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        用Python語言開發(fā)“手勢識(shí)別”機(jī)械手的教學(xué)案例研究

        2021-05-30 10:48:04高山
        中國信息技術(shù)教育 2021年26期
        關(guān)鍵詞:手勢識(shí)別機(jī)械手人工智能

        高山

        摘要:2020年修訂版信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)提出,要通過典型的應(yīng)用實(shí)例,了解數(shù)據(jù)采集、分析和可視化表達(dá)的基本方法,使學(xué)生掌握一種程序設(shè)計(jì)語言的基本知識(shí),使用程序設(shè)計(jì)語言實(shí)現(xiàn)簡單算法。本案例以機(jī)械手為平臺(tái)讓學(xué)生在解決問題的過程中,將所思、所想在機(jī)械手的平臺(tái)上進(jìn)行操作,通過問題提出、問題分析,最終解決“手勢識(shí)別”問題的過程,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力,提升學(xué)生利用信息技術(shù)解決實(shí)際問題的能力。

        關(guān)鍵詞:人工智能;機(jī)械手;Python

        中圖分類號(hào):G434 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A ?論文編號(hào):1674-2117(2021)S2-0038-04

        引言

        2017年教育部頒布的高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn),將《人工智能初步》納入到信息技術(shù)選修課當(dāng)中,然而,人工智能教育在國內(nèi)還處于初步階段,大部分的人工智能實(shí)驗(yàn)室和課程都是學(xué)校與社會(huì)資源合作建設(shè)開發(fā)的。盡管2003年高中階段就開設(shè)過人工智能課程,但是課程開設(shè)效果不明顯,以北京市為例,多數(shù)北京學(xué)校的人工智能教育以信息技術(shù)機(jī)房為上課地點(diǎn),用傳統(tǒng)的教育教學(xué)方式授課,人工智能教育還是以編程解決計(jì)算機(jī)程序問題為主。少數(shù)學(xué)校使用智能教學(xué)工具輔助進(jìn)行人工智能編程教育,但教學(xué)環(huán)節(jié)還是采用傳統(tǒng)教學(xué),教學(xué)平臺(tái)單一,缺少生動(dòng)有趣的人工智能教學(xué)平臺(tái)。筆者針對(duì)這些問題,結(jié)合高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn),開發(fā)了用Python實(shí)現(xiàn)“手勢識(shí)別”機(jī)械手的教學(xué)案例,本案例可操作性強(qiáng),能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能技術(shù)的興趣,具有一定的教育普及性。

        問題的提出

        中小學(xué)校的人工智能教育對(duì)于教師和學(xué)生來說都具有挑戰(zhàn)性,在課堂中,如何能夠生動(dòng)、形象、有趣地為學(xué)生講解人工智能課程是教師需要面對(duì)的問題。

        1.以計(jì)算機(jī)為主的教學(xué)平臺(tái),缺乏生動(dòng)有趣的教學(xué)情境和項(xiàng)目

        在傳統(tǒng)的信息技術(shù)教學(xué)中,教師通過計(jì)算機(jī)為學(xué)生講解編程等信息技術(shù),如今,大部分中小學(xué)的人工智能選修課程使用的依然是計(jì)算機(jī)編程。不可否認(rèn),計(jì)算機(jī)容易上手,通過教學(xué)活動(dòng),結(jié)果可以十分方便地顯示到屏幕上,但是,所有的課程都使用計(jì)算機(jī)授課容易脫離生活,使課程枯燥,讓學(xué)生逐漸失去學(xué)習(xí)的興趣。

        2.中小學(xué)人工智能教學(xué)中沒有系統(tǒng)的人工智能機(jī)器人教學(xué)平臺(tái)

        目前,大多數(shù)中小學(xué)校的人工智能課程還是以體驗(yàn)為主,利用圖形化編程感受人工智能應(yīng)用,有的學(xué)校如順義馬坡中心小學(xué)利用一些智能硬件去講解人工智能課程。從整體上看,中小學(xué)人工智能課程中還不具備系統(tǒng)、專業(yè)的人工智能教學(xué)設(shè)備。

        因此,本案例將從學(xué)生學(xué)段特點(diǎn)和教師特點(diǎn)出發(fā),開發(fā)適合中小學(xué)人工智能教育教學(xué)技術(shù)平臺(tái),通過人工智能機(jī)械手去培養(yǎng)學(xué)生對(duì)人工智能技術(shù)的興趣,掌握人工智能知識(shí)。

