初中階段輕人工智能教育實踐探索

古美婷

摘要：本文主要介紹借助教育平臺與RoboMaster S1教育機器人，給學生帶來一次從觀察、模仿到創新的體驗，并通過引導學生思考“自動跟隨”的核心問題，帶領學生體驗完成項目的一種方法——通過拆分項目、各個擊破，逐步降低項目難度。

關鍵詞：自動跟隨;輕人工智能教育;初中

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2022）11-0049-03

人工智能作為計算機科學的一個分支，是研究、開發用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的一門新的技術科學。自2017年國務院印發《新一代人工智能發展規劃》以來，全國各地積極探索人工智能教育開展模式，并將人工智能教育逐步納入中小學課程當中。針對如何在中小學階段開設人工智能課程這一問題，有研究者提出了“輕人工智能”的理念。所謂“輕人工智能”，即中小學生能夠理解與實施的人工智能技術。該理念倡導教師在教學中結合中小學生的認知水平，側重于讓學生體驗人工智能的應用，并選取相對容易的可視化的內容，讓學生嘗試實踐。在這一理念的指引下，筆者通過學校日常開設的社團課程，發現一個教育平臺的“智能”模塊中封裝了一些圖像識別函數，學生通過借助這一模塊，便可讓機器人擁有相應的圖像識別功能。這一發現讓筆者認識到，學生可以通過調用一些封裝好的函數，來避開超出他們認知水平的知識，他們只需增加一些功能，就能讓原來的機器人擁有更豐富的“人工智能”。下面，筆者以“自動跟隨”項目為例，詳細闡述輕人工智能在初中階段的教學與實施。

● 切身體驗，引出問題

教育編程機器人RoboMaster S1配置了行人跟隨功能，通過RoboMaster APP啟用該功能后，機器人便可跟隨指定行人，在跟隨過程中，機器人與行人將保持2～5米的合適距離。課前，筆者利用課間休息時間，讓部分學生體驗了行人跟隨功能，引起學生的好奇心。課中筆者通過播放行人跟隨視頻，為每一位學生提供了仔細觀察機器人跟隨行人效果的機會，吸引學生的注意力，并通過提出問題，激發學生的求知欲，進而引導學生思考：機器人是如何實現行人跟隨功能的呢？能不能利用現有條件，通過編程實現這一功能？

● 溯本求源，模仿創新

要實現跟隨功能，首先需要弄清楚跟隨的本質是什么？為了幫助學生梳理思路，筆者設置了一個跟隨教師的小游戲——在活動開始前，請執行跟隨任務的學生閉上眼睛，當教師走到任意位置后，發出游戲開始的指令（在跟隨過程中，學生與教師要保持1～2米的距離）。通過觀察，學生們會發現：在活動開始后，執行跟隨任務的學生做的第一件事就是轉動脖子，尋找教師所在位置，當發現目標后，則根據自己與目標的距離，判斷自己應該前進或后退。在清楚人類跟隨目標的過程后，學生接下來需要做的就是把這一過程教給機器人，讓機器人來完成這一任務。

1.分解任務，化繁為簡

機器人自動跟隨行人的過程，其實就是發現目標、跟隨目標的過程。在行人跟隨中，發現目標其實就是識別行人的過程。所以，第一個問題可以通過使用教育平臺智能模塊中的“開啟行人識別”模塊來解決。而跟隨目標又可以進一步細化為前后跟隨和左右跟隨的問題。機器人通過判斷與行人的距離（后續統一稱為：人、機距離），決定應該前進或后退，再根據識別到的行人中心點偏離機器人視野中心點的情況，來選擇進行左轉跟隨還是右轉跟隨。接下來，將通過獲取、分析“人、機距離”和“人、機方向”信息，來解決前后跟隨和左右跟隨的問題。

機器人發現目標后，就可以定義目標所在的位置與目標和自己的距離。那么，它是如何記錄這些信息的呢？

2.引入新知，解決問題

程序在存儲或處理數據時，需要占用內存，所以，為了使用機器人識別到的行人信息，需要創建列表將相關數據存儲起來。在RoboMaster S1中，列表將按如圖1所示的格式存儲識別到的行人信息。

列表第1項為識別到的物體數量N，后續項以4個數據為一組，這4個數據分別是：第1個物體中心點在機器人視野中位置的橫坐標X、縱坐標Y、寬度W和高度H;第2個物體中心在機器人視野中位置的橫坐標X、縱坐標Y、寬度W和高度H……依此類推。

