基于树莓派的项目式教学的研究

基于树莓派的项目式教学的研究

摘要：项目式教学指学生在教师的指导下完成相应的项目来掌握学习内容，

解决真实问题，达到学习目的，它是人工智能课程中常用的教学方法。本文主要

针对项目式教学的概念、优势，以及在人工智能领域课堂中的实践应用来讲述的。

人工智能本身就是实践性很强的领域，需要多种硬件器材，而树莓派则是在

Linux环境下，利用程序语言来控制LED灯和各种传感器，使其达到预想的效果。

项目式教学恰好能随时接收教学反馈，进而不断改进教学手段，达到最佳教学效

果，并能起到促进人工智能进一步发展的作用。

关键词：项目式教学；树莓派；声控灯

1.前言

1.1研究的背景

随着社会的不断发展，互联网领域对于人们的生活、工作越来越重要，使得

信息技术无论在生活还是工作中已成为不可或缺的一部分。2020年天津市高中信

息技术学科出版了新教材，必修一《数据与计算》。新教材中分四个章节，看到

目录不难发现，每个章节都有一个主题学习项目，整个章节的内容也是围绕这一

主题项目展开的，贯穿始终，这就是所谓的项目式学习。

1.2研究的目的

信息技术早已和其他学科一样日趋成熟，因此对于信息技术教师的教学质量

要求也在不断提高。目前教育行业的高度重视以及教学方法的层出不穷，最终选

用项目式教学肯定有它自身的巨大优势。作为信息技术教师，那如何运用这种项

目式教学法在顺利完成教学的同时，能正确积极的引导学生、培养学生的创新思

维，并短时间内高效的达到教学效果，成为首要研究的对象。

2.项目式教学

2.1项目式教学法概念

项目教学法其实就是以项目来开展，由教师抛出这一项目,通过教师的引导,

再由学生自己完成任务。学生通过对该项目的进行,从整个过程中获取教学中应

该获得的知识与技能，体会项目式教学带来的魅力。表面上看这种教学方法类似

于任务驱动，但比任务驱动更具有贯彻性、连续性，整个学生学习的过程和思维

始终围绕在这一条主线上。

2.2项目式教学的优势

1、整个章节或模块的学习内容以主题项目为主线、教师为引导、学

生为主体，各自发挥其角色的作用。

2、每一堂课都紧接上节课内容、渗透下节内容，始终围绕项目主题

开展，能提高学生学习兴趣，调动积极性。

3、使教学内容更具贯彻性、连续性和条理性，做到教学内容层层递

进，教师得教与学生的学更加得心应手。

3.项目式教学在教学中的应用-以人工智能树莓派为例

3.1树莓派简介

树莓派是为了辅助学生学习程序语言由英国的“Raspberry Pi 基金

会”开发的一款单板计算机。类似于信用卡大小，堪称世界上最小的台式机，又

称卡片式电脑，但就是这小小的东西却拥有与电脑一样强大的功能，这就是

“Raspberry Pi”，中文译名“树莓派”。

3.2 声控灯的制作

3.2.1树莓派的基本参数配置

树莓派使用前配置有几个方面：1、SD卡格式化与SD卡烧录系统镜

像文件 2、基本参数配置：树莓派插入烧录好系统的SD卡，连接好显示器、鼠

标、键盘。按提示设置国家、语言、时区、树莓派用户名、密码 3、树莓派更换

国内镜像源 4、中文输入法的安装

3.2.2树莓派的硬件平台

主要的硬件组件：

1、HDMI：高清晰度多媒体接口，可将未处理的视频或数字音视频数据传输

到监视器，数字电视。

2、CSI摄像头接口：可与摄像头连接，用于采集视频。

3、DSI显示器接口：通过视频转接器与VGA线连接，再连接到显示屏，可将

树莓派内容显示在屏幕上。

4、复合音视频输出

5、电源指示灯

6、ACT PWR:显示SD卡活动的绿色LED

7、40-pin Header：包括GPIO端口、IIC、SPI等外设端口，能连接LED、

电机、传感器。

8、USB-Ports:树莓派主板的4个USB接口，可接入键盘、鼠标、麦克风等

外部设备。

9、Ethernet/LAN Port:网络接口，接入网线可以上网。

3.2.3树莓派的I/O口简介与编号方式

完成一个声控灯的制作，需要了解树莓派通用输入/输出（GPIO）接口，可

借助GPIO接口，连接各种感兴趣的电子设备到树莓派上面。“+”型树莓派的版

本有40个引脚，防止树莓派的损坏或者降低GPIO接口给树莓派带来的危险，要

注意的是：1. GPIO引脚上的电压不能超过3.3V；2.电流不能超过3mA，总输出

电流不超过100mA；3.树莓派通电后，不要使用螺丝刀或其他金属物接触GPIO接

口；4.电源应在5V及以下。GPIO有三种编号方式：1.物理引脚方式：拿起树莓

派主板将USB口对着自己，40pin引脚按从左到右，从上到下，左边奇数，右边

偶数，序号为1-40。 方式：完成呼吸灯制作这一项目就利用BCM方式，

根据BCM2875的GPIO寄存器进行编码。方式

