1.课程介绍

1.1 建设背景-信息技术课介绍

信息技术作为当今先进生产力的代表，已经成为我国经济发展的重要支柱和网络强国的战略支撑。信息技术覆盖了获取、表示、传输、存储和加工信息在内的各种技术。自电子计算机问世以来，信息技术沿着以计算机为核心、到以互联网为核心、再到以数据为核心的发展脉络，深刻影响着社会的经济结构和生产方式，加快了全球范围内的知识更新和技术创新，推动了社会信息化、智能化的建设与发展，催生出现实空间与虚拟空间并存的信息社会，并逐步构建出智慧社会。信息技术的快速发展，重塑了人们沟通沟通交流的时间观念和空间观念，不断改变人们的思维和交往模式，深刻影响人们的生活、工作与学习，已经超越单纯的技术工具价值，为当代社会注入了新的思想与文化内涵。提升中国公民的信息素养，增强个体在信息社会的适应力与创造力，对个人发展、国力增强、社会变革有着十分重大的意义。

普通高中信息技术课程是一门旨在全面提升素养，帮助学生掌握信息技术基础知识与技能、增强信息意识、发展计算思维、提高数字化学习与创新能力、树立正确的信息社会价值观和责任感的基础课程。课程围绕高中信息技术学科核心素养，精炼学科大概念，吸纳学科领域的前沿成果，构建具有时代特征的学习内容；课程兼重理论学习和实践应用，通过丰富多样的任务情境，鼓励学生在数字化环境中学习与实践；课程倡导基于项目的学习方式，将知识建构、技能培养与思维发展融入到运用数字化工具解决问题和完成任务的过程中；课程提供学习机会，让学生参与到信息技术支持的沟通、共享、合作与协商中，体验知识的社会性建构，增强信息意识、理解信息技术对人类的影响，提高信息社会参与的责任感与行为能力，从而成为具备较高信息素养的中国公民。

2017版普通高中信息技术课程标准将信息技术课程分为必修，选择性必修和选修模块三类共10个模块，如图1-1所示。

必修课程根据学生全面发展需要设置，全修全考；选择性必修课程根据学生个性发展和升学考试需要设置，选修选考；选修课程由学校根据实际情况统筹规划开设，学生自主选择修习，学而不考或学而备考，为学生就业和高校招生录取提供参考。

图1-1 高中信息技术课程结构

本方案围绕信息技术课程下选择性必修模块4：人工智能初步课课程教学大纲开展设计，首先介绍了该课程的教学要求，其次围绕教学要求设计出满足该课程开设的整体化实验室建设解决方案。

1.2 人工智能初步课课程简介

人工智能是通过智能机器延伸、增强人类改造自然和治理社会能力的新兴技术。近年来，人工智能的发展呈现出深度学习、跨界融合、人机协同等新特征，推动了社会各领域从数字化、网络化相智能化的跃升，深刻改变着人们的生活方式和思维模式。本模块是针对人工智能的发展特征，从基础知识与应用、简单人工智能模块搭建及开发等方面设置的选择性必修模块。

通过本模块的学习，学生应该了解人工智能的发展历程及概念，能描述典型人工智能算法的实现过程，通过搭建简单的人工智能应用模块，亲历设计与实现简单智能系统的基本过程与方法，增强利用智能技术服务人类发展的责任感。

本模块包括“人工智能基础”、“简单人工智能应用模块开发”、“人工智能技术的发展与应用”三部分内容。

1.3 人工智能课课程内容要求

（1）描述人工智能的概念与基本特征；知道人工智能的发展历程、典型应用与趋势。

（2）通过剖析具体案例，了解人工智能的核心算法（如启发式搜索、决策树等），熟悉智能技术应用的基本过程和实现原理。

（3）知道特定领域（如机器学习）人工智能应用系统的开发工具和开发平台，通过具体案例了解这些工具的特点、应用模式及局限性。

（4）利用开源人工智能应用框架，搭建简单的人工智能应用模块，并能根据实际需求配置适当的环境、参数及自然交互方式等。

（5）通过智能系统的应用体验，了解社会智能化所面临的伦理及安全挑战，知道信息系统安全的基本方法和措施，增强安全防火意识和责任感。

（6）辩证认识人工智能对人类社会未来发展的巨大价值和潜在威胁，自觉维护和遵守人工智能社会化应用的规范和法规。

1.4 人工智能初步课教学提示

    在本模块教学中，教室既可以通过案例分析、项目设计等方式，引导学生拓展思维，也可以向学生展示或剖析比较典型的智能系统，如早期的专家系统以及深蓝（Deep Blue），沃森（Watson），阿尔法围棋（AlphaGo）和百度大脑等系统。

