基于AI控制器的人工智能教學設(shè)計與實現(xiàn)

王峰

【摘 要】本文以制作智能臺燈和避障小車實驗為例，探討了AI控制器在人工智能教育中的應用。通過實驗幫助學生了解AI技術(shù)的實現(xiàn)原理，使其提高編程能力和實踐能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。

【關(guān)鍵詞】AI控制技術(shù)；人工智能；教學設(shè)計；智能臺燈；避障小車

【中圖分類號】G434 ? 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2023）07-056-02

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，人工智能教育也逐漸與智能設(shè)備相結(jié)合，為學生提供更加豐富的實驗體驗。與此同時，AI控制技術(shù)的應用也逐漸引起人們的關(guān)注。本文提出一種使用AI控制器進行人工智能教學的方法，并以制作智能臺燈和避障小車為例進行了實驗。智能臺燈項目展現(xiàn)了AI控制器具備單片機的控制能力，而避障小車項目體現(xiàn)了AI控制器先進的拓展功能及其在人工智能教學中的應用前景。

AI控制器在人工智能教育中的應用

本研究以華東師范大學出版社出版的《AI上未來智造者—中小學人工智能精品課程系列叢書（2018年版）》中的“AI上智慧生活”主題二“智能臺燈”和主題十一“智能掃地車”案例為基礎(chǔ)，對其進行修改完善，并應用于五年級學生的教學實驗。AI控制器不僅可以幫助學生了解智能臺燈和避障小車的實現(xiàn)原理，還可以根據(jù)學生的實際能力需求分別設(shè)置初級和高級實驗。

在智能臺燈初級實驗中，可以利用聲音傳感器和亮度傳感器控制燈的開關(guān)，學生可以通過調(diào)整傳感器的敏感度來觀察燈的開關(guān)變化；而高級實驗可以開發(fā)語音指令控制燈的開關(guān)，學生可以編寫程序?qū)崿F(xiàn)聲音指令的識別和控制。這樣的實驗不僅能提高學生的編程能力，還能逐步培養(yǎng)他們對人工智能應用的興趣和意識。

在制作避障小車實驗中，學生可以利用紅外傳感器和超聲波雷達傳感器進行避障，開展初級實驗可以讓小車自動前進并避開障礙物，而高級實驗則可以讓小車在不同場景下進行智能避障和路徑規(guī)劃。學生通過調(diào)整傳感器的角度和距離，觀察小車的行駛路線和避障效果，不僅可以增強學生的動手實踐能力，還有助于培養(yǎng)他們的空間想象力和創(chuàng)新思維。

綜上所述，AI控制器是一種具有教學意義和實用價值的電子設(shè)備，可以幫助學生了解人工智能技術(shù)并提高他們的創(chuàng)造能力和問題解決能力。

智能臺燈實驗設(shè)計及制作

實驗內(nèi)容：利用AI控制器，設(shè)計并制作一個根據(jù)聲音大小調(diào)節(jié)亮度的智能臺燈。

實驗過程：準備材料有一塊亮度傳感器、一個聲音傳感器、兩個LED眼燈和一個AI控制器，以及相應的導線和配件等。該過程分為以下步驟。

步驟一：準備工作。組裝電路并將AI控制器與電腦連接，利用圖形化的編程軟件進行配置。

步驟二：對傳感器及LED眼燈初始化設(shè)置，包括聲音和亮度的數(shù)值以及初始化狀態(tài)等。

步驟三：制作聲音傳感器實時監(jiān)控。在程序中加入聲音傳感器的實時監(jiān)控語句，當檢測到環(huán)境中有聲音時，記錄聲音大小的數(shù)值。

步驟四：制作亮度傳感器實時監(jiān)控。在程序中加入亮度傳感器實時監(jiān)控語句，當檢測到環(huán)境光線暗時，記錄亮度大小的數(shù)值。

步驟五：調(diào)節(jié)LED眼燈亮燈模式。根據(jù)聲音大小和外部光線亮度強弱，通過AI控制器控制LED眼燈的顯示方式進行調(diào)節(jié)，使得LED眼燈亮度隨聲音大小、外部光線亮度強弱變化而變化。

通過以上步驟，學生可以成功制作一個由聲音大小調(diào)節(jié)亮度的智能臺燈，并通過AI控制器實現(xiàn)了聲音信號的接收處理和控制信號的輸出。由此，學生掌握了相關(guān)的程序編寫技術(shù)，能夠更加深入地了解人工智能中傳感器和執(zhí)行器的聯(lián)動關(guān)系，理解生活中的智能照明系統(tǒng)的工作原理。

