当今世界科技飞速发展,素质教育作为时代发展的重要特征,能够培养具有创新精神和实践能力的新型人才。作为素质教育的核心,创新教育融合了 STEAM教育理念,鼓励学生结合各个学科的知识解决问题,锻炼学生自主学习的能力。本课题研究是基于Scratch教学平台,将感知和控制模块的硬件逻辑作为Scratch语言软件逻辑的补充,搭建集感知、处理、控制和虚拟场景于一体的智能硬件学习系统。Scratch作为STEAM教育中较受欢迎的图形化编程工具,它允许对物理设备进行编程,智能硬件主控结合感知控制模块可以搭建虚实结合的创新智能系统。本论文首先介绍了目前国内外智能硬件学习系统的现状,然后介绍系统搭建的技术选型和需求分析。随后从系统架构、软硬件子系统的设计与实现和系统测试等方面进行详细的论述。本系统由智能硬件设备子系统和基于Scratch平台的教学软件子系统组成,硬件主控以Micro:bit为基础,软件平台以Scratch工具为基础。硬件子系统包括Micro:bit智能套件和Micro:car智能小车的硬件电路、功能模块和通信方案的设计,硬件电路设计包括主控板、扩展板、感知控制模块和小车模块;功能模块设计包括感知数据的采集、控制命令的执行以及与软件平台的数据交互;通信方案主要是对ⅡC、串口和蓝牙等通信数据格式的设计。软件子系统包括:针对不同硬件设备的编程积木、编程模式和智能模块,根据硬件教学的不同场景,编程积木分为基础、进阶和智能三种类型;编程积木包括面向智能套件的联控模式和面向智能小车的下载模式;智能模块使用了人工智能算法对硬件设备进行处理和控制。目前,该系统已完成测试和上线,首批硬件设备已投入使用,成功应用于犬博士在线编程教育系统中。本课题根据实际业务场景以及需求分析,设计开发一个集成多种感知控制外设和多层次的硬件封装、支持多种编程模式和人工智能算法体验的智能硬件学习系统,具有重要的社会意义及应用价值。