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中学信息技术课实验室建设

(2019-12-31 21:45:35)
标签:

人工智能

教育

飞瑞敖

实验室

中学信息技术课实验室建设

 

1.课程介绍

1.1 建设背景-信息技术课介绍

        信息技术作为当今先进生产力的代表,已经成为我国经济发展的重要支柱和网络强国的战略支撑。信息技术覆盖了获取、表示、传输、存储和加工信息在内的各种技术。自电子计算机问世以来,信息技术沿着以计算机为核心、到以互联网为核心、再到以数据为核心的发展脉络,深刻影响着社会的经济结构和生产方式,加快了全球范围内的知识更新和技术创新,推动了社会信息化、智能化的建设与发展,催生出现实空间与虚拟空间并存的信息社会,并逐步构建出智慧社会。信息技术的快速发展,重塑了人们沟通沟通交流的时间观念和空间观念,不断改变人们的思维和交往模式,深刻影响人们的生活、工作与学习,已经超越单纯的技术工具价值,为当代社会注入了新的思想与文化内涵。提升中国公民的信息素养,增强个体在信息社会的适应力与创造力,对个人发展、国力增强、社会变革有着十分重大的意义。

普通高中信息技术课程是一门旨在全面提升学生信息素养,帮助学生掌握信息技术基础知识与技能、增强信息意识、发展计算思维、提高数字化学习与创新能力、树立正确的信息社会价值观和责任感的基础课程。课程围绕高中信息技术学科核心素养,精炼学科大概念,吸纳学科领域的前沿成果,构建具有时代特征的学习内容;课程兼重理论学习和实践应用,通过丰富多样的任务情境,鼓励学生在数字化环境中学习与实践;课程倡导基于项目的学习方式,将知识建构、技能培养与思维发展融入到运用数字化工具解决问题和完成任务的过程中;课程提供学习机会,让学生参与到信息技术支持的沟通、共享、合作与协商中,体验知识的社会性建构,增强信息意识、理解信息技术对人类的影响,提高信息社会参与的责任感与行为能力,从而成为具备较高信息素养的中国公民。

2017版普通高中信息技术课程标准将信息技术课程分为必修,选择性必修和选修模块三类共10个模块,如图1-1所示。

必修课程根据学生全面发展需要设置,全修全考;选择性必修课程根据学生个性发展和升学考试需要设置,选修选考;选修课程由学校根据实际情况统筹规划开设,学生自主选择修习,学而不考或学而备考,为学生就业和高校招生录取提供参考。

本方案围绕信息技术课程下选择性必修模块4:人工智能初步课课程教学大纲开展设计,首先介绍了该课程的教学要求,其次围绕教学要求设计出满足该课程开设的整体化实验室建设解决方案。
 

1.2 人工智能初步课课程简介

        人工智能是通过智能机器延伸、增强人类改造自然和治理社会能力的新兴技术。近年来,人工智能的发展呈现出深度学习、跨界融合、人机协同等新特征,推动了社会各领域从数字化、网络化相智能化的跃升,深刻改变着人们的生活方式和思维模式。本模块是针对人工智能的发展特征,从基础知识与应用、简单人工智能模块搭建及开发等方面设置的选择性必修模块。

通过本模块的学习,学生应该了解人工智能的发展历程及概念,能描述典型人工智能算法的实现过程,通过搭建简单的人工智能应用模块,亲历设计与实现简单智能系统的基本过程与方法,增强利用智能技术服务人类发展的责任感。

