张小珍   江苏省南京市古平岗小学教师，南京大学计算机科学与技术本科，学士学位。南京市师德先进个人，曾获鼓楼区“能手教师”“新秀教师”称号，南京市鼓楼区信息技术学科带头人，i3DOne青少年三维创意社区优秀“创客导师”，全国OMMC线上创客马拉松“优秀科技辅导员”，参与鼓楼E学校在线课堂网络公开课录课，多次获“南京市网络文明夏令营优秀辅导员”称号，《献给抗疫英雄的礼物》获“中望杯”全国中小学教师三维创意及教学设计大赛三等奖，多篇论文获奖与发表，多次赛课获奖。辅导学生参赛并多次获奖，2020年6月辅导学生参加iHope Space双足机器人挑战赛,获金奖和最佳人气奖。
 

设计依据

《中国教育现代化2035》明确指出，人工智能对未来教育发展有促进作用和革新价值。作为人工智能的未来形态，人机混合增强智能对智能教育的发展将起到重要的推动作用。2006年国务院发布了《国家中长期科学技术和发展规划纲要》,将虚拟现实技术列为信息技术优先的三大前沿技术之一,可见虚拟现实技术具有巨大发展潜力与空间。本课基于生活实际问题，通过三维建模、编程、虚拟现实人工智能等技术手段尝试智能模拟停车现场，解决停车难的问题，避免停车事故的发生。

课例特色
 

虚拟现实技术具有超强的仿真系统，综合了计算机图形技术、计算机仿真技术、传感器技术、显示技术等多种科学技术，具有3I特性：沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）、构想性（Imagination）。

特色1：“沉浸性”情境，启发想象力
 

沉浸性又称临场感，指用户在虚拟环境中的真实感。本课以学生为主体、以问题为中心，让学生自主探究问题，发挥想象力和创造力。教师从各种停车事故这一真实情境出发，引导学生研究出一种能让小车智能识别、智能测距停车的方案。学生在仿真实验过程中，体验参与的快乐，获得解决问题的成就感。
 

特色2：“交互性”操作，拓展学生的创新思维
 

虚拟现实的交互能力依赖于3D显示和传感器技术。通过问题的分析、建模设计到3D One AI编程实现智能识别、智能测距停车，最终实现VR人机交互，学生在探究学习以及解决问题的过程中拓展了计算思维与创新思维。
 

特色3：“构想性”探究，提升多元智能
 

构想性又称自主性，学生能在虚拟世界的多维信息空间中，发挥主观能动性，经历小组合作、任务驱动等一系列自主探究活动。本课例整合了数学（规划尺寸）与艺术（画草图）、信息技术（三维模型设计、编程）等多学科，融合了多种技术。实践过程中学生要像工程师一样地思考，从不同层面、不同角度分析问题需求，自主探究解决问题的策略，提高团队协作能力、问题解决能力和实践能力，提升多元智能。

教学目标

核心素养目标 《江苏省义务教育信息技术课程纲要》（2017版）要求以学生发展为本，注重学生信息知识与能力的主动建构，培养学生的创新能力与实践能力，具体包括信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任等核心素养。
 

课程目标 利用已有的知识找到解决问题的途径，提高信息获取能力，将问题解析后进行分层求解，体验AI的编程设计思维、算法的优化，最终实现人机交互的VR场景，达到深度数字化创新学习。