    在引导学生发现问题、尝试用人工智能方法解决问题的过程中，让学生初步了解和体验人工智能的特点，感受智能技术对生活与学习带来的影响，进一步激发学生学习和探究新技术、新知识的积极性，提高他们综合应用信息技术的能力。

    在学习有关人工智能基础知识方面的内容时，可多采用案例剖析法，让学生在模仿中习得，在创造中推新。尽可能利用学生在必修、选择性必修等课程学习中取得的经验，降低学习障碍，保证学习效果。

    在学习简单系统开发内容时，可以采用小组合作、项目学习等方式组织教学，充分利用丰富的开源硬件和人工智能应用框架等资源，搭建面向实际生活的应用场景，发挥学生的自主学习与探究学习的能力，鼓励学生积极探究、大胆实践、激发学生的创新思维。

1.5 人工智能初步课学业要求

    学生能描述人工智能的基本特征，会利用开源人工智能应用框架，搭建简单的智能系统(计算思维)。了解人工智能的新进展、新应用（如机器学习，自动翻译，人脸识别，自动驾驶等），并能适当运用在学习和生活中（数字化学习与创新）。了解人工智能的发展历程，能客观认识智能技术对社会生活的影响（信息意识、信息社会责任）。

2.实验室介绍

2.1 实验室概述

为配合学校《人工智能初步》课程的开设，建设人工智能初步实验室，并提供相关软硬件支持，为学生们创造动手实践的场地空间。标准的人工智能初步实验室效果图下图2-1所示，实验室整体空间为1间12*8米标准教室，配备有典型的人工智能应用场景沙盘-智能家居沙盘、智能农业沙盘以及智能交通沙盘各一台，学生桌椅及教学电脑若干，可供至少35名学生同时上课实验。

图2.1 人工智能初步实验室示意图

2.2 主要设备功能介绍

2.3.1 人工智能开发沙盘-智能家居

产品概述

K12-P01-11型人工智能开发沙盘-智能家居结构部分由不锈钢底座和亚克力家居实景模型两部分组成，实景模型按照两室三卫一厅一花园户型设计。人工智能开发沙盘-智能家居装配有-智能家居系统核心设备智能家居网关，用于控制房间灯光的智能两位开关，用于控制房间窗帘的智能窗帘电机，用于控制家电设备的智能插座，用于采集环境数据的温湿度传感器，用于安防监控的摄像头、智能门磁、人体感应探测器以及用于遥控家电设备的红外遥控器等设备。所有设备之间均采用Zigbee无线通信协议进行互联互通。用户既可以直接使用配套提供的Android APP软件对整个智能家居系统进行控制体验智能家居应用，也可以根据配套提供的二次开发资源，设计并自行开发上位机软件，完成课程实验。

智能家居开发沙盘由沙盘实景和4个工作台组成，每个工作台支持3-4名学生一组进行实验，每个工作台上分别安装有多个传感器及控制器节点，各个节点通过Zigbee网络相连，工作台内嵌台式电脑，学生需在电脑上使用Python语言开发程序采集传感器数据，控制灯光、窗帘等设备，并通过设计，实现智能家居系统的设计。系统由无线路由器、摄像头、智能家居网关、多功能控制板、各传感器和执行器以及PC控制端组成。系统管理软件安装和运行在PC端上，各设备数据保存在网关中，用户可以通过我司的API接口调用和控制设备。

图2.1 系统架构

    整个沙盘的模型如下图2.2所示。

图2.2 沙盘模型

产品实物图

图2.3 沙盘实景图

图2.4 沙盘使用效果

产品功能详解

硬件介绍

本产品硬件主要分为网关、普通节点、语音节点三大块。

图2.5 硬件分类示意图

网关节点

    网关节点主要硬件资源如下图所示。

图2.6 网关节点主要硬件资源拓扑

    网关节点通过板载ESP8266模块与上位机通讯；通过zigbee协调器与普通节点通讯；通过HMI串口屏显示设备信息。功能如下图所示。

图2.7 网关节点功能概述

普通节点

普通节点主要功能模块如下图所示。

图2.8 普通节点主要功能模块拓扑

普通节点通过磁吸模块接口获取传感器数据/控制执行器状态；通过扩展模块接口控制沙盘设备状态；通过zigbee节点与网关通讯；通过HMI显示屏显示节点信息。功能如下图所示：