本模块包括“人工智能基础”、“简单人工智能应用模块开发”、“人工智能技术的发展与应用”三部分内容。
 

1.3 人工智能课课程内容要求

1)描述人工智能的概念与基本特征;知道人工智能的发展历程、典型应用与趋势。

2)通过剖析具体案例,了解人工智能的核心算法(如启发式搜索、决策树等),熟悉智能技术应用的基本过程和实现原理。

3)知道特定领域(如机器学习)人工智能应用系统的开发工具和开发平台,通过具体案例了解这些工具的特点、应用模式及局限性。

4)利用开源人工智能应用框架,搭建简单的人工智能应用模块,并能根据实际需求配置适当的环境、参数及自然交互方式等。

5)通过智能系统的应用体验,了解社会智能化所面临的伦理及安全挑战,知道信息系统安全的基本方法和措施,增强安全防火意识和责任感。

6)辩证认识人工智能对人类社会未来发展的巨大价值和潜在威胁,自觉维护和遵守人工智能社会化应用的规范和法规。
 

1.4 人工智能初步课教学提示

       在本模块教学中,教室既可以通过案例分析、项目设计等方式,引导学生拓展思维,也可以向学生展示或剖析比较典型的智能系统,如早期的专家系统以及深蓝(Deep Blue),沃森(Watson),阿尔法围棋(AlphaGo)和百度大脑等系统。

在引导学生发现问题、尝试用人工智能方法解决问题的过程中,让学生初步了解和体验人工智能的特点,感受智能技术对生活与学习带来的影响,进一步激发学生学习和探究新技术、新知识的积极性,提高他们综合应用信息技术的能力。

在学习有关人工智能基础知识方面的内容时,可多采用案例剖析法,让学生在模仿中习得,在创造中推新。尽可能利用学生在必修、选择性必修等课程学习中取得的经验,降低学习障碍,保证学习效果。

在学习简单系统开发内容时,可以采用小组合作、项目学习等方式组织教学,充分利用丰富的开源硬件和人工智能应用框架等资源,搭建面向实际生活的应用场景,发挥学生的自主学习与探究学习的能力,鼓励学生积极探究、大胆实践、激发学生的创新思维。
 

1.5 人工智能初步课学业要求

       学生能描述人工智能的基本特征,会利用开源人工智能应用框架,搭建简单的智能系统(计算思维)。了解人工智能的新进展、新应用(如机器学习,自动翻译,人脸识别,自动驾驶等),并能适当运用在学习和生活中(数字化学习与创新)。了解人工智能的发展历程,能客观认识智能技术对社会生活的影响(信息意识、信息社会责任)。

2.七位一体人工智能教育服务

2.1 空间设计-高中人工智能实验室

       为配合学校《人工智能初步》课程的开设,建设人工智能初步实验室,并提供相关软硬件支持,为学生们创造动手实践的场地空间。标准的人工智能初步实验室效果图下图2-1所示,实验室整体空间为1间12*8米标准教室,配备有典型的人工智能应用场景沙盘-智能家居沙盘、智能农业沙盘以及智能交通沙盘各一台,学生桌椅及教学电脑若干,可供至少35名学生同时上课实验。

2.2 硬件-核心硬件介绍

2.2.1 人工智能开发沙盘-智能家居

产品概述

        K12-P01-11型人工智能开发沙盘-智能家居结构部分由不锈钢底座和亚克力家居实景模型两部分组成,实景模型按照两室三卫一厅一花园户型设计。人工智能开发沙盘-智能家居装配有-智能家居系统核心设备智能家居网关,用于控制房间灯光的智能两位开关,用于控制房间窗帘的智能窗帘电机,用于控制家电设备的智能插座,用于采集环境数据的温湿度传感器,用于安防监控的摄像头、智能门磁、人体感应探测器以及用于遥控家电设备的红外遥控器等设备。所有设备之间均采用Zigbee无线通信协议进行互联互通。用户既可以直接使用配套提供的Android APP软件对整个智能家居系统进行控制体验智能家居应用,也可以根据配套提供的二次开发资源,设计并自行开发上位机软件,完成课程实验。

智能家居开发沙盘由沙盘实景和4个工作台组成,每个工作台支持3-4名学生一组进行实验,每个工作台上分别安装有多个传感器及控制器节点,各个节点通过Zigbee网络相连,工作台内嵌台式电脑,学生需在电脑上使用Python语言开发程序采集传感器数据,控制灯光、窗帘等设备,并通过设计,实现智能家居系统的设计。系统由无线路由器、摄像头、智能家居网关、多功能控制板、各传感器和执行器以及PC控制端组成。系统管理软件安装和运行在PC端上,各设备数据保存在网关中,用户可以通过我司的API接口调用和控制设备。

 