        人工智能機(jī)械手教學(xué)案例研究

        1.案例介紹

        手勢識(shí)別技術(shù)是人工智能圖像識(shí)別技術(shù)中的一項(xiàng)應(yīng)用技術(shù),是一種新型的人機(jī)交互方式。它利用機(jī)器學(xué)習(xí)的算法識(shí)別人類的手勢動(dòng)作,這一技術(shù)被廣泛應(yīng)用到智能家居、智能穿戴和智能汽車中。本節(jié)課是我校人工智能校本課程讓機(jī)械手具備“智能”單元中的第2節(jié)課,本單元課程框架如圖1所示。這節(jié)課也是人民教育出版社和中國地圖出版社出版的信息技術(shù)必修1“數(shù)據(jù)與計(jì)算”第4章第2節(jié)“利用智能工具解決問題”的內(nèi)容。學(xué)生通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)了解人工智能系統(tǒng)工作的一般過程,理解人工智能平臺(tái)中手勢識(shí)別智能工具的使用方法;能夠使用分支語句進(jìn)行編程;掌握使用智能工具解決問題的技術(shù)過程。

        2.案例準(zhǔn)備

        (1)教學(xué)工具的準(zhǔn)備

        人工智能機(jī)械手:人工智能機(jī)械手是以樹莓派開源硬件作為核心處理系統(tǒng),使用Arduino開源硬件控制機(jī)械手的動(dòng)作。使用Python語言編程可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手手指以及手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)以及通過圖像識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)手勢的識(shí)別。

        Python程序設(shè)計(jì)語言:Python程序設(shè)計(jì)語言是一種跨平臺(tái)的編程語言,它的語法簡單易學(xué),適合初學(xué)者學(xué)習(xí),同時(shí)它可以使用大量的第三方函數(shù)庫進(jìn)行程序設(shè)計(jì)和開發(fā)。此外,人民教育出版社出版的信息技術(shù)必修教材的程序設(shè)計(jì)語言是Python語言,這樣可以更好地結(jié)合國家教材進(jìn)行人工智能教學(xué)。

        (2)手勢識(shí)別網(wǎng)絡(luò)工具的準(zhǔn)備

        手勢識(shí)別技術(shù)需要使用機(jī)器學(xué)習(xí)的算法和技術(shù),在這里我們需要連接互聯(lián)網(wǎng),使用“百度大腦”的手勢識(shí)別API接口進(jìn)行手勢的識(shí)別。準(zhǔn)備工作如下。

        網(wǎng)絡(luò)注冊:使用人工智能工具需要在智能平臺(tái)網(wǎng)站上先注冊個(gè)人信息再使用。例如,在百度大腦上,我們先要為每組學(xué)生注冊一個(gè)使用賬號(hào)。

        獲得KEY序列號(hào):注冊完成后,登錄百度智能云系統(tǒng)。在控制臺(tái)建立手勢識(shí)別的個(gè)人應(yīng)用,得到三個(gè)序列號(hào):用戶AppID號(hào)、手勢識(shí)別號(hào)KEY、用戶密鑰號(hào)SECRET_KEY。

        3.案例實(shí)施過程

        用Python實(shí)現(xiàn)“手勢識(shí)別”機(jī)械手的教學(xué)案例的實(shí)施過程分為情景導(dǎo)入,編寫手勢識(shí)別機(jī)械手程序,拓展學(xué)習(xí)和總結(jié)提升四個(gè)部分。

        (1)情境導(dǎo)入

        課程采用學(xué)生身邊的真實(shí)案例引入,本校學(xué)生制作的“手語靈巧手”獲得全國青少年創(chuàng)新大賽一等獎(jiǎng),學(xué)生通過觀看創(chuàng)新作品的視頻,了解機(jī)械手工作的過程,感受人工智能就在我們的身邊,激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。

        (2)編寫手勢識(shí)別機(jī)械手程序

        ①引用Python模塊。

        手勢識(shí)別程序需要引用Aip模塊中的AipBodyAnalysis函數(shù),此模塊的作用是與手勢識(shí)別智能平臺(tái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接。此外還需要引入一些其他模塊。

        from aip import AipBodyAnalysis #引用手勢識(shí)別模塊

        ②編寫關(guān)聯(lián)程序并使用Python中的模塊連接。

        app_id='22877235'

        api_key='jhj7msxOwpplIy

        w1ZgeY3Yyc'

        secret_key='nNdxAsBIrNO

        cPomgizdbZpVATP8PdCb3'

        gesture_client =AipBod

        yAnalysis(app_id,api_key,secret

        _key) #連接服務(wù)器

        ③編寫攝像頭采集圖片程序。

        Serial_Init() #串口初始化

        Camera_Init() #攝像頭初始化

        Window_Init("cap",320,240)

