、直線檢測(cè)、線段檢測(cè)、形狀識(shí)別、形狀追蹤、邊緣檢測(cè)、關(guān)鍵點(diǎn)檢測(cè)、數(shù)字識(shí)別、二維碼讀取、人臉檢測(cè)、人臉追蹤、瞳孔檢測(cè)、模板匹配、特征點(diǎn)檢測(cè)……OpenMV的開(kāi)發(fā)參考了大名鼎鼎的OpenCV視覺(jué)庫(kù)，它把很多OpenCV 中專業(yè)的算法封裝起來(lái)。因此，學(xué)生可以在不需要掌握計(jì)算機(jī)圖像專業(yè)算法的情況下，用Python 調(diào)用OpenMV 的計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)上述大量圖像識(shí)別內(nèi)容。學(xué)生在完成本模塊內(nèi)容學(xué)習(xí)后，能夠?qū)θ斯ぶ悄芗夹g(shù)有初步的了解，掌握基本的計(jì)算機(jī)視覺(jué)處理方法，從而為日后更深入地學(xué)習(xí)人工智能技術(shù)打下基礎(chǔ)。

（四）項(xiàng)目實(shí)踐篇

通過(guò)前面的學(xué)習(xí)，學(xué)生已具備一定的知識(shí)技能，能夠在教師的引導(dǎo)下獨(dú)立完成簡(jiǎn)單的任務(wù)。在此基礎(chǔ)上，本模塊要求學(xué)生把所學(xué)知識(shí)進(jìn)行整合，可以結(jié)合OpenMV 官方提供的如LCD 顯示屏擴(kuò)展板、電機(jī)擴(kuò)展板、PWM 舵機(jī)擴(kuò)展板、IMU 姿態(tài)傳感器擴(kuò)展板、ToF 光學(xué)測(cè)距擴(kuò)展板等模塊進(jìn)行合理的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。本模塊充分體現(xiàn)了STEM 教育理念，以培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，知識(shí)綜合運(yùn)用能力，實(shí)踐能力，協(xié)作能力，探究精神，創(chuàng)新思維為主要目的。

四、課程實(shí)施策略

（一）通過(guò)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是STEM 教育的一大法寶?；贠penMV 的STEM 課程，以信息技術(shù)程序設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，在進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)踐過(guò)程中還需要融合大量科學(xué)、技術(shù)、工程領(lǐng)域的知識(shí)，它強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的問(wèn)題解決能力、實(shí)踐能力與創(chuàng)新精神。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)主要包括項(xiàng)目情景導(dǎo)入、分析問(wèn)題、制訂解決方案、項(xiàng)目開(kāi)展與實(shí)施、交流總結(jié)幾個(gè)環(huán)節(jié)。在情景導(dǎo)入環(huán)節(jié)，教師可圍繞項(xiàng)目的核心問(wèn)題創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生理解問(wèn)題；在分析問(wèn)題環(huán)節(jié)，學(xué)生可運(yùn)用現(xiàn)有知識(shí)分析問(wèn)題，把握問(wèn)題的核心，培養(yǎng)自身分析問(wèn)題的能力；在制訂解決方案環(huán)節(jié)，學(xué)生可根據(jù)問(wèn)題核心提出解決問(wèn)題的策略和方法，培養(yǎng)自身問(wèn)題求解的能力；在項(xiàng)目實(shí)施環(huán)節(jié)，學(xué)生可在教師的引導(dǎo)下按照設(shè)計(jì)方案實(shí)施項(xiàng)目，培養(yǎng)自身協(xié)作能力、實(shí)踐能力、探究精神與創(chuàng)新精神；最后，在交流與總結(jié)環(huán)節(jié)，學(xué)生可以以小組為單位進(jìn)行項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)交流與總結(jié)，培養(yǎng)自身語(yǔ)言表達(dá)能力、歸納總結(jié)能力。

（二）基于Moodle 的過(guò)程性活動(dòng)記錄

在STEM 課程學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生需要掌握Python、硬件、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等多學(xué)科知識(shí)。由于該課程涉及知識(shí)面廣，知識(shí)點(diǎn)較多而且相對(duì)零散，學(xué)生對(duì)知識(shí)的遺忘率比較高。尤其在項(xiàng)目實(shí)踐階段完成較復(fù)雜的任務(wù)時(shí)，學(xué)生往往需要查閱課程資料、查看課程活動(dòng)記錄，以幫助提高學(xué)習(xí)效率，加快項(xiàng)目開(kāi)發(fā)進(jìn)度。為此，我們引入了Moodle 在線課程管理系統(tǒng)。Moodle 提供了豐富的課程活動(dòng)，如論壇、測(cè)驗(yàn)、資源、投票、問(wèn)卷調(diào)查、作業(yè)、聊天室、博客等。通過(guò)這些豐富的活動(dòng)，學(xué)生可以記錄下完整的學(xué)習(xí)過(guò)程。同時(shí)，Moodle 強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)過(guò)程中學(xué)生的互動(dòng)、交流與協(xié)作，要求生生之間、師生之間共同探索，合作解決問(wèn)題[4]。這與STEM 項(xiàng)目式學(xué)習(xí)理念不謀而合。

結(jié) 語(yǔ)

總之，學(xué)校應(yīng)把國(guó)家大力倡導(dǎo)發(fā)展的“人工智能技術(shù)”與能培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的STEM 教育有效地整合成一門實(shí)用的、易學(xué)的、可操作性極強(qiáng)的課程，利用OpenMV 在人工智能技術(shù)方面的易用性與極低的入門門檻，使用“人工智能語(yǔ)言”Python，以極其豐富的硬件接口開(kāi)發(fā)出一門全新的STEM課程。在當(dāng)前國(guó)內(nèi)幾乎找不到在中學(xué)階段開(kāi)展以研究人工智能技術(shù)、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力為核心的STEM 課程的情況下，這門課程的開(kāi)發(fā)顯得彌足珍貴。因此，作為中學(xué)STEM 教育的一線教師，我們應(yīng)努力提高自身素養(yǎng)，繼續(xù)完善與豐富課程內(nèi)容，為國(guó)家培養(yǎng)新一代人工智能人才與創(chuàng)新思維人才貢獻(xiàn)自己的力量。