2.2.2 人工智能开发沙盘-智能农业

产品概述

        K12-P01-12型人工智能开发沙盘-智能农业结构部分由不锈钢底座和亚克力农业实景模型两部分组成。模型由温室大棚区和农产品深加工区两部分组成。

温室大棚区模拟了一个温室大棚场景,可以进行普通作物培养和无土栽培试验。该区域安装有多个传感器及控制器节点,各个节点通过Zigbee网络相连,把数据汇集到网关,用户可以连接到网关对设备进行操作。通过这个经典的物联网技术运用可以采集作物生长的数据(如土壤温湿度、光照等),也可以控制设备对作物进行补光、遮阳、滴灌、通风等操作。系统管理软件安装和运行在PC端上,各设备数据保存在网关中,用户可以通过我司的API接口调用和控制设备。

农产品深加工区运用了人工智能相关技术,科普了农作物的现代化加工与溯源过程。该区域深入浅出的介绍了图像识别技术和机械臂控制在农作物采摘过程中的运用、无人驾驶在产品运输过程中的运用、RFID技术在农产品溯源中的运用等。该区域的设备均开放控制接口给用户,用户可通过调用我司的API接口调用和控制设备。

2.2.3 人工智能开发沙盘-智能交通

产品概述

        如图2.2.17所示,广州飞瑞敖电子科技股份有限公司K12-P02-04型人工智能开发沙盘-智能交通由不锈钢底座,亚克力跑道场景模型以及运行在模型上的智能小车三部分组成。不锈钢底座内装配有温湿度、光照、继电器等传感及控制模块,对交通周边环境数据进行采集;亚克力跑道模型下埋有用于小车定位的RFID标签,跑道模型上装配有用于道路实时监控的摄像头、ETC收费亭、智能停车位、智能无线充电桩、智能公交车车站、楼宇市电控制、红绿交通灯以及路灯等设施;智能小车由STM32单片机做为核心MCU,车上集成有RFID读卡模块、超声波传感器、红外循迹模块、无线充电接收端、OLED显示屏、超高频标签等模块,实现无人驾驶、自动避障、无线充电等功能。所有模块之间均采用WiFi无线通信协议进行互联互通。用户既可以直接使用配套光盘提供的软件对整个智能交通系统进行控制体验智能交通应用,也可以根据配套光盘提供的二次开发资源,设计并自行开发上位机软件,完成课程实验。

产品功能详解

物联网智能交通系统主要包括:智能小车、智能交通系统(交通路口控制)、路灯自动控制系统、ETC系统、智能停车系统、智能无线充电系统、智能公交站系统、智能交通显示系统等。

2.3 软件-编程及应用软件

2.3.1 Python语言简介

        如本课程教学内容要求的第7点所述,要求学生掌握一种程序设计语言的基本知识。面对市面上常用的几十种编程语言中,无论从难易程度还是普及性来说,Python语言无疑是最适合高中生了解、学习和掌握的一门编程语言。


