“麥昆成長記”STEAM教育系列課程

陳杰

教學背景

教育部《教育信息化“十三五”規劃》中明確提出要探索STEAM教育、創客教育等創新教育模式。在此背景下，筆者以麥昆機器人成長學習過程中遇到的問題為主線，以問題解決為導向，以激發學生創新意識為目標，將傳統制造技藝、開源與人工智能技術、創客思維和STEAM教育理念相結合，兼顧并協調學生科學素養、人文精神和藝術涵養的發展。

本課的教學對象宜為小學高年級和初中學生。他們的認知發展正處于由具體運算階段（7～12歲）向形式運算階段（12～15歲）過渡時期，借助具體的硬件支持（麥昆機器人及其周邊開源的軟硬件器材）可以系統地學習科學原理和數學規則，啟發概括能力，逐步掌握邏輯推理、歸納演繹能力。

教學目標

1.了解MQTT協議及其使用。

2.掌握多種識別算法的綜合應用。

3.通過SIoT物聯網平臺上傳數據并與掌控板之間展開雙向通信。

STEAM視野

技術：視覺識別、物聯網。

工程：數據通信、機械組裝。

教學準備

麥昆機器人套件、micro：bit控制板、MU視覺識別傳感器、物聯網模塊、掌控板、舵機各1件，銅柱、螺絲若干。

教學過程

一、情境導入

師：麥昆走進無人路段，并且已經將行走路線傳回總部，但后方總部對傳回的數據并沒有完全理解，因此希望麥昆能夠將道路重新進行標記并傳回。如果遇到道路被障礙阻斷的情況也及時傳回，由總部決定是否開啟清障工作。如果總部同意清障，麥昆將現場展開一場道路救援工作……請你幫助麥昆完成這些任務吧。

二、講授知識

1.MQTT協議

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸）是ISO標準下基于發布/訂閱范式的消息協議。該協議構建于TCP/IP協議上，起初是為了硬件性能低下的遠程設備以及網絡狀況欠佳情況而設計的。MQTT是一個基于客戶端、服務器的傳輸協議，具有輕量、簡單、開放和易于實現的特點，因此適用范圍很廣，在物聯網、小型設備、移動應用等方面有較廣泛的應用。

2.多種識別算法分析

本例中MU視覺識別傳感器綜合使用了3種識別算法，分別為交通卡片識別、數字卡片識別、形狀卡片識別。麥昆通過交通卡片來識別道路行駛信息;通過數字卡片來標注道路信息;通過形狀卡片來模擬路況信息。

三、操作實踐

1.明確任務需求

師：本例中我們使用掌控板與麥昆通信，而兩者通信是通過SIoT物聯網平臺進行數據交換的。其中麥昆利用MU視覺識別傳感器，通過Topic0將道路信息、行駛信息等上傳到SIoT物聯網服務器端，同時，掌控板也能接收到來自SIoT物聯網服務器端的數據，繼而在OLED屏上做出相應的反饋;而路況信息則通過Topic1將數據上傳到SIoT物聯網服務器端，掌控板可以同步接收數據。另外掌控板也可以發送數據到SIoT物聯網服務器端，然后再傳回給麥昆。麥昆端接收到來自掌控板的數據后，做出相應的反饋，從而實現在麥昆、SIoT、掌控板三者之間的雙向數據流，如圖1。

2.電路連接

將舵機、MU視覺識別傳感器、物聯網模塊與麥昆連接。

3.結構搭建

在麥昆車體前端安裝兩個支撐銅柱;拿出前叉和前叉固定件，用螺絲安裝固定前叉總成;用螺絲將曲臂與舵盤固定;將舵機安裝固定在舵機槽位;將舵盤卡在舵機上;安裝其余的曲臂;安裝前叉機械臂;將前叉機械臂固定在麥昆車體前端的兩根銅柱上。

4.編程實踐

程序編寫包括兩部分：掌控板端程序和麥昆端程序。

（1）部署掌控板端編程環境

打開Mind+軟件，點擊“擴展”，選擇“主控板”頁面，添加“掌控板”;完成上述步驟后，再切換到“網絡服務”，選擇并添加“MQTT”和“Wi-Fi”指令集。

（2）編寫掌控板端程序

掌控板端程序實現的功能是數的發送和接收。編寫掌控板主程序，完成SIoT物聯網平臺參數設置，如圖2。

編寫接收行駛信息和道路信息的程序，如圖3。

編寫接收路況信息的程序，如圖4。

（3）部署麥昆端編程環境

點擊“擴展”，選擇“套件”頁面，添加“micro：Maqueen（麥昆）”，將編程環境切換到Maqueen擴展指令集，然后切換到“傳感器”模塊，選擇并添加“視覺識別攝像頭”。

（4）編寫麥昆端程序

編寫麥昆主程序并完成SIoT物聯網平臺參數設置（參看掌控板部分）;編寫道路狀況數據發送程序，如圖5;編寫道路清障數據發送程序，如圖6;最后編寫識別交通標志程序及識別道路信息程序。

5.運行測試

將麥昆和掌控板分別通電，進行系統初始化，如圖7。掌控板通電后，在OLED屏上會依次顯示Wi-Fi連接成功、MQTT連接成功等信息。打開瀏覽器，輸入地址，登錄SIoT服務器，設置相關參數。

四、拓展延伸

師：在同學們的幫助下，麥昆成功完成了總部交給的任務。但是我們發現麥昆車頭的前叉只有1個上下方向的自由度，你能否幫助麥昆改造機械結構？增加1個左右方向的自由度，使其成為2個自由度的機械結構。

教學反思

本課以STEAM教育理念為指導，倡導跨學科的STEAM學習方式，將科學、技術、工程、藝術和數學有機融為一體，提升了學習的趣味性，讓學生在學中玩、在玩中學、在玩中創，為把學生培養成會科學探究、善技術實踐、有藝術品位、能工程創新的復合型人才奠定了基礎。