课程 | 智慧园林:人工智能主题的STEAM与创客整合课程

发布于 2021-04-26 02:09 ，所属分类：知识学习综合资讯

《智慧园林》是一门高中学段的STEAM与创客教育整合课程，依托CAD平面设计，利用激光切割技术、物联网技术、远程通信技术等搭建智慧园林系统，实现一个自动调节环境状态、可以远程控制的园林。




由开物科教团队研发的《智慧园林》课程依据普通高中物理、数学、信息技术等多学科课程标准，以工程实践触发科学探究，以CAD、激光切割机等技术装备支撑科学探究，实现跨学科领域的知识整合。





课程各模块介绍




模块一 初识智慧园林


该模块首先利用头脑风暴的方法，进行智慧园林的需求分析，其次带领学生对智慧园林进行系统设计，确定智慧园林中所包含的各个系统，最后请学生进行智慧园林模型框架的设计与制作。



与《中国学生发展核心素养》的关联

  • 理性思维：崇尚真知，能理解和掌握基本的科学原理和方法；尊重事实和证据，有实证意识和严谨的求知态度；逻辑清晰，能运用科学的思维方式认识事物、解决问题、指导行为等。

与《普通高中物理课程标准》的关联

  • 2.4.1 知道非电学量转换成电学量的技术意义。




模块二检测系统


该模块首先让学生对土壤湿度传感器、温湿度传感器以及光线传感器的功能进行测试与调试，使学生了解了三种传感器的科学原理。


然后，让学生利用CAD和激光切割技术封装各个传感器，设计并制作出智慧园林的生长监测系统。



与《中国学生发展核心素养》的关联

  • 勇于探究：具有好奇心和想象力；能不畏困难，有坚持不懈的探索精神；能大胆尝试，积极寻求有效的问题解决方法等。

与《普通高中信息技术课程标准》的关联

  • 1.7 掌握一种程序设计语言的基本知识，使用程序设计语言实现简单算法。通过解决实际问题，体验程序设计的基本流程，感受算法的效率，掌握程序调试与运行的方法。

  • 6.6 根据设计方案，利用开源硬件的设计工具或编程语言，实现作品的各种功能模块。




模块三调节系统


首先，带领学生在检测系统的基础上设计制作园林的调节系统，主要包括：温度调节系统、自动灌溉系统和自动排水系统。


然后，带领学生将三大调节系统安装在智慧园林的底板上并进行调试，调试完成后学生将完成工程调试表。




与《中国学生发展核心素养》的关联

  • 问题解决：善于发现和提出问题，有解决问题的兴趣和热情；能依据特定情境和具体条件，选择制订合理的解决方案；具有在复杂环境中行动的能力等。

与《普通高中物理课程标准》的关联

  • 2.2.2通过实验，探究并认识平抛运动的规律。会使用运动合成分解的方法分析平抛运动。体会将复杂运动分解为简单运动的物理思想。能分析生产生活中的抛体运动。

  • 2.2.3会用线速度、角速度、周期描述匀速圆周运动。

与《普通高中通用技术课程标准》的关联

  • 1.1.7说明技术语言的种类及其应用，识读简单的机械加工图、电子线路图、效果图、装配图等常见的技术图样。运用手工绘图工具和 简易绘图软件绘制草图、简单的三视图，用恰当的技术语言与他人交 流设计思想和成果。

  • 1.2.8理解控制、控制系统的含义及在生产和生活中的应用，通过 案例分析了解手动控制、自动控制、智能控制的特点。




模块四 辅助系统


该模块以智慧园林的辅助系统为切入点。首先，学生将设计制作迎宾器实现“创意迎客”。


然后在探究迎客松的奥秘的基础上，设计制作模具进一步加深学生对植物向光性的理解。


最后利用CAD和激光切割技术封装传感器，并将相关设备安装到智慧园林的对应位置。



与《中国学生发展核心素养》的关联

  • 理性思维：崇尚真知，能理解和掌握基本的科学原理和方法；尊重事实和证据，有实证意识和严谨的求知态度；逻辑清晰，能运用科学的思维方式认识事物、解决问题、指导行为等。

  • 信息意识：能自觉、有效地获取、评估、鉴别、使用信息；具有数字化生存能力，主动适应“互联网+”等社会信息化发展趋势；具有网络伦理道德与信息安全意识等。

与《普通高中生物课程标准》的关联

  • 1.6.1 概述科学家经过不断的探索，发现了植物生长素，并揭示了它在调节植物生长时表现出两重性，既能促进生长，也能抑制生长。

与《普通高中物理课程标准》的关联

  • 2.4.2 通过实验，了解常见传感器的工作原理。会利用传感器制作简单的自动控制装置。

  • 1.3.1 通过实验，理解光的折射定律。会测量材料的折射率。




模块五云端控制


学生将在老师的带领下认识OneNET云平台，然后学生将使用mPython软件和OneNET云平台实现对智慧园林的远程控制。通过此过程使学生认识云计算的工作方式。




与《中国学生发展核心素养》的关联

  • 技术运用：理解技术与人类文明的有机联系，具有学习掌握技术的兴趣和意愿；具有工程思维，能将创意和方案转化为有形物品或对已有物品进行改进与优化等。

与《普通高中信息技术课程标准》的关联

  • 2.2 通过分析典型的信息系统，知道信息系统的组成与功能，理解计算机、移动终端在信息系统中的作用，描述计算机和移动终端的基本工作原理。

  • 2.3 通过分析物联网应用实例，知道信息系统与外部世界的连接方式，了解常见的传感与控制机制。

  • 6.6 根据设计方案，利用开源硬件的设计工具或编程语言，实现作品的各种功能模块。




模块六 总结与分享


学生将使用XMind软件对整门课程进行复习总结，然后各个小组的学生将在教师的带领下进行班级巡展，分享自己制作的智慧园林。




与《中国学生发展核心素养》的关联

  • 信息意识：能自觉、有效地获取、评估、鉴别、使用信息；具有数字化生存能力，主动适应“互联网+”等社会信息化发展趋势；具有网络伦理道德与信息安全意识等。






通过本课程，学生能够从实际情境出发，先确定工程项目的需求，再明确要解决的问题，然后设计解决问题的系统、编程实现系统功能，最后集成和实现现代化智慧园林。


这门课程涉及了大量高中科学知识，如平抛运动、光合作用等，学生利用这些科学知识实现了系统功能，同时又在实践中观察到理论知识和现实观测的差异。


本课程着重训练学生的工程设计能力。在封装各系统的过程中，不仅要严格按照Arduino的尺寸进行封装设计，而且要考虑智慧园林中各个系统的协同。


学生在这门课程中被要求“像工程师一样去思考”。学生的每个活动均要求按照真实工程的一般步骤进行，即：需求分析——系统设计——实施制作——调试优化。


简而言之，这门课能够帮助学生理解学习科学知识，提高学生的工程设计能力，培养学生的工程思考，全面提升学生的核心素养。






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撰文张金胜

插图张金胜

编辑张金胜

审核吴一凡






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