Python 简介

Python 是一个高层次的结合了解释性、编译性、互动性和面向对象的脚本语言。

Python 的设计具有很强的可读性,相比其他语言经常使用英文关键字,其他语言的一些标点符号,它具有比其他语言更有特色语法结构。

Python 是一种解释型语言: 这意味着开发过程中没有了编译这个环节。

Python 是交互式语言: 这意味着,您可以在一个Python提示符,直接互动执行写你的程序。

Python 是面向对象语言: 这意味着Python支持面向对象的风格或代码封装在对象的编程技术。

Python 是初学者的语言:Python 对初级程序员而言,是一种伟大的语言,它支持广泛的应用程序开发,从简单的文字处理到 WWW 浏览器再到游戏。


Python 特点

1)易于学习:Python有相对较少的关键字,结构简单,和一个明确定义的语法,学习起来更加简单。

2)易于阅读:Python代码定义的更清晰。

3)易于维护:Python的成功在于它的源代码是相当容易维护的。

4)一个广泛的标准库:Python的最大的优势之一是丰富的库,跨平台的,在UNIX,Windows和Macintosh兼容很好。

5)互动模式:互动模式的支持,您可以从终端输入执行代码并获得结果的语言,互动的测试和调试代码片断。

6)可移植:基于其开放源代码的特性,Python已经被移植(也就是使其工作)到许多平台。

7)可扩展:如果你需要一段运行很快的关键代码,或者是想要编写一些不愿开放的算法,你可以使用C或C++完成那部分程序,然后从你的

Python程序中调用。

8)数据库:Python提供所有主要的商业数据库的接口。

9)GUI编程:Python支持GUI可以创建和移植到许多系统调用。

10)可嵌入: 你可以将Python嵌入到C/C++程序,让你的程序的用户获得"脚本化"的能力。


2.3.2 智能家居VR体验软件

       智能家居VR体验软件采用虚拟仿真虚拟现实技术,再现家居的真实场景智能操作,以住宅为平台,利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成,构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统,提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性,并实现环保节能的居住环境,更并通过与专业智能家居功能点体验无缝对接,实现前所未有的现场实操体验。让学生在真实的家居模拟环境中掌握智能家居的原理项目流程和服务内容。家居流程部分结合家居管理信息系统,功能原理的使用,使学生掌握现代智能家居方式和内容。

1)系统能够支持自助模式和案例选择。     

2)系统实训流程分为:自主模式包括:(我的客厅、我的卧室、我的厨房、我的书房、智能总控、其他);案例选择包括:(家庭安全方案、智能照明方案、家庭健康方案、家电控制智能用电方案、空气质量控制方案、空气质量控制方案、老人、儿童关怀方案、自动灌溉喂宠方案);

2.3.3 智慧农业虚拟仿真及VR教学软件

       智慧农业虚拟仿真及VR教学软件又可分成虚拟仿真及虚拟现实两部分,其中虚拟仿真软件部分安装在PC机上,以显示器为现实部分,以键盘和鼠标为输入设备,从而与软件进行交互。而虚拟现实软件部分安装在VR头盔一体机上,学生佩戴VR头盔实现现实交互。

智慧农业虚拟仿真及VR教学软件均以智慧农业大棚生产作业为题材背景,让学生可以在教室内体验感受到智慧农业的与众不同。

基本功能可以在预设三维场景内进行实景漫游,了解物联网相关组网条件和环境,使学生对真实场景的物联网环境有一个模拟认知。

2.3.4 智能交通虚拟仿真及VR教学软件

        智能交通虚拟仿真主要从智能交通路口指挥、能源补充、高速公路行驶、智能停车场、智能公交、智能城市货运配送、智慧路灯等几个方面对智能交通的大概念做了具象的阐述,在三维场景中对一些原理做了形象的解释,同时后期可以根据学校和老师相关专业的知识点要求可以有目的的加入必要的知识点以完善和丰富这个软件。

智能交通指挥场景

 分为四个部分:安全座椅原理、测速测距原理、路口控制原理、磁感线圈原理。

安全座椅原理描述了安全座椅系统中所涉及到的模块与各个模块间的对应的关系联系方式。

微波测速测距阐述车联网中的辅助驾驶系统,中所涉及到的模块与各个模块间的对应的关系。

路口控制原理描述了控制器通过对摄像头传递来的交通路口的全景图像进行处理得到当前路口的拥堵状况并上传的流程方式。

感线圈原理描述了通过磁感线圈来检测道路拥堵状况并切上传的整个流程。

2.4 教材-人工智能(高中版)

       飞瑞敖七位一体高中人工智能教育服务配套教材-《人工智能(高中版)》于2019年3月26日由广东教育出版社正式发行,该教材由业内权威专家执笔主编,采用先进的PBL(项目式学习)思维,每一个章节都由一个项目组成,情景化,代入感强,由浅入深的引领学生学习人工智能的来龙去脉和典型应用案例,可读性强,趣味性高,非常适合用作高中阶段学生学习。

2.5 课程体系

飞瑞敖根据课标要求,结合高中生特点,配合教材和硬件,精心设计了一系列课程体系(如下表所示),并配套有完整的教案,课件及实训手册,省去老师备课工作。

序号

课程名称

类型

课时数

教学目标

1

初识人工智能

理论

1

1.了解人工智能的定义、主要流派及其发展历史
2.了解人工智能技术包括了什么,如:机器学习、自然语言处理、计算机视觉、人机交互、增强现实&虚拟现实
3.了解人工智能在零售、家居、农业、交通、公共安全、创作方面的应用

