《走進(jìn)人工智能的世界》

　　新鄉(xiāng)市第十中學(xué)

　　科教組科學(xué)教育優(yōu)秀課例展評(píng)

　　教育一直是全社會(huì)關(guān)注的民生話題，關(guān)系千家萬(wàn)戶的幸福指數(shù)。今年兩會(huì)期間，科學(xué)教育成了備受關(guān)注的熱門話題。許多代表委員建議加強(qiáng)科學(xué)教育的重要性，促進(jìn)科學(xué)素養(yǎng)的提升。對(duì)教育系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，人工智能是把“金鑰匙”，它不僅影響未來(lái)的教育，也影響教育的未來(lái)，這里有機(jī)遇也有挑戰(zhàn)。推進(jìn)中小學(xué)人工智能教育，將人工智能素養(yǎng)教育納入九年義務(wù)教育內(nèi)容，設(shè)置人工智能通識(shí)課程，同時(shí)將相關(guān)內(nèi)容納入中小學(xué)社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)，不僅可以提升教育質(zhì)量和效率，拓展教育資源和空間，還可以培養(yǎng)適應(yīng)未來(lái)社會(huì)的創(chuàng)新型人才。新鄉(xiāng)市第十中學(xué)響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，大力推進(jìn)科學(xué)教育，在開(kāi)齊開(kāi)足常規(guī)科學(xué)課程的基礎(chǔ)上，在七年級(jí)新增人工智能課程，并將其列入正規(guī)課程。

　　圖片

　　我校選擇以Arduino開(kāi)源平臺(tái)為基礎(chǔ)，選用UNO主控板為主要學(xué)習(xí)對(duì)象開(kāi)展開(kāi)源硬件教育。本套教材分為初級(jí)教材和中級(jí)教材，初級(jí)教材可作為基礎(chǔ)教育三年級(jí)以上的入門教材，它以可視化編程軟件與傳感器硬件相結(jié)合方式開(kāi)展基于任務(wù)的學(xué)習(xí)，并融合了項(xiàng)目學(xué)習(xí)的思想和程序設(shè)計(jì)的思維，可讓學(xué)習(xí)者在短時(shí)間內(nèi)，逐漸掌握控制電子元件的原理和方法。以生活應(yīng)用情節(jié)來(lái)引入新課，激發(fā)學(xué)生興趣，教材緊扣生活，深入淺出，層層遞進(jìn)，不僅可以逐步開(kāi)拓學(xué)習(xí)者的思維，更可以提高其動(dòng)手能力。

　　從現(xiàn)在起我們就要開(kāi)始學(xué)習(xí)開(kāi)源硬件編程了，這是一件很有挑戰(zhàn)性，但又很有意思的事情。通過(guò)學(xué)習(xí)開(kāi)源硬件編程我們可以實(shí)現(xiàn)我們的各種奇思妙想，成為一名創(chuàng)客。這一切的秘密就在于Arduino。那么Arduino到底是什么，能做什么，如何工作？在回答這些問(wèn)題之前，讓我們用一道簡(jiǎn)單的計(jì)算題來(lái)分析一下人腦的工作方式

　　題目：8+4÷2=？

　　首先，你會(huì)用眼睛瀏覽題目，將其記在大腦中；隨后，你會(huì)在大腦中使用四則運(yùn)算法則先后算出“4÷2=2”“8+2=10”；最后，你會(huì)將結(jié)果“10說(shuō)出來(lái)或?qū)懗鰜?lái)。

　　通過(guò)這道題的計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)：人首先會(huì)通過(guò)眼、耳等感覺(jué)器官將捕捉到的信息輸送到大腦中并存儲(chǔ)起來(lái)，然后在大腦中對(duì)這一信息進(jìn)行加工處理，最后由大腦控制嘴或手把最終結(jié)果以某種方式表達(dá)出來(lái)。

　　與人腦的工作方式類似，Arduino也可以完成“輸入——處理——輸出”這一完整過(guò)程。在Arduino的電路板上有一些I/O口（Input/OutputPort，輸入/輸出口）“I”代表輸入(Input)，“O”代表輸出(Output)。這些端口用于連接傳感器(Sensor)組件和執(zhí)行器(Actuator)組件。其中，傳感器(如溫度傳感器、光線傳感器等)的作用是將外部環(huán)境信息(如溫度、光照強(qiáng)度等)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，執(zhí)行器(如燈、蜂鳴器等)的作用是讓Arduino做出某種響應(yīng)(如亮燈、發(fā)出聲音等)。我們需要做的就是事先編寫好程序，上傳到Arduino，讓它按照我們的要求工作。

