陈杰 南京师范大学附属中学树人学校信息技术高级教师，中国电子学会会员，江苏省计算机学会会员，江苏省科普作家学会会员、《无线电》杂志项目与制作专栏作者。致力于创客教育、STEAM教育研究，出版创客类图书3本。所带学生在各级各类创客大赛、创新大赛中成绩优异。
教学背景
教育部《教育信息化“十三五”规划》中明确提出要探索STEAM教育、创客教育等创新教育模式。在此背景下，笔者以麦昆机器人成长学习过程中遇到的问题为主线，以问题解决为导向，以激发学生创新意识为目标，将传统制造技艺、开源与人工智能技术、创客思维和STEAM教育理念相结合，兼顾并协调学生科学素养、人文精神和艺术涵养的发展。
本课的教学对象宜为小学高年级和初中学生。他们的认知发展正处于由具体运算阶段（7～12岁）向形式运算阶段（12～15岁）过渡时期，借助具体的硬件支持（麦昆机器人及其周边开源的软硬件器材）可以系统地学习科学原理和数学规则，启发概括能力，逐步掌握逻辑推理、归纳演绎能力。
教学目标
1.了解MQTT协议及其使用。
2.掌握多种识别算法的综合应用。
3.通过SIoT物联网平台上传数据并与掌控板之间展开双向通信。
STEAM视野
技术：视觉识别、物联网。
工程：数据通信、机械组装。
教学准备
麦昆机器人套件、micro:bit控制板、MU视觉识别传感器、物联网模块、掌控板、舵机各1件，铜柱、螺丝若干。
教学过程
一、情境导入
师：麦昆走进无人路段，并且已经将行走路线传回总部，但后方总部对传回的数据并没有完全理解，因此希望麦昆能够将道路重新进行标记并传回。如果遇到道路被障碍阻断的情况也及时传回，由总部决定是否开启清障工作。如果总部同意清障，麦昆将现场展开一场道路救援工作……请你帮助麦昆完成这些任务吧。
二、讲授知识
1.MQTT协议
MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输）是ISO标准下基于发布/订阅范式的消息协议。该协议构建于TCP/IP协议上，起初是为了硬件性能低下的远程设备以及网络状况欠佳情况而设计的。MQTT是一个基于客户端、服务器的传输协议，具有轻量、简单、开放和易于实现的特点，因此适用范围很广，在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用。
2.多种识别算法分析
本例中MU视觉识别传感器综合使用了3种识别算法，分别为交通卡片识别、数字卡片识别、形状卡片识别。麦昆通过交通卡片来识别道路行驶信息；通过数字卡片来标注道路信息；通过形状卡片来模拟路况信息。
三、操作实践
1.明确任务需求
师：本例中我们使用掌控板与麦昆通信，而两者通信是通过SIoT物联网平台进行数据交换的。其中麦昆利用MU视觉识别传感器，通过Topic0将道路信息、行驶信息等上传到SIoT物联网服务器端，同时，掌控板也能接收到来自SIoT物联网服务器端的数据，继而在OLED屏上做出相应的反馈；而路况信息则通过Topic1将数据上传到SIoT物联网服务器端，掌控板可以同步接收数据。另外掌控板也可以发送数据到SIoT物联网服务器端，然后再传回给麦昆。麦昆端接收到来自掌控板的数据后，做出相应的反馈，从而实现在麦昆、SIoT、掌控板三者之间的双向数据流，如图1。
2.电路连接
将舵机、MU视觉识别传感器、物联网模块与麦昆连接。
3.结构搭建
在麦昆车体前端安装两个支撑铜柱；拿出前叉和前叉固定件，用螺丝安装固定前叉总成；用螺丝将曲臂与舵盘固定；将舵机安装固定在舵机槽位；将舵盘卡在舵机上；安装其余的曲臂；安装前叉机械臂；将前叉机械臂固定在麦昆车体前端的两根铜柱上。
4.编程实践
程序编写包括两部分：掌控板端程序和麦昆端程序。
（1）部署掌控板端编程环境
打开Mind+软件，点击“扩展”，选择“主控板”页面，添加“掌控板”；完成上述步骤后，再切换到“网络服务”，选择并添加“MQTT”和“Wi-Fi”指令集。
（2）编写掌控板端程序
掌控板端程序实现的功能是数的发送和接收。编写掌控板主程序，完成SIoT物联网平台参数设置，如图2。
编写接收行驶信息和道路信息的程序，如图3。
编写接收路况信息的程序，如图4。
（3）部署麦昆端编程环境
点击“扩展”，选择“套件”页面，添加“micro:Maqueen（麦昆）”，将编程环境切换到Maqueen扩展指令集，然后切换到“传感器”模块，选择并添加“视觉识别摄像头”。
（4）编写麦昆端程序
编写麦昆主程序并完成SIoT物联网平台参数设置（参看掌控板部分）；编写道路状况数据发送程序，如图5；编写道路清障数据发送程序，如图6；最后编写识别交通标志程序及识别道路信息程序。
5.运行测试
将麦昆和掌控板分别通电，进行系统初始化，如图7。掌控板通电后，在OLED屏上会依次显示Wi-Fi连接成功、MQTT连接成功等信息。打开浏览器，输入地址，登录SIoT服务器，设置相关参数。
四、拓展延伸
师：在同学们的帮助下，麦昆成功完成了总部交给的任务。但是我们发现麦昆车头的前叉只有1个上下方向的自由度，你能否帮助麦昆改造机械结构？增加1个左右方向的自由度，使其成为2个自由度的机械结构。
教学反思
本课以STEAM教育理念为指导，倡导跨学科的STEAM学习方式，将科学、技术、工程、艺术和数学有机融为一体，提升了学习的趣味性，让学生在学中玩、在玩中学、在玩中创，为把学生培养成会科学探究、善技术实践、有艺术品位、能工程创新的复合型人才奠定了基础。
