设计依据

当下是一个“程序驱动”数字化工具渗透到人们生活、学习和工作等方方面面的时代，信息技术成为重构社会生产关系和生产力的关键技术，引发人工智能的迅猛发展。本项目希望通过智能语音学习机器人的设计与制作，让学生体验人工智能的魅力，理解人工智能的内涵及意义，培养学生合作、创新、计算思维等核心素养。

课例特色

本项目经历项目框架设计—外形设计—硬件搭建—软件配置—调试展示，最终制作出一个学生自己喜欢的智能语音学习机器人。项目的综合性很强，需要利用3D设计软件和3D打印机设计并制作产品外壳及底板，这需要美术、科学、数学、信息技术学科的相关知识；同时还要运用Arduino Uno主控板、语音识别模块、舵机等设计出语音对话功能和语音控制功能，让学生体会深度学习的意义，这需要数学、信息技术学科的知识和技能。

整个活动采用项目化学习方式，体现创客教育和STEAM教育的精髓，让学生在项目过程中提高动手能力、动脑能力和创新能力，培养其合作意识，努力提升其信息技术核心素养。

内容呈现

一、创意来源

人工智能已经来临，你心目中的人工智能是什么？你觉得人工智能的特征是什么？你想拥有的人工智能设备是什么样的？学生通过思考讨论得出：拥有独特外形，可以跟它对话，可以控制它的行动，可以让它成为自己学习的伙伴……

教师归纳总结：这就是一款智能语音学习机器人，想不想亲手制作出来？这样学生的学习制作兴趣和动力被激发，从而愿意投入精力去体会、领略人工智能的魅力和乐趣。

二、框架及特征规划

智能语音学习机器人的设计和制作是一个典型的将科学、技术、工程、数学、艺术等学科综合运用的STEAM课程。教师引导学生讨论得出，这个项目可分为外在框架和内在框架两部分：外在框架包含机器人的外形和底板设置；内在框架包含硬件搭配和软件配置。在框架分析后，总结出机器人所具有的特征：1.拥有自己喜欢的外形——小黄人；2.可以语音对话；3.可以语音控制行走；4.具有学习功能。

三、项目制作实践

1.策划分组 根据框架建构规划，教师和学生分为三组：A组为外形框架设计组，负责使用3D设计软件设计出小黄人外壳和底板，并通过3D打印机打印出成品，主要涉及美术、科学、数学、信息技术学科；B组为内在框架设计组，负责实现语音对话和语音控制机器人行走功能，主要涉及电子硬件、编程技术方面；C组为技术指导组，由美术、数学、科学、信息技术等教师组建而成，全程指导项目进行。

2.硬件准备 A、B两组根据分工，与指导组一起，依据对应实现功能，准备好所需工具和材料。通过投票，大家选择了“小黄人”作为外形，A组选择使用3DOne软件进行3D设计，利用3D打印机打印成品；B组需要准备Arduino Uno主控板及扩展板、语音控制模块、舵机、万向轮等。

3.外形及底板设计制作 这个环节前半部分由美术教师和科学教师负责，指导学生实现外形设计并保证其平衡性，后半部分由信息技术教师负责，指导学生利用3D设计软件将其设计并打印出来。

美术教师先让学生观察小黄人的图片或实物，在纸上进行构图，并结合B组购买的材料大小，确定小黄人的内径尺寸，在此基础上将小黄人身体、头部、眼睛、头发部分按尺寸数据画在稿纸上。然后在科学教师的指导下，根据主控板及扩展板、语音控制模块、舵机、万向轮的大小和重量，设计出底板的孔位和装置安装的位置，要求数据精确到毫米。

按照设计的数据，再由信息技术教师指导，运用3D设计软件进行三维模型设计，然后根据3D打印机所能打印的尺寸进行分割。该环节进行时由于任务量大，把A组又分成了三组，分别负责身体和头部、眼睛、底板的制作，制作好之后再进行合成打印。（如图1、图2）

4.智能系统构建

（1）理解制作原理

结合购买的硬件，教师指导学生理解并画出硬件系统的原理图（如图3）。

通过理解原理图，熟悉整个硬件搭建的线路，然后熟悉各个硬件连接之间引脚的名称和功能。

（2）设计语音命令和语音库

学生通过自学语音控制模块软件说明，自己设计语音命令和语音库。（如图4）

（3）编制智能控制程序

由于使用了语音控制模块，不能使用ArduBlock进行积木化编程，只能直接使用C语言进行编程，这给项目增加了难度，同时也充满了挑战。教师先讲解前进命令的设置代码，如果变量val（语音控制模块通过串口传输的数据）等于1，那么分别给D9、D10端口赋值180和0，使左轮全速逆时针转动，右轮全速顺时针转动，实现机器人前进。通过触类旁通的方法，学生很快研究出了后退及其他的控制代码（如表1）。

通过此次训练，代码在学生面前不再是冰冷的字母，而是充满了乐趣和生命力。

（4）智能控制子系统测试

对智能控制子系统进行整体测试，检测是否存在bug，并进行修复完善。

四、总装测试展示

A、B两组将设计的小黄人外壳、机器人底板和智能控制系统进行总装（如图5），然后运行整个系统，测试其各项性能，并向专家、教师、同学进行展示，与机器人聊天，实现语音控制其前进、后退、转弯以及部分学习功能。

实践反思

通过项目的实施和学习，在科学、工程、数学、艺术等学科知识的综合运用中，学生初步掌握了STEAM的创作方法，从外形设计、内部智能系统的搭建等方面完成项目，培养了其想象力、创造力，提升了小组间的合作表达能力。

拓展提升

1.分析整个硬件系统，分析智能控制部分还可以增加哪些功能。
2.思考现有的硬件系统，除了智能机器人的制作，还可以应用在哪些场景中。
3.初步感知人工智能的含义和魅力，畅想一下自己对人工智能的想法和展望。

教学点评

本课从学生的兴趣入手，引导学生在玩中学，做中学，充分展现了STEAM教育的魅力，学生从中亲身体会到人工智能的理念，感悟到项目化学习课程的乐趣与智慧。

整个项目以学生为中心，注重小组合作交流，让学生自己发现问题、思考问题、解决问题，培养了学生的创新意识、合作能力等信息技术核心素养，这样的项目值得我们去研究和推广学习。（点评人：孙伟，江苏省南通市教育科学研究院信息技术教研员）

章红 大学本科学历，江苏省南通市海安县开发区实验学校教师，上湖创客空间负责人。南通市信息技术中心组成员，曾担任江苏省教学新时空嘉宾，参与省级考试命题。2017年江苏省信息技术基本功大赛一等奖，南通市信息技术优课评比、基本功评比、信息化教学能手一等奖。