　　智能大腦——Arduino控制板

　　在開(kāi)源硬件編程世界里充當(dāng)大腦的是Arduino控制板，其基本組成如圖所示。

　　本書中使用的開(kāi)發(fā)板是ArduinoUNO。它是由YwRobot遵循開(kāi)源協(xié)議，根據(jù)ArduinoUNO標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的兼容開(kāi)發(fā)板，并在使用層面做出一系列優(yōu)化設(shè)計(jì)。最為直觀的優(yōu)化就是將UNO的排座根據(jù)接口功能不同用顏色加以區(qū)分，紅色為電源、黃色為數(shù)字、藍(lán)色為模擬量接口。ArduinoUNO板是目前最常見(jiàn)的Arduino主控板，本課程的所有編程及功能實(shí)現(xiàn)都將基于UNO板進(jìn)行。

　　工作電壓：UNO板工作電壓為5V，可由USB連接電腦供電，也可由DC插口獨(dú)立供電。Arduino主控板可以提供3.3V和5V兩種供電電壓，兼容兩種電平模式。

　　每一個(gè)數(shù)字引腳輸出電流最大不能超過(guò)40mA（3.3V不超過(guò)50mA）。如果需要驅(qū)動(dòng)電機(jī)、舵機(jī)等對(duì)功率有要求的設(shè)備，建議通過(guò)專用擴(kuò)展板為設(shè)備提供電源輸入，以免主控板復(fù)位重啟或損壞；USB輸入電流超過(guò)500mA時(shí)，會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)USB連接。

　　圖中標(biāo)出的數(shù)字端口(黃色排座)和模擬端口(藍(lán)色排座)，即為常說(shuō)的I/O。

　　數(shù)字輸出/輸入端口：D0-D13管腳為數(shù)字輸出/輸入端口，本書將省略D，簡(jiǎn)記為0-13號(hào)管腳。其中，0，1號(hào)管腳分別是串口的發(fā)送（TXD）/接收（RXD）管腳，一般情況下不要將模塊連接到這兩個(gè)管腳上；數(shù)字引腳2、3為中斷接口，分別對(duì)應(yīng)中斷序號(hào)0、1；數(shù)字管腳上標(biāo)示“~”符號(hào)的3，5，6，9，10，11，13號(hào)管腳可以用作PWM控制（PulseWidthModulation，脈沖寬度調(diào)制），實(shí)現(xiàn)類似模擬信號(hào)的輸出效果。

　　模擬輸入端口：A0-A5號(hào)管腳為模擬輸入端口，其中A0-A5也可以用作數(shù)字輸入/輸出管腳。

　　電源供電接口：除了最重要的I/O口外，還有電源部分(紅色排座)。UNO可以通過(guò)兩種方式供電，一種通過(guò)USB供電，另一種是通過(guò)外接6~12V的DC電源。

　　板載上的4個(gè)LED燈：ON是電源指示燈，通電就會(huì)亮；L是接在數(shù)字口13上的一個(gè)LED，可以通過(guò)程序控制，在后面的教程中會(huì)進(jìn)行詳細(xì)介紹；TX、RX是串口通訊指示燈，比如我們?cè)谙螺d程序的過(guò)程中，這兩個(gè)燈就會(huì)不停閃爍。

　　大腦助手——擴(kuò)展板

　　擴(kuò)展板可以直接插接在UNO控制板上，具有相應(yīng)的功能。圖中是EasyIOShield傳感器擴(kuò)展板，具有防反接設(shè)計(jì)，支持ArduinoUNO的I/O擴(kuò)展，板上提供了多組電源輸出，各種傳感器即插即用，簡(jiǎn)單便捷。

　　人工智能涉及內(nèi)容非常寬泛，隨著技術(shù)的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域被不斷拓展。人工智能課程內(nèi)容體系應(yīng)突出整體性、系統(tǒng)性和內(nèi)在邏輯性，既要能夠全面地呈現(xiàn)人工智能發(fā)展的全貌，又要能夠在重點(diǎn)技術(shù)上引導(dǎo)學(xué)生深入體驗(yàn)、實(shí)踐和創(chuàng)新。因此，課程內(nèi)容可以由“知識(shí)積淀”“應(yīng)用體驗(yàn)”和“實(shí)踐創(chuàng)新”三大模塊組成，以體現(xiàn)知識(shí)和能力培養(yǎng)的螺旋上升過(guò)程。三個(gè)模塊的知識(shí)體系構(gòu)建強(qiáng)調(diào)以學(xué)科知識(shí)的發(fā)展和學(xué)生能力發(fā)展為線索，由淺入深、由表及里，體現(xiàn)出“從生活經(jīng)驗(yàn)走向技術(shù)，從體驗(yàn)應(yīng)用走向創(chuàng)新，從智能素養(yǎng)走向社會(huì)”的理念。

　　撰稿：郭長(zhǎng)遠(yuǎn)

　　編輯：徐微

　　審核：魏艷紅