《走进人工智能的世界》

　　新乡市第十中学

　　科教组科学教育优秀课例展评

　　教育一直是全社会关注的民生话题，关系千家万户的幸福指数。今年两会期间，科学教育成了备受关注的热门话题。许多代表委员建议加强科学教育的重要性，促进科学素养的提升。对教育系统来说，人工智能是把“金钥匙”，它不仅影响未来的教育，也影响教育的未来，这里有机遇也有挑战。推进中小学人工智能教育，将人工智能素养教育纳入九年义务教育内容，设置人工智能通识课程，同时将相关内容纳入中小学社会实践活动，不仅可以提升教育质量和效率，拓展教育资源和空间，还可以培养适应未来社会的创新型人才。新乡市第十中学响应国家号召，大力推进科学教育，在开齐开足常规科学课程的基础上，在七年级新增人工智能课程，并将其列入正规课程。

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　　我校选择以Arduino开源平台为基础，选用UNO主控板为主要学习对象开展开源硬件教育。本套教材分为初级教材和中级教材，初级教材可作为基础教育三年级以上的入门教材，它以可视化编程软件与传感器硬件相结合方式开展基于任务的学习，并融合了项目学习的思想和程序设计的思维，可让学习者在短时间内，逐渐掌握控制电子元件的原理和方法。以生活应用情节来引入新课，激发学生兴趣，教材紧扣生活，深入浅出，层层递进，不仅可以逐步开拓学习者的思维，更可以提高其动手能力。

　　从现在起我们就要开始学习开源硬件编程了，这是一件很有挑战性，但又很有意思的事情。通过学习开源硬件编程我们可以实现我们的各种奇思妙想，成为一名创客。这一切的秘密就在于Arduino。那么Arduino到底是什么，能做什么，如何工作？在回答这些问题之前，让我们用一道简单的计算题来分析一下人脑的工作方式

　　题目：8+4÷2=？

　　首先，你会用眼睛浏览题目，将其记在大脑中；随后，你会在大脑中使用四则运算法则先后算出“4÷2=2”“8+2=10”；最后，你会将结果“10说出来或写出来。

　　通过这道题的计算，我们发现：人首先会通过眼、耳等感觉器官将捕捉到的信息输送到大脑中并存储起来，然后在大脑中对这一信息进行加工处理，最后由大脑控制嘴或手把最终结果以某种方式表达出来。

　　与人脑的工作方式类似，Arduino也可以完成“输入——处理——输出”这一完整过程。在Arduino的电路板上有一些I/O口（Input/OutputPort，输入/输出口）“I”代表输入(Input)，“O”代表输出(Output)。这些端口用于连接传感器(Sensor)组件和执行器(Actuator)组件。其中，传感器(如温度传感器、光线传感器等)的作用是将外部环境信息(如温度、光照强度等)转变为电信号，执行器(如灯、蜂鸣器等)的作用是让Arduino做出某种响应(如亮灯、发出声音等)。我们需要做的就是事先编写好程序，上传到Arduino，让它按照我们的要求工作。

　　智能大脑——Arduino控制板

　　在开源硬件编程世界里充当大脑的是Arduino控制板，其基本组成如图所示。

　　本书中使用的开发板是ArduinoUNO。它是由YwRobot遵循开源协议，根据ArduinoUNO标准设计的兼容开发板，并在使用层面做出一系列优化设计。最为直观的优化就是将UNO的排座根据接口功能不同用颜色加以区分，红色为电源、黄色为数字、蓝色为模拟量接口。ArduinoUNO板是目前最常见的Arduino主控板，本课程的所有编程及功能实现都将基于UNO板进行。

　　工作电压：UNO板工作电压为5V，可由USB连接电脑供电，也可由DC插口独立供电。Arduino主控板可以提供3.3V和5V两种供电电压，兼容两种电平模式。

　　每一个数字引脚输出电流最大不能超过40mA（3.3V不超过50mA）。如果需要驱动电机、舵机等对功率有要求的设备，建议通过专用扩展板为设备提供电源输入，以免主控板复位重启或损坏；USB输入电流超过500mA时，会自动断开USB连接。

　　图中标出的数字端口(黄色排座)和模拟端口(蓝色排座)，即为常说的I/O。

　　数字输出/输入端口：D0-D13管脚为数字输出/输入端口，本书将省略D，简记为0-13号管脚。其中，0，1号管脚分别是串口的发送（TXD）/接收（RXD）管脚，一般情况下不要将模块连接到这两个管脚上；数字引脚2、3为中断接口，分别对应中断序号0、1；数字管脚上标示“~”符号的3，5，6，9，10，11，13号管脚可以用作PWM控制（PulseWidthModulation，脉冲宽度调制），实现类似模拟信号的输出效果。

　　模拟输入端口：A0-A5号管脚为模拟输入端口，其中A0-A5也可以用作数字输入/输出管脚。

　　电源供电接口：除了最重要的I/O口外，还有电源部分(红色排座)。UNO可以通过两种方式供电，一种通过USB供电，另一种是通过外接6~12V的DC电源。

　　板载上的4个LED灯：ON是电源指示灯，通电就会亮；L是接在数字口13上的一个LED，可以通过程序控制，在后面的教程中会进行详细介绍；TX、RX是串口通讯指示灯，比如我们在下载程序的过程中，这两个灯就会不停闪烁。

　　大脑助手——扩展板

　　扩展板可以直接插接在UNO控制板上，具有相应的功能。图中是EasyIOShield传感器扩展板，具有防反接设计，支持ArduinoUNO的I/O扩展，板上提供了多组电源输出，各种传感器即插即用，简单便捷。

　　人工智能涉及内容非常宽泛，随着技术的进步，其应用领域被不断拓展。人工智能课程内容体系应突出整体性、系统性和内在逻辑性，既要能够全面地呈现人工智能发展的全貌，又要能够在重点技术上引导学生深入体验、实践和创新。因此，课程内容可以由“知识积淀”“应用体验”和“实践创新”三大模块组成，以体现知识和能力培养的螺旋上升过程。三个模块的知识体系构建强调以学科知识的发展和学生能力发展为线索，由浅入深、由表及里，体现出“从生活经验走向技术，从体验应用走向创新，从智能素养走向社会”的理念。

　　撰稿：郭长远

　　编辑：徐微

　　审核：魏艳红