图2.9 普通模块功能概述

 语音节点

语音识别节点主要功能模块如下图所示。

图2.10 语音节点主要功能模块拓扑图

    语音识别节点功能描述如下图所示：

图2.11 语音节点主要功能概述

2.3.2 人工智能开发沙盘-智能农业

2.3.3 人工智能开发沙盘-智能交通

产品概述

如图2.1所示，广州飞瑞敖电子科技股份有限公司K12-P02-04型人工智能开发沙盘-智能交通由不锈钢底座，亚克力跑道场景模型以及运行在模型上的智能小车三部分组成。不锈钢底座内装配有温湿度、光照、继电器等传感及控制模块，对交通周边环境数据进行采集；亚克力跑道模型下埋有用于小车定位的RFID标签，跑道模型上装配有用于道路实时监控的摄像头、ETC收费亭、智能停车位、智能无线充电桩、智能公交车车站、楼宇市电控制、红绿交通灯以及路灯等设施；智能小车由STM32单片机做为核心MCU，车上集成有RFID读卡模块、超声波传感器、红外循迹模块、无线充电接收端、OLED显示屏、超高频标签等模块，实现无人驾驶、自动避障、无线充电等功能。所有模块之间均采用WiFi无线通信协议进行互联互通。用户既可以直接使用配套光盘提供的软件对整个智能交通系统进行控制体验智能交通应用，也可以根据配套光盘提供的二次开发资源，设计并自行开发上位机软件，完成课程实验。

产品实物图

图2.1 K12-P02-04型人工智能开发沙盘-智能交通

产品功能详解

物联网智能交通系统主要包括：智能小车、智能交通系统（交通路口控制）、路灯自动控制系统、ETC系统、智能停车系统、智能无线充电系统、智能公交站系统、智能交通显示系统等。

智能小车驾驶

智能小车是整个智能交通系统中的重要组成部分，小车按照指定的规则运行完成各种智能交通系统的应用和功能。智能小车采用双层PCB板+X设计模式。底层PCB板主要包括超声波模块、红外模块、电机控制模块、RFID读卡模块等传感器。上层PCB板主要包括主MCU、按键控制、WiFi设备服务器、显示屏等。X为小车预留的扩展接口，可以搭载无线充电模块、副MCU等扩展板，为小车的功能扩展提供了无限可能。

图2.2 智能小车

● 智能小车自动驾驶

 具有根据预先规划的路径、寻线运行的能力，即能够在人工智能开发沙盘-智能交通平台系统上，按照道路规划线，自动运行，自动避障，自动报警等功能。

● 遥控车

 网络遥控：通过网络设备本地/远程网络遥控小车在人工智能开发沙盘-智能交通上运行。其控制方式可以采用直接控制智能小车，也可以采用通过实验室的服务器控制小车。

 不同的控制方式，覆盖不同的技术，可以展开多种技术的教学与实践。

道路交通管理

交通沙盘配备有多条主干道，能同时容纳多辆车运行，加入上位机调控后还能实现车辆在路口的自动避让、驶入驶出停车场、充电桩等功能。和道路交通管理系统包括交通路口控制、车辆速度测量等单元，实现多车的十字路口控制、道路的监控、车速测量等功能；并通过OLED显示屏，显示交通系统电子地图（GIS）、道路交通状况、环境参数、车辆跟踪、交通规划等，提供远程网络访问、及交通指引。

车辆定位如下图所示：

图2.3 车辆定位

● 交通路口控制：十字路口双向交通控制，其控制器接入物联网后台服务器，实现多车的无碰撞自动运行、本地/远程网络控制以及参数的网络配置等。

● 车辆速度测量：测量指定车辆电机速度。

● 违章记录：通过ETC入口开关以及小车测速，感知车辆经过道路路口、测速点、测速区间的违章情况，自动记录违章车辆的违章信息。

● 智能交通系统： 显示屏显示模拟系统电子地图，并将道路交通信息、环境感知数据、车辆位置信息实施显示在显示屏上。实现道路交通状况的显示与网络发布、特定车辆的位置跟踪和交通引导，并支持智能终端的本地/远程网络访问和信息发布。

路灯自动控制系统

路灯自动控制系统完成对城市路灯的自动管控。沙盘上装配的光照传感器，继电控制器，路灯及楼宇灯光系统，光照传感器采集周边光照数据，并将数据通过WiFi的方式传输给后台应用程序。应用程序支持自动/手动模式。自动模式根据光照数据判断现在使用需要打开/关闭灯光，如有需要则发送指令给继电器模块从而达到灯光系统的自动控制效果。手动模式需要则需从上位机发送指令拿取当前的光照强度，以此判断是否需要开灯。