        #打開桌面視頻窗口

        threading.Thread(target =

        Dynamic_Show).start() #開始視頻采集

        ④編寫主代碼。

        使用Python編程設(shè)計(jì)四種手勢的程序,實(shí)現(xiàn)機(jī)械手模擬人手。本案例中的手勢識(shí)別智能工具可以識(shí)別15種常見手勢。

        使用分支語句編寫主程序代碼:

        while True:

        result_1 = Pic_Analysis() #將手勢識(shí)別全部信息返回給變量result_1

        if not 'error_code' in result_1.keys() and result_1['result_num'] != 0:

        for j in result_1['result']:

        if j['classname'] != 'Face':

        result_2 = j['classname'] ?#將手勢識(shí)別的結(jié)果信息賦值result_2

        print(result_2)

        if ?result_2 == 'One': ?#比較結(jié)果

        Fingers_Degree_Set(0, 99, 0,0, 0, 50) #控制手勢動(dòng)作

        if ?result_2 == 'Two':

        Fingers_Degree_Set(0, 99, 99,0, 0, 50)

        if ?result_2 == 'Three':

        Fingers_Degree_Set(0, 99, 99,99, 0, 50)

        if ?result_2 == 'Four':

        Fingers_Degree_Set(0, 99, 99,99, 99, 50)

        ⑤案例實(shí)現(xiàn)效果。

        運(yùn)行程序,手勢的圖像信息會(huì)在屏幕中的窗口顯示。擺出“1”的手勢動(dòng)作,機(jī)械手將會(huì)做出相同的動(dòng)作。

        (3)拓展學(xué)習(xí)

        如果你要完成一個(gè)可以使用語音控制機(jī)械手的任務(wù),想一想,操作過程是什么?操作過程如圖2所示。

        (4)總結(jié)提升

        ①手勢識(shí)別是一種新型的人機(jī)交互方式。

        ②人工智能系統(tǒng)工作的一般過程,如圖3所示。

        ③利用智能工具解決問題的技術(shù)過程如下頁圖4所示。

        結(jié)論

        本案例提出了一種以機(jī)械手作為教學(xué)平臺(tái)的課程設(shè)計(jì)思路,讓學(xué)生對(duì)開源硬件實(shí)體進(jìn)行學(xué)習(xí)和探究,重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生利用人工智能技術(shù)解決生活中現(xiàn)實(shí)問題的計(jì)算思維能力,在解決問題的過程中鼓勵(lì)學(xué)生思考、創(chuàng)新、實(shí)踐,從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力,讓學(xué)生將學(xué)習(xí)到的人工智能技術(shù)遷移到生活中遇到的問題中,學(xué)以致用;解決了目前中小學(xué)人工智能教學(xué)中教學(xué)手段單一、學(xué)生興趣不高的問題,在內(nèi)容上尊重學(xué)生的理解程度和認(rèn)知規(guī)律,避免過高的門檻對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)和教師教學(xué)產(chǎn)生阻礙,在教學(xué)過程中,更加重視實(shí)踐性和學(xué)生的興趣養(yǎng)成,關(guān)注學(xué)生興趣點(diǎn)以及思維的培養(yǎng)。課程主線立足于人工智能核心內(nèi)容領(lǐng)域,而非編程、機(jī)器人、開源硬件等內(nèi)容的講授。在整體案例設(shè)計(jì)中,遵循“體驗(yàn)-探究-提升-總結(jié)”的教學(xué)思路,讓學(xué)生在興趣、探究中獲取人工智能知識(shí)。

        參考文獻(xiàn):

        [1]朱微霞.基于Python深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測案例探究——高中信息技術(shù)校本課程人工智能案例開發(fā)[J].現(xiàn)代信息科技,2020,4(14):70-72.

        [2]張俊花,賈丙輝.借助機(jī)器人巡線引領(lǐng)探究性學(xué)習(xí)——“基于機(jī)器人教育的程序設(shè)計(jì)”教學(xué)案例及分析[J].中國教育技術(shù)裝備,2019(15):68-70.

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