避障小車實驗設(shè)計及制作

實驗內(nèi)容：利用AI控制器，設(shè)計并制作一個能自主避障的避障小車。

實驗過程：實驗材料有一個AI控制器、一個舵機、兩個電機、一個超聲波雷達傳感器、相關(guān)配件和導線等。該過程分為以下步驟。

步驟一：硬件組裝。將電機、超聲波傳感器、舵機等設(shè)備進行正確組裝并與AI控制器連接好。組裝完畢后，對控制器進行初始化并進行設(shè)置工作。

步驟二：超聲波傳感器實時監(jiān)控制作。在程序中加入超聲波雷達傳感器實時監(jiān)控語句，讀取傳感器檢測范圍內(nèi)的距離信息。

步驟三：避障程序控制。根據(jù)超聲波傳感器檢測到的距離信息，舵機對小車的前進方向進行調(diào)整，使小車能夠避開障礙物并保持行駛方向。

步驟四：小車前進和停止控制。編寫程序?qū)崿F(xiàn)小車前進和停止的控制，根據(jù)超聲波傳感器檢測到的距離信息，判斷小車是否需要停止或前進，并控制電機的轉(zhuǎn)動方向和速度。

步驟五：智能避障和路徑規(guī)劃程序控制（高級實驗）。在基本的避障功能上，可以加入路徑規(guī)劃和智能避障功能。利用AI算法設(shè)計一個最優(yōu)路徑規(guī)劃程序，并將之與避障程序相結(jié)合，實現(xiàn)小車在不同場景下進行智能避障和路徑規(guī)劃。

步驟六：測試實驗。將小車系統(tǒng)連接至電源，上傳程序控制器，進行測試實驗，調(diào)試參數(shù)。如果小車可以自主避開障礙物、前進和停止，并且在高級實驗中可以智能避障和路徑規(guī)劃，那么實驗就成功了。

在這個實驗中，既有硬件的組裝與連接，也有軟件程序的編寫和調(diào)試，這可以讓學生綜合運用所學知識，培養(yǎng)他們的實踐能力與創(chuàng)新意識。此外，AI技術(shù)在實際場景中的應用越來越廣泛，此類實驗也有重要的應用價值。

結(jié) ?論

可視化編程與傳感器的綜合應用在人工智能教學中可以帶來以下優(yōu)點。

（1）提高學習興趣。可視化編程可以通過圖形化的方式幫助學生更好地理解人工智能原理及相關(guān)算法，從而激發(fā)學生的興趣，培養(yǎng)編程能力。

（2）豐富實驗內(nèi)容。通過傳感器實驗，學生可以更加直觀地掌握數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析以及機器學習等相關(guān)技能，同時也可以激勵學生發(fā)揮創(chuàng)新思維，設(shè)計更好玩、更實用的應用系統(tǒng)。

（3）提高實驗效果。傳感器可以實現(xiàn)智能感知功能，可以獲取多樣的環(huán)境信息，因此可以讓學生更加直觀地了解傳感器和人工智能技術(shù)的應用和未來發(fā)展趨勢，從而深入掌握實驗原理。

（4）培養(yǎng)團隊合作和創(chuàng)新意識。在課程設(shè)計中，通過設(shè)計具有挑戰(zhàn)性的實驗任務，鼓勵學生通過合作來共同解決實際問題。此外，在實驗中需要學生自主思考、創(chuàng)新設(shè)計，并利用可視化編程、傳感器等技術(shù)來實現(xiàn)所設(shè)計的項目，從而培養(yǎng)創(chuàng)新意識及實際運用技術(shù)的能力。

基于AI控制器技術(shù)的教育可以激發(fā)學生對人工智能技術(shù)的興趣，同時為學生提供在實際生活中的制作選擇，比如設(shè)計制作帶有傳感器的實用小工具或者系統(tǒng)，如智能家居等。這樣，學生可以從中產(chǎn)生很多有意義的創(chuàng)新作品，進而應用于實際生產(chǎn)和生活中，創(chuàng)造更大的價值。

未來，智能設(shè)備在人工智能教育中的應用還有很大的發(fā)展空間。我們可以進一步探究如何將智能設(shè)備與生活實踐相結(jié)合，為學生提供更加高效便捷的學習路徑。這需要借鑒其他相關(guān)領(lǐng)域的經(jīng)驗和創(chuàng)新成果，融入更多先進的技術(shù)和思想，為人工智能教育的發(fā)展進步注入更多的動力和活力。