图2.4  城市照明管理系统

ETC系统

ETC系统模拟高速公路不停车收费系统。系统包括：超高频装置、车辆检测装置、自动道闸控制装置、车道拍摄装置、信息显示装置等。

图2.5  ETC通道模拟图

超高频装置：包括超高频读卡器、车载超高频标签。

车辆检测装置：检测车辆是否进出道闸。

车辆检测传感器采用红外对射传感器。

自动道闸控制装置：包括自动栏杆和控制器，控制道闸的通/关。

ETC系统实现了对车辆电子车牌的识别、入口收费站信息、行驶里程、扣费信息等信息的处理。

图2.6  ETC收费站出入口界面

智能停车系统

智能停车系统模拟区域停车信息系统及停车场管理系统。主要硬件设备包括：HMI显示屏（显示停车场剩余车位、每个停车位停车时间、扣费状况）、停车场信息显示器、车载RFID读卡器、车位传感器、停车场收费信息显示器等

区域停车信息系统包括区域停车场信息实时发布、停车场位置导航等。

停车场管理系统包括停车场车位信息显示、停车导引、视频监控、车位传感器、停车场收费系统等。

图2.7  停车场界面

● 停车信息系统

 通过电子地图实时显示停车场信息，包括位置、车位信息、收费标准等，并提供位置导航指引，引导车辆到达指定停车场。

● 停车场管理系统

 功能包括：停车场车位信息显示、停车指引、车辆进出管理、停车收费系统等。

 车位传感器：通过红外反射式传感器，感知车位状态，并将状态信息上传数据服务器。

 停车场收费信息显示：停车时间、停车费等信息。

无线充电系统

无线充电系统为车辆提供紧急充电服务。

无线充电桩包括无线充电发射板（台面上）和无线充电接收板（小车上）。小车处于低电量状态时发出蜂鸣器报警，可以通过上位机发送指令控制小车进入指定的充电桩进行紧急充电。

图2.8 无线充电站

公交车站系统

 公交车站系统模拟显示公交车的到站提醒。

上位机对两辆车进行实时定位，然后通过WIFI模块发送指令给台面上的公交站台，公交站台对指令解析后显示对应的车辆的到站信息。

图2.9  公交站界面

2.3.4 Python开发语言介绍

如本课程教学内容要求的第7点所述，要求学生掌握一种程序设计语言的基本知识。面对市面上常用的几十种编程语言中，无论从难易程度还是普及性来说，Python语言无疑是高中生了解、学习和掌握的一门编程语言。

Python 简介

Python 是一个高层次的结合了解释性、编译性、互动性和面向对象的脚本语言。

Python 的设计具有很强的可读性，相比其他语言经常使用英文关键字，其他语言的一些标点符号，它具有比其他语言更有特色语法结构。

Python 是一种解释型语言： 这意味着开发过程中没有了编译这个环节。

Python 是交互式语言： 这意味着，您可以在一个Python提示符，直接互动执行写你的程序。

Python 是面向对象语言: 这意味着Python支持面向对象的风格或代码封装在对象的编程技术。

Python 是初学者的语言：Python 对初级程序员而言，是一种伟大的语言，它支持广泛的应用程序开发，从简单的文字处理到 WWW 浏览器再到游戏。

Python 特点

（1）易于学习：Python有相对较少的关键字，结构简单，和一个明确定义的语法，学习起来更加简单。

（2）易于阅读：Python代码定义的更清晰。

（3）易于维护：Python的成功在于它的源代码是相当容易维护的。

（4）一个广泛的标准库：Python的最大的优势之一是丰富的库，跨平台的，在UNIX，Windows和Macintosh兼容很好。

（5）互动模式：互动模式的支持，您可以从终端输入执行代码并获得结果的语言，互动的测试和调试代码片断。

（6）可移植：基于其开放源代码的特性，Python已经被移植（也就是使其工作）到许多平台。

（7）可扩展：如果你需要一段运行很快的关键代码，或者是想要编写一些不愿开放的算法，你可以使用C或C++完成那部分程序，然后从你的Python程序中调用。

（8）数据库：Python提供所有主要的商业数据库的接口。

（9）GUI编程：Python支持GUI可以创建和移植到许多系统调用。

（10）可嵌入: 你可以将Python嵌入到C/C++程序，让你的程序的用户获得"脚本化"的能力。