人工智能：圖形識(shí)別之猜拳機(jī)器人

田迎春 邸亮

教學(xué)背景

如何在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域開展人工智能課程？首先要明確中小學(xué)開展人工智能教育的課程定位。對(duì)小學(xué)生而言，他們正生活在一個(gè)身邊處處有人工智能的新時(shí)代，他們能夠熟練應(yīng)用基于人工智能技術(shù)開發(fā)的產(chǎn)品，體會(huì)到人工智能的發(fā)展和普及正在慢慢改變他們的生活方式。他們對(duì)此充滿好奇，迫切需要在課堂上和教師一起解開人工智能的秘密，但他們本身年齡小，知識(shí)基礎(chǔ)薄弱，因此小學(xué)人工智能課程應(yīng)該重在讓學(xué)生感悟人工智能對(duì)生活和學(xué)習(xí)的影響，體驗(yàn)生活中的人工智能，讓學(xué)生直觀地了解人工智能的特點(diǎn)，激發(fā)探究的熱情和積極性。

本項(xiàng)目是借助特定的軟件讓學(xué)生參與機(jī)器學(xué)習(xí)的過程，利用深度學(xué)習(xí)的結(jié)果進(jìn)行創(chuàng)意物化，在實(shí)施過程中可以分為以下幾個(gè)階段：了解知識(shí)階段、資料收集階段、模型訓(xùn)練階段、創(chuàng)意物化階段。

教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)與技能 學(xué)生認(rèn)識(shí)人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的概念，了解深度學(xué)習(xí)的基本工作過程。

過程與方法 通過制作猜拳機(jī)器人的過程，讓學(xué)生掌握樹莓派、Arduino的基本用法和基本功能的編程實(shí)現(xiàn)。

情感態(tài)度與價(jià)值觀 學(xué)生通過感受人工智能為生活帶來的便捷，培養(yǎng)對(duì)創(chuàng)新的熱情。

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn) 學(xué)生了解機(jī)器學(xué)習(xí)的基本過程并學(xué)會(huì)搭建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

教學(xué)難點(diǎn) 學(xué)生能利用機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)果進(jìn)行創(chuàng)意物化。

教學(xué)準(zhǔn)備

PPT課件、IAI軟件、樹莓派、轉(zhuǎn)接板（含Arduino）、杜邦線、舵機(jī)、攝像頭、USB to TTL工具、紙盒、彩筆、剪刀等。

教學(xué)過程

一、觀看視頻，提出問題

師：這個(gè)視頻中是一款叫Ankeny的猜拳機(jī)器人（如圖1），它只有3根像人類一樣的手指，唯一會(huì)做的事情就是猜拳，伸出3根手指的時(shí)候就是布，2根手指就是剪刀，手指彎曲就是石頭。令人不可思議的是，它在和人類的比賽中從未失手。

師：為什么沒有輸過呢？因?yàn)闄C(jī)器能夠識(shí)別人類的手勢(shì)并做出判斷。怎么去識(shí)別？這就需要機(jī)器自主進(jìn)行深度學(xué)習(xí)。今天就請(qǐng)同學(xué)們采集一些數(shù)據(jù)，讓機(jī)器進(jìn)行學(xué)習(xí)。

二、建立模型，體驗(yàn)深度學(xué)習(xí)

師：首先，我們要訓(xùn)練一個(gè)能夠識(shí)別石頭、剪刀、布手勢(shì)的數(shù)據(jù)模型。說到訓(xùn)練數(shù)據(jù)模型，就必須提到一個(gè)十分重要的角色——卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它是深度學(xué)習(xí)的代表算法之一，被大量應(yīng)用于計(jì)算機(jī)視覺、自然語言處理等領(lǐng)域。訓(xùn)練數(shù)據(jù)模型另一個(gè)不可或缺的元素就是數(shù)據(jù)，所以我們需要拍一些石頭（如圖2）、布（如圖3）、剪刀（如圖4）等手勢(shì)不同角度的圖像數(shù)據(jù)。

學(xué)生對(duì)所拍攝的照片進(jìn)行人工分類，分別保存在相應(yīng)文件夾中（scissors、rock、paper、others）。

完成數(shù)據(jù)準(zhǔn)備之后，開始搭建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和訓(xùn)練數(shù)據(jù)模型。教師簡要介紹人工智能軟件IAI，然后下發(fā)學(xué)習(xí)材料（操作文檔和操作視頻）。學(xué)生根據(jù)教師下發(fā)的學(xué)習(xí)材料自主學(xué)習(xí)，分成小組，合作搭建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和訓(xùn)練模型。