3.2.4制作声控灯之前的准备

要想完成声控灯的制作，就要先连接好LED灯并使之发亮。需要的材料有：

树莓派开发资源包一套（电源、SD卡、显示器、键盘、鼠标）；面包板1块；公

母头杜邦线2根；470欧姆电阻一个；LED发光二极管。

连接及组装过程：

1.把SD卡插入主板卡槽中（本身有存储器）

2.通过USB接口连接鼠标、键盘

3.利用视频转接线与显示屏连接

4.通过面包板，搭建简单电路。面包板为长方体，竖直放在手掌，分为两排，

左边和右边。任一边每一排的5个竖插孔是连通，每列之间是不通的。在物理电

路中，LED灯与电阻串联，因此将LED灯的正极（引脚更长的一段）插到面包板

中，负极（短的一段）插到除正极所在行的任意一行。然后，将电阻的任意一端

与LED灯的负极相连，也就是一端与LED灯负极在一排，形成串联电路。

5.利用公母头杜邦线将面包板与树莓派主板相连。杜邦线公头一端插到与

LED正极同排，另一端与电阻末端同排，其中LED正极接树莓派GPIO1端口(物理

引脚为40Pin引脚第12脚)，负极串联电阻后接入树莓派OV端口（40Pin引脚第

14脚）。

连接好LED灯后，就需要通过Python发出命令来控制LED灯，树莓派本身

是Linux系统，可从LX终端以超级用户身份登录Python3控制台，并输入以下

命令来控制LED灯的亮灭：

$ sudo python3

>>>import as GPIO

>>>e()

>>>(18,)

>>>(18,True)

>>>(18,False)

如果想把利用Python3控制台进行的实验进一步扩展为通过程序代码使LED

灯闪烁，可在树莓派Python编程工具“Thonny Python IDE”下尝试以下代码：

import as GPIO

import time

e()

(18,)

while (True):

(18,True)

(0.5)

(18,False)

(0.5)

在使LED灯发亮的整个过程中，已初步了解了树莓派上各器件名称、需要的

外接设备、树莓派中Linux系统的运行环境以及调用的程序代码。为后面声控灯

的制作奠定坚实基础。

3.2.5制作声控灯

以上学习的内容其实都是为制作声控灯做准备。声控灯，顾名思义就是用声

音来控制灯的亮灭，当声音传感器接收到外界的声音信号时会点亮LED灯。要想

制作声控灯就必须要用到声音传感器。声音传感器有以下几个属性：

1.只能检测声音的有无，不能识别声音的大小和频率；

2.但灵敏度是可以调节的，利用蓝色数字电位器调节；

3.电压工作范围为3.3v-5v；

4.输出形式：0代表低电平，1代表高电平；

声音传感器有3根引脚，为VCC(电源正极)、GND(电源负极)、OUT(数据输

出)，分别接在物理引脚的2脚、6脚、16脚，也就是树莓派5v、0v和任意一个

GPIO端口上（端口设置为输入模式）。

所需的工具材料：

树莓派开发系统1套（提前连接好电源、SD卡、显示屏、鼠标键盘）；面包

板1块；公母头杜邦线2根；母母头杜邦线3根；470欧姆电阻1个；LED灯发

光二极管1个；声音传感器模块1个。

模块接线说明:

声音传感器VCC -树莓派的5V (4OPin引脚第2脚)

声音传感器GND -树莓派的0V (40Pin引脚第6脚)

声音传感器OUT -树莓派的GPI04 (40Pin引脚第16脚)

LED长针一树莓派的GPI01(40Pin引脚第12脚)

LED短针—470欧姆电阻一端

470欧姆电阻另一端-树莓派的0V(40Pin引脚第14脚)

实验代码:

import 0 as GPI0

import time

LED= 18

SENSOR= 23

flag = False

e ()

（SENSOR, pull up down=_UP

(LED, )

(LED, flag)

try:

while True:

if ((SENSOR) == 0):

print(“Detect Voice!”)

flag = not flag

(LED, flag)

(2)

flag = not flag

(LED, flag)

except KeyboardInterrupt:

pass

p()

执行上面程序，并给声音传感器一定强度的声音，传感器上有一个电位器，

有一个十字形的旋钮，用螺丝刀旋转十字，可调整接受声音的敏感度。最终会发

现LED灯通过外界声音的刺激发亮，外界声音消失后LED灯也同时熄灭。这样也

就实现了声控灯的效果。

参考文献：

1.人民教育出版社普通高中教材信息技术必修一数据与计算

2.天津市科学技术协会科普资源推送项目-人工智能资源包配套教材