2

“分门别类”的人工智能算法(1)

理论
演示

1

1.了解什么是分类算法、聚类算法、回归算法(课后作业:尝试用python实现相关算法)

3

“分门别类”的人工智能算法(2)

练习

1

1.了解什么是分类算法、聚类算法、回归算法(课后作业:尝试用python实现相关算法)

4

“神通广大”的AI语言-Python

演示
练习

1

1.掌握Python环境搭建,并学习Python语法

5

用Python实现无线灯光控制

练习

1

1.学会使用Pycharm编写Python程序

6

python环境搭建

练习

0.5

1.学会安装python
2.学会安装pycharm
3.学会安装pip

7

python基础语法

练习

0.5

1.python基本命令
2.掌握python基本语法结构

8

python数据结构

练习

0.5

1.了解列表、字典、序列、元组等数据结构

9

循环、选择结构

练习

0.5

1.了解for循环、while循环的使用

10

python文件读写

练习

0.5

1.了解python文件的读写方法,
2.了解excel、txt等文件的读写

11

python方法

练习

0.5

1.了解python方法的创建及使用

12

练习

0.5

1.了解类的定义
2.掌握类的创建
3.掌握类的使用

13

模块

练习

0.5

1.了解模块的使用
2.掌握模块的创建

14

“言听计从”的风扇(1)

演示
练习

1

1.了解语音识别基本原理,掌握语音处理库的使用
2.学会使用Python控制智能硬件

15

“言听计从”的风扇(2)

练习

1

1.使用Python实现“听话”的电风扇

16

“慧眼识人”的门(1)

演示
练习

1

1.了解人脸识别基本原理,掌握人脸识别技术的使用
2.学会使用Python控制智能门

17

“慧眼识人”的门(2)

练习

1

1.使用Python实现会“认人”的门

18

“对答如流”的聊天机器人(1)

演示
练习

1

1.了解聊天机器人原理,学习Python网络套接字编程

19

“对答如流”的聊天机器人(2)

练习

1

2.学会调用人工智能开放API实现聊天机器人

20

“颠覆视野”的增强现实技术(1)

演示
练习

1

1.了解增强现实技术实现原理
2.学习Python Web编程
3.学习Flask、PyOpenGL库

21

“颠覆视野”的增强现实技术(2)

练习

1

1.通过开源增强现实库BAR4Py实现简单的增强现实程序

22

“体贴入微”的智能家电控制系统(1)

演示
练习

1

1.了解智能家居系统实现原理及其构成
2.了解人工智能结合物联网技术在智能家居系统的应用

23

“体贴入微”的智能家电控制系统(2)

练习

1

1.掌握智能应用需求分析方法
2.学会设计智能应用的方法

24

“看家护院”的智能安防系统(1)

演示
练习

1

1.学会通过Python实现智能应用

25

“看家护院”的智能安防系统(2)

练习

1

1.继续通过Python实现智能应用

26

“代替人工”的机械臂

理论
练习

2

1.了解机械臂的工作原理
2.通过python编程控制机械臂

27

“不费人力”的流水线

理论
练习

2

1.了解传送带的工作原理
2.通过python编程控制传送带

28

实现智能分拣系统

理论
练习

2

1.了解工厂中分拣的流程
2.通过python编程实现智能分拣系统

29

农产品盘点

理论
练习

2

1.了解RFID技术
2.了解RFID在仓储盘点中的应用
3.用python实现仓储盘点功能

30

农产品储存环境控制

理论
练习

2

1.了解农产品存储对环境的要求
2.了解使用传感器及控制设备调节储存环境

31

人工智能的伦理与安全

理论

1

1.了解人工智能产生的伦理问题,及人工智能的发展给人类带来的挑战
2.了解人工智能技术会产生哪些方面的安全隐患及其原因
3.了解防患方法和相关法律法规。

合计

32课时

2.5.1 人工智能课程列表

 详情访问:www.frotech.com

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