【创意智造组】古老日晷&现代AI：影子计时系统设计 简单

【项目背景】

       在这个时代，我们只需要抬起手腕、点开手机，就能看到精确到分秒的时间。时间，仿佛变成了一串冰冷而精准的数字。但你有没有想过，在没有钟表、没有电子设备的古代，人们是如何感知时间的流动的？

       清晨的第一缕阳光，正午笔直的影子，傍晚渐渐拉长的光线……古人正是通过观察这些变化读懂了时间，并创造出了日晷这样的计时工具。它不仅是一种“看时间”的方法，更是一种与自然对话的方式，承载着“十二时辰”这一独特而生动的时间文化。

       这堂课希望孩子们可以借助AI走进自然去“发现时间、触摸时间”，看到时间的流动、探寻古人的智慧。

【项目介绍】

      《古老日晷&现代AI：影子计时系统设计》面向12-14岁（初一至初三年级）学生设计，是一项融合地理、物理、历史与信息技术的跨学科项目式学习课程。课程以“如何利用日晷计时原理，结合人工智能技术构建一个能够自动计时的智能计时系统？”为核心驱动问题，引导学生在真实情境中开展探究与实践。

【教学目标】

（一）知识维度

1. 理解日晷计时原理，认识自然现象规律

2. 了解“十二时辰”的传统时间划分及其与现代时间的对应关系，认识其在生产生活中的应用，感受中华优秀传统文化

3. 掌握简单的数据采集与人工智能训练基础，感知数据与技术应用·

（二）能力维度

1. 提升动手实践与问题解决能力，自行制作日晷模型及数据采集

2. 培养科学探究思维，观察与记录影子变化及其影响因素

3. 增强分析问题与改进实践能力，辨析环境因素对AI识别效果的影响并提出改进方式

（三）情感维度

1. 培养学生在科学实验中的严谨、理性的科学态度与探究精神

2. 通过现代科技与古代计时智慧，激发学生对科学与技术的兴趣，增强学生民族文化认同感

3. 培养学生团队合作意识与个人责任感

【驱动性问题】

核心驱动问题：

如何利用日晷计时原理，结合人工智能技术构建一个能够自动计时的智能计时系统？

分解子问题：

1. （历史）古代“十二时辰”分别有哪些名称以及它们各对应现代的什么时间？在这些时段中，人们通常会进行哪些活动？

2. （物理）太阳在天空中的位置变化（东升西落、高度变化）是如何决定影子的方向和长短的？

3. （地理）如何根据学校所在的地理纬度，利用几何工具设计搭建出日晷模型的倾角与晷面？

4. （信息技术）如何采集影子样本，并在Mind+中训练模型，实现对“十二时辰”刻度的自动分类与识别？

【课程结构设计】

在同学们掌握了最基础影子变化规律，了解十二时辰制与日晷计时原理后，同学们使用日晷模型制作材料包进行组装，并根据学校所在地的经纬度来设置日晷晷面倾斜角度。

在学生掌握影子变化的基本规律，并理解“十二时辰”时间划分及日晷计时原理的基础上，进入日晷模型组装环节。学生使用日晷模型制作材料包自主按照步骤完成模型搭建。

注：在组装过程中，引导学生结合所学地理知识，思考并确定日晷晷面的合理倾斜角度，根据学校所在地的经纬度进行调整与设置，使模型更贴近真实计时原理。

1.打开Mind+V2，进入图像分类模型训练界面

2.创建数据类别并完成数据采集

step1：数据类别的创建

step2：图像采集

使用USB摄像头分别拍摄十二时辰影子图，每个类别至少采集25张（建议在室内使用手电筒）。

注：如若时间有限，可选取部分时辰进行图像采集，降低学生学习负担；在图像采集过程中，请按固定坐标轴进行拍摄和录入（避免后续识别错误）。

3.训练模型并进行测试与调试

step1：在完成数据采集和标注后，在高级设置中调整参数，并点击训练模型

注：在训练模型过程中可点击“深入了解”可查看训练过程。

step2：训练完成后进行调试

如若校验效果不佳，可调整数据量与训练轮次再重新进行训练。

4.模型导出

校验完成后将模型导出，后续部署至行空板M10。

导出后为zip文件，解压后文件里有best.onnx和data.yaml。

1.离线部署（行空板M10）

将训练好的模型以“ onnx ”格式导出后，可部署到行空板M10上。

2.行空板M10环境准备

Step1：行空板M10系统版本检查(0.4.1及以上)；

Step2：行空板M10连接互联网（用于安装Python相关库文件），打开浏览器输入；10.1.2.3 在“网络设置”中连接网络；

Step3：自动安装Python环境，调整Python版本；

Step4：安装模型部署应用所需依赖库。

3.模型部署——程序编写

step1：点击程序设计中的Python积木模式

step2：进行程序编程

对于低年级学生我们会提供模型文件。

step3：上传程序并调用

4.模型应用与测试

【课程评价设计】

（一）知识维度

（二）能力维度

（三）情感维度

（四）跨学科维度

【教学意义与价值】

       本课程的意义，在于带领学生重新回到时间的源头——从阳光与影子的变化中，去“看见时间、理解时间”。

       通过观察影子的长短与方向变化，学生能够理解日晷计时的科学原理，建立起对自然现象与时间关系的认知；在学习“十二时辰”的过程中，学生不仅认识传统时间划分方式，更能够走近古人的生活节奏与文化表达，感受中华优秀传统文化的独特魅力。在此基础上，课程进一步引入人工智能技术，让学生通过数据采集与模型训练，将“影子”转化为可以被识别的“时间信息”。这一过程不仅拓展了学生对信息技术的理解，也让他们体验到从自然现象到技术应用的转化路径，增强跨学科综合学习能力。更重要的是，本课程强调“做中学、用中学”。学生在制作日晷模型、调试角度、优化识别结果的过程中，经历完整的探究过程，逐步形成观察、分析与解决问题的能力，同时培养严谨的科学态度与团队合作意识。

       因此，本项目不仅是在教授一个关于“时间”的知识，更是在引导学生理解自然规律、连接传统文化、体验现代科技，在多维融合中实现科学素养与文化认同的共同提升。

【进阶拓展】

       在前期学习中，学生主要在室内利用手电筒进行模拟实验，此时光源稳定、环境可控，有利于理解影子变化规律并完成基础模型测试。那么，如果将日晷真正“带到户外”，是否还能实现准确计时呢？

       在户外真实情境中，学生需要面对更多复杂因素：如太阳高度角的动态变化、天气与光照条件的不稳定、影子边界的模糊，以及数据采集时间是否覆盖完整等。这就要求学生进一步思考：现有模型是否符合当地经纬度？晷面倾角与方位是否准确？采集的数据量是否充足且具有代表性？模型识别结果能否与真实时间相匹配？

       因此，学有余力的学生可以在原有基础上进行优化与改进：调整日晷结构以适应当地地理条件，扩大并规范数据采集范围，提升模型识别的稳定性与准确性，尝试构建一个能够在真实户外环境中运行的“智能日晷计时系统”。