教師巡視指導(dǎo)，在機(jī)器進(jìn)行學(xué)習(xí)的過程中，指導(dǎo)學(xué)生繪制猜拳機(jī)器人的工作流程圖。

機(jī)器學(xué)習(xí)完畢后，教師引導(dǎo)學(xué)生通過軟件自帶的測試環(huán)境進(jìn)行測試。學(xué)生測試提出質(zhì)疑：有時(shí)機(jī)器識(shí)別的準(zhǔn)確率不高。

教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比前期數(shù)據(jù)數(shù)量和后期模型訓(xùn)練結(jié)果準(zhǔn)確率，讓學(xué)生充分了解大數(shù)據(jù)的概念，并認(rèn)識(shí)到前期采集數(shù)據(jù)量越多，后期模擬訓(xùn)練準(zhǔn)確率越高。

三、創(chuàng)意物化，設(shè)計(jì)猜拳機(jī)器人

1.分享流程圖繪制成果

師：剛才機(jī)器進(jìn)行深度學(xué)習(xí)時(shí)，同學(xué)們繪制了猜拳機(jī)器人的工作流程，下面請(qǐng)一位同學(xué)來展示一下。

師生共同分析，完成猜拳機(jī)器人工作流程圖的設(shè)計(jì)，如圖5。

2.編寫Python程序

學(xué)生將機(jī)器學(xué)習(xí)的成果拷貝到樹莓派中（教師給出路徑），Python程序也由教師給出（如圖6）。

3.編寫米思齊程序

師：通過對(duì)猜拳機(jī)器人工作流程的分析，我們知道樹莓派和Arduino之間是通過串口傳遞信息的，故Arduino的程序設(shè)計(jì)只需根據(jù)不同的字符串控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)不同的角度。

學(xué)生小組合作完成Arduino的編程，如圖7。

學(xué)生測試，查找問題。教師巡視，匯總問題，集中解決。

4.設(shè)計(jì)外殼模型

學(xué)生小組合作，為自己的作品設(shè)計(jì)外殼。

四、作品展示，拓展延伸

學(xué)生作品展示，師生回顧本課所學(xué)內(nèi)容。教師拓展學(xué)生的思路，總結(jié)日常生活中還有哪些地方可以用到圖像識(shí)別。學(xué)生發(fā)散思維，進(jìn)行更多創(chuàng)意設(shè)計(jì)。

教學(xué)反思

該課程項(xiàng)目運(yùn)用STEM理念讓學(xué)生體驗(yàn)“創(chuàng)意物化”的過程，了解人工智能中深度學(xué)習(xí)原理。學(xué)生由此設(shè)計(jì)了一些較為實(shí)用的產(chǎn)品，如利用IAI軟件對(duì)生活中的水果和蔬菜進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并訓(xùn)練設(shè)計(jì)了智能識(shí)別電子秤，用于替代超市售貨員做單一重復(fù)的工作（如圖8）。

人工智能課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，將智能技術(shù)中復(fù)雜的原理和概念，用學(xué)生能夠接受并愿意參與的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)表現(xiàn)出來。親身體驗(yàn)和交互活動(dòng)會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生更多的興趣，促進(jìn)學(xué)生更深層次的思考，這樣的方式更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望，注重學(xué)生創(chuàng)造力、想象力和系統(tǒng)思維能力等的培養(yǎng)。

田迎春 中國人民大學(xué)附屬中學(xué)實(shí)驗(yàn)小學(xué)信息技術(shù)學(xué)科一級(jí)教師。喜歡創(chuàng)客，曾指導(dǎo)學(xué)生參加全國中小學(xué)生創(chuàng)造大賽獲一等獎(jiǎng)，其作品智能語音電梯現(xiàn)已申請(qǐng)專利。

邸亮 icenter智能機(jī)器人團(tuán)隊(duì)成員，北清英華（北京）科技發(fā)展有限公司負(fù)責(zé)人。有多年中小學(xué)創(chuàng)客教育經(jīng)驗(yàn)，是中小學(xué)人工智能教育的踐行者，曾參與北京多所中小學(xué)人工智能課程的設(shè)計(jì)與實(shí)施，對(duì)中小學(xué)人工智能教育有獨(dú)到的見解。