然而，機器人記錄的行人信息，與需要知道的方向和距離信息似乎沒有直接關系，到底哪些數據可以用來解決問題呢？針對這一問題，筆者設計了如下活動：首先，讓學生編程開啟機器人的行人識別功能，并創建列表存儲相關數據。其次，連接機器人，運行程序。此時，小組成員需要相互配合，一名成員充當樣本，出現在機器人視野中，一名成員負責觀察FPV界面（機器人視野），提醒“樣本同學”的站位。其余成員仔細觀察列表中的數據——當行人做前后運動或左右運動時，列表中哪些數據變化最明顯？通過這個活動，學生們將意識到：機器人在識別到行人后，記錄下的寬度和高度數據與人、機距離相關;而左右運動情況則可以通過行人中心點的橫坐標來反映。

3.設計實驗，采集數據

為幫助學生梳理實驗思路，筆者設計了“前后跟隨”與“左右跟隨”的實驗記錄表（如圖2、下頁圖3）。學生完成數據采集后，就可以根據實驗記錄表中的提示，開始歸納前后跟隨的運動條件與左右跟隨的算法。

4.分析數據，設計算法

首先，通過觀察前后跟隨實驗采集的數據可以發現，隨著人、機距離改變，列表中第四項與第五項數據的變化趨勢符合“近大遠小”這一視覺現象——當一個物體距離我們近時，看起來就會偏大;當一個物體距離我們遠時，看起來就會偏小。所以，可以利用列表中第四項和第五項數據求出物體的周長或面積，再借助這一數據來反映行人與機器人距離的遠近。

在解決前后跟隨問題后，再來觀察左右跟隨實驗記錄表中的數據。在機器人坐標系中，機器人視野中心點為（0.5，0.5）。當目標向左偏離中心時，橫坐標小于0.5，向右偏離中心時，橫坐標大于0.5。對于“行人與機器人視野中心點的偏離距離”這一問題的求解，學生一般會采取兩種計算方法：一種是用列表中的第二項數據減去0.5，另一種是用0.5減去列表中的第二項數據。雖然兩種計算方法都可以求出偏離距離，但是卻會得到相反的正負符號。究竟哪一種計算方法更合適？為解答這一問題，學生需要進一步思考求偏離距離的目的。

求偏離距離，是希望機器人能以此為依據，從而跟隨行人轉向對應的方向，實現左右跟隨。而在教育平臺中，機器人的左右運動方向是通過正負符號來辨識的：向左運動是負方向，向右運動是正方向。所以，“使用列表中的第二項數據減去0.5”得到的正負號和云臺需要轉動的方向一致。在底盤跟隨云臺的整機模式下，若云臺已經能跟隨識別到的行人轉向對應方向，那最后仍待解決的問題就剩下云臺該轉動多少度。

通過觀察求出的偏離距離，學生會發現這些數值都很小，直接作為云臺的轉動角度并不合適。所以，需要先將這個數值放大數倍，再將其作為云臺的轉動角度或轉動速度。具體是放大多少倍與選擇哪一語句更合適，則需要編程測試后再決定。

5.編寫程序，調試運行

由于樣本的差異，學生采集的實驗數據與測試效果也會有所不同。所以，當根據前面分析、歸納的算法完成基礎程序后，需要連接機器人測試效果，再根據效果逐漸調整參數，在實現小組成員都認可的跟隨功能后，還可以根據自己的想法，增加燈效或一些簡短的提示音，豐富行人跟隨機器人的功能。圖4、圖5是基于RoboMaster S1實現行人跟隨的基礎程序示例。

● 降低難度，體驗成功

“自動跟隨”是一個綜合性強、難度較大、涉及知識點較多的項目。在完成過程中，學生需要聯系生活經驗，綜合運用前面學過的知識，并將項目拆分為幾個子任務，從而降低難度。雖然項目難度較大，但是能給學生帶來一次自己動手實現人工智能的全新體驗，并能讓學生進一步認識到，只要善于利用工具，初中生也能通過看似簡短的語句實現有趣的人工智能。體驗、觀察、模仿、創新，每一步都是成長的必經之路。隨著人工智能逐漸走進我們的生活，輕人工智能教育的探索，也會越來越值得期待。

參考文獻：

[1]梁錦明.輕人工智能：聚焦中小學生的智能教育[J].中小學數字化教學，2021（04）.

[2]魏爍佳.立足學生發展的計算思維培養模式探索[J].中國信息技術教育，2021（07）.