人工智能：圖形識別之猜拳機器人

田迎春 邸亮

教學背景

如何在基礎教育領域開展人工智能課程？首先要明確中小學開展人工智能教育的課程定位。對小學生而言，他們正生活在一個身邊處處有人工智能的新時代，他們能夠熟練應用基于人工智能技術開發的產品，體會到人工智能的發展和普及正在慢慢改變他們的生活方式。他們對此充滿好奇，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，知識基礎薄弱，因此小學人工智能課程應該重在讓學生感悟人工智能對生活和學習的影響，體驗生活中的人工智能，讓學生直觀地了解人工智能的特點，激發探究的熱情和積極性。

本項目是借助特定的軟件讓學生參與機器學習的過程，利用深度學習的結果進行創意物化，在實施過程中可以分為以下幾個階段：了解知識階段、資料收集階段、模型訓練階段、創意物化階段。

教學目標

知識與技能 學生認識人工智能和機器學習的概念，了解深度學習的基本工作過程。

過程與方法 通過制作猜拳機器人的過程，讓學生掌握樹莓派、Arduino的基本用法和基本功能的編程實現。

情感態度與價值觀 學生通過感受人工智能為生活帶來的便捷，培養對創新的熱情。

教學重點與難點

教學重點 學生了解機器學習的基本過程并學會搭建神經網絡。

教學難點 學生能利用機器學習結果進行創意物化。

教學準備

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

教學過程

一、觀看視頻，提出問題

師：這個視頻中是一款叫Ankeny的猜拳機器人（如圖1），它只有3根像人類一樣的手指，唯一會做的事情就是猜拳，伸出3根手指的時候就是布，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？因為機器能夠識別人類的手勢并做出判斷。怎么去識別？這就需要機器自主進行深度學習。今天就請同學們采集一些數據，讓機器進行學習。

二、建立模型，體驗深度學習

師：首先，我們要訓練一個能夠識別石頭、剪刀、布手勢的數據模型。說到訓練數據模型，就必須提到一個十分重要的角色——卷積神經網絡，它是深度學習的代表算法之一，被大量應用于計算機視覺、自然語言處理等領域。訓練數據模型另一個不可或缺的元素就是數據，所以我們需要拍一些石頭（如圖2）、布（如圖3）、剪刀（如圖4）等手勢不同角度的圖像數據。

學生對所拍攝的照片進行人工分類，分別保存在相應文件夾中（scissors、rock、paper、others）。

完成數據準備之后，開始搭建神經網絡和訓練數據模型。教師簡要介紹人工智能軟件IAI，然后下發學習材料（操作文檔和操作視頻）。學生根據教師下發的學習材料自主學習，分成小組，合作搭建神經網絡和訓練模型。

教師巡視指導，在機器進行學習的過程中，指導學生繪制猜拳機器人的工作流程圖。

機器學習完畢后，教師引導學生通過軟件自帶的測試環境進行測試。學生測試提出質疑：有時機器識別的準確率不高。

教師引導學生對比前期數據數量和后期模型訓練結果準確率，讓學生充分了解大數據的概念，并認識到前期采集數據量越多，后期模擬訓練準確率越高。

三、創意物化，設計猜拳機器人

1.分享流程圖繪制成果

師：剛才機器進行深度學習時，同學們繪制了猜拳機器人的工作流程，下面請一位同學來展示一下。

師生共同分析，完成猜拳機器人工作流程圖的設計，如圖5。

2.編寫Python程序

學生將機器學習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：通過對猜拳機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的程序設計只需根據不同的字符串控制舵機轉動不同的角度。

學生小組合作完成Arduino的編程，如圖7。

學生測試，查找問題。教師巡視，匯總問題，集中解決。

4.設計外殼模型

學生小組合作，為自己的作品設計外殼。

四、作品展示，拓展延伸

學生作品展示，師生回顧本課所學內容。教師拓展學生的思路，總結日常生活中還有哪些地方可以用到圖像識別。學生發散思維，進行更多創意設計。

教學反思

該課程項目運用STEM理念讓學生體驗“創意物化”的過程，了解人工智能中深度學習原理。學生由此設計了一些較為實用的產品，如利用IAI軟件對生活中的水果和蔬菜進行數據采集，并訓練設計了智能識別電子秤，用于替代超市售貨員做單一重復的工作（如圖8）。

人工智能課的實驗教學方式，將智能技術中復雜的原理和概念，用學生能夠接受并愿意參與的實驗活動表現出來。親身體驗和交互活動會使學生產生更多的興趣，促進學生更深層次的思考，這樣的方式更能激發學生的學習興趣和探究欲望，注重學生創造力、想象力和系統思維能力等的培養。

田迎春 中國人民大學附屬中學實驗小學信息技術學科一級教師。喜歡創客，曾指導學生參加全國中小學生創造大賽獲一等獎，其作品智能語音電梯現已申請專利。

邸亮 icenter智能機器人團隊成員，北清英華（北京）科技發展有限公司負責人。有多年中小學創客教育經驗，是中小學人工智能教育的踐行者，曾參與北京多所中小學人工智能課程的設計與實施，對中小學人工智能教育有獨到的見解。