教学重点与难点
 

教学重点  利用虚拟摄像头、图片文字识别、虚拟传感器、电子显示屏等AI技术，实现VR模拟解决现实生活中的问题。
 

教学难点  优化算法，深度数字化创新学习。
 

教学过程
 

一、问题导入，明确学习目标
 

教师用图片展示停车事故、停车难等问题，引出2W1H问题（What，Why，How）。
 

问题1：聊一聊生活中的停车问题。（What，启智明析）

教师引导学生透过现象看本质，学生观察、思考、交流。
 

问题2：如何减少生活中的停车事故？（How，发散思维）
 

教师引导：如果停车时有信息警示或距离提示，是不是可以减少停车事故？

学生提出假设，迭代思维。
 

问题3：用什么方法解决？为什么这样想？（Why，计算思维）
 

学生构建问题模型，运用算法模拟解析问题。
 

问题4：如何实现虚拟现实？
 

运用数学、艺术、工程、信息技术等知识，融合3D设计、AI、虚拟现实等多种技术，设计解决方案，然后优化程序、验证假设，从而解决问题。
 

设计意图：教师通过一系列的问题发散学生思维，将项目分解成N个学生能解决的小问题，让学生逐个突破，经历“发现问题—分析需求—提出假设—寻找解决方案—搭建、完善、优化程序—解决问题—验证假设—拓展创新”的过程，提升学生的迭代思维、计算思维、创新思维。

二、无人车建模设计
 

整体规划无人车停车模型并设计图纸，定制实体尺寸，用3D One软件建模设计该项目实体部分，其中包括：跑道，摄像头（在车头），小车（距离传感器），显示屏（虚拟显示器）。具体模型如图1。

三、3D One AI 编程实现人工智能虚拟现实
 

3D One AI软件集三维创新设计、人工智能、开源硬件、编程、VR于一体，能实现多技术融合。无人车系统建模完毕后，进入3D One AI一体化平台进行全局属性、物理属性、关节设置，接着进入AI程序设计编程环节,模拟现实生活中停车场景。本案例重点阐述程序设计模块，程序的算法思想是：假设停车区域有电子屏，当电子屏显示“此处可停车”时，无人车通过智能识别后驶入该区域；当无人车接近停车位临界边缘时，利用测距传感器判断距离，从而智能安全停车。（由于智能识别功能要求硬件性能较高，一般设备达不到要求，所以本程序中用“开”简化替代“此处可停车”文字内容。）

1.程序设计——小车运动
 

师：怎样让小车在规定的路上行驶？如果车子出现抖动、卡顿、行驶不理想等问题——怎么办？
解决方案：调整小车行驶速度与等待时间参数值，如图2。

2.程序设计——智能识别

小车已经能正常行驶，当电子屏显示“开”，识别判断程序通过图像识别文字，判断摄像头观测到的文字是否包含“开”，实现智能识别，如图3。无人车经过识别判断可以停车后，正常驶入该区域，准备停车。

3.程序设计——智能测距
 

师：小车经智能识别并在规定的线路上正常运行，那如何实现智能停车？距离传感器来帮忙。我们可以利用条件判断语句来执行，如果智能测量距离大于20，则小车继续往前行驶；如果智能测量距离小于或等于20，则小车自动停车，如图4。

4.程序设计——人机交互
 

师：如果摄像头、传感器、显示器一直处于启动状态等待运行，既浪费电又损耗设备，如何解决耗材耗电的问题？
 

解决方案：在程序中加入触发控制模块实现人机交互，比如“当按下键盘a”开始执行启动所有的程序，如图5。

四、启动仿真，调试运行
 

编程结束，进入仿真循环环境进行调试运行，启动虚拟摄像头和图片文字识别、虚拟传感器、电子显示屏程序，单击“启动仿真”，程序开始运行。如果出现卡顿等问题，可以修改参数，优化程序后再调试运行，直到达到理想状态。仿真循环界面VR交互场景效果如图6。

实践反思
 

本课例从生活实际出发，以学生为本，从项目的问题需求分析，引导学生像工程师一样思考，在建模、编程、智能仿真VR场景等一系列探究实践活动中，循序渐进地进行有意义的知识建构，融合多学科、多技术解决生活中的现实问题，感受人工智能对生活的改变。“沉浸式”VR情境提升了学生的数字化创新学习能力，提高了学生的核心素养。由于AI和VR教学对硬件性能要求较高，而大部分学校计算机设备无法达到要求，会引发虚拟摄像头灵敏度不够、VR场景模拟时发生卡顿等问题，如何提高AI和VR教学的普适性，值得所有研究人员进一步探究。

（本课件由i3DOne青少年三维创意社区推荐）