古美婷

摘要：本文主要介紹借助教育平臺(tái)與RoboMaster S1教育機(jī)器人，給學(xué)生帶來一次從觀察、模仿到創(chuàng)新的體驗(yàn)，并通過引導(dǎo)學(xué)生思考“自動(dòng)跟隨”的核心問題，帶領(lǐng)學(xué)生體驗(yàn)完成項(xiàng)目的一種方法——通過拆分項(xiàng)目、各個(gè)擊破，逐步降低項(xiàng)目難度。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)跟隨;輕人工智能教育;初中

中圖分類號(hào)：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 論文編號(hào)：1674-2117（2022）11-0049-03

人工智能作為計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支，是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)。自2017年國務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)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(xué)課程當(dāng)中。針對(duì)如何在中小學(xué)階段開設(shè)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(xué)生能夠理解與實(shí)施的人工智能技術(shù)。該理念倡導(dǎo)教師在教學(xué)中結(jié)合中小學(xué)生的認(rèn)知水平，側(cè)重于讓學(xué)生體驗(yàn)人工智能的應(yīng)用，并選取相對(duì)容易的可視化的內(nèi)容，讓學(xué)生嘗試實(shí)踐。在這一理念的指引下，筆者通過學(xué)校日常開設(shè)的社團(tuán)課程，發(fā)現(xiàn)一個(gè)教育平臺(tái)的“智能”模塊中封裝了一些圖像識(shí)別函數(shù)，學(xué)生通過借助這一模塊，便可讓機(jī)器人擁有相應(yīng)的圖像識(shí)別功能。這一發(fā)現(xiàn)讓筆者認(rèn)識(shí)到，學(xué)生可以通過調(diào)用一些封裝好的函數(shù)，來避開超出他們認(rèn)知水平的知識(shí)，他們只需增加一些功能，就能讓原來的機(jī)器人擁有更豐富的“人工智能”。下面，筆者以“自動(dòng)跟隨”項(xiàng)目為例，詳細(xì)闡述輕人工智能在初中階段的教學(xué)與實(shí)施。

● 切身體驗(yàn)，引出問題

教育編程機(jī)器人RoboMaster S1配置了行人跟隨功能，通過RoboMaster APP啟用該功能后，機(jī)器人便可跟隨指定行人，在跟隨過程中，機(jī)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(shí)間，讓部分學(xué)生體驗(yàn)了行人跟隨功能，引起學(xué)生的好奇心。課中筆者通過播放行人跟隨視頻，為每一位學(xué)生提供了仔細(xì)觀察機(jī)器人跟隨行人效果的機(jī)會(huì)，吸引學(xué)生的注意力，并通過提出問題，激發(fā)學(xué)生的求知欲，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生思考：機(jī)器人是如何實(shí)現(xiàn)行人跟隨功能的呢？能不能利用現(xiàn)有條件，通過編程實(shí)現(xiàn)這一功能？

● 溯本求源，模仿創(chuàng)新

要實(shí)現(xiàn)跟隨功能，首先需要弄清楚跟隨的本質(zhì)是什么？為了幫助學(xué)生梳理思路，筆者設(shè)置了一個(gè)跟隨教師的小游戲——在活動(dòng)開始前，請執(zhí)行跟隨任務(wù)的學(xué)生閉上眼睛，當(dāng)教師走到任意位置后，發(fā)出游戲開始的指令（在跟隨過程中，學(xué)生與教師要保持1～2米的距離）。通過觀察，學(xué)生們會(huì)發(fā)現(xiàn)：在活動(dòng)開始后，執(zhí)行跟隨任務(wù)的學(xué)生做的第一件事就是轉(zhuǎn)動(dòng)脖子，尋找教師所在位置，當(dāng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，則根據(jù)自己與目標(biāo)的距離，判斷自己應(yīng)該前進(jìn)或后退。在清楚人類跟隨目標(biāo)的過程后，學(xué)生接下來需要做的就是把這一過程教給機(jī)器人，讓機(jī)器人來完成這一任務(wù)。

1.分解任務(wù)，化繁為簡

機(jī)器人自動(dòng)跟隨行人的過程，其實(shí)就是發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、跟隨目標(biāo)的過程。在行人跟隨中，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)其實(shí)就是識(shí)別行人的過程。所以，第一個(gè)問題可以通過使用教育平臺(tái)智能模塊中的“開啟行人識(shí)別”模塊來解決。而跟隨目標(biāo)又可以進(jìn)一步細(xì)化為前后跟隨和左右跟隨的問題。機(jī)器人通過判斷與行人的距離（后續(xù)統(tǒng)一稱為：人、機(jī)距離），決定應(yīng)該前進(jìn)或后退，再根據(jù)識(shí)別到的行人中心點(diǎn)偏離機(jī)器人視野中心點(diǎn)的情況，來選擇進(jìn)行左轉(zhuǎn)跟隨還是右轉(zhuǎn)跟隨。接下來，將通過獲取、分析“人、機(jī)距離”和“人、機(jī)方向”信息，來解決前后跟隨和左右跟隨的問題。

機(jī)器人發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，就可以定義目標(biāo)所在的位置與目標(biāo)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(chǔ)或處理數(shù)據(jù)時(shí)，需要占用內(nèi)存，所以，為了使用機(jī)器人識(shí)別到的行人信息，需要?jiǎng)?chuàng)建列表將相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來。在RoboMaster S1中，列表將按如圖1所示的格式存儲(chǔ)識(shí)別到的行人信息。

列表第1項(xiàng)為識(shí)別到的物體數(shù)量N，后續(xù)項(xiàng)以4個(gè)數(shù)據(jù)為一組，這4個(gè)數(shù)據(jù)分別是：第1個(gè)物體中心點(diǎn)在機(jī)器人視野中位置的橫坐標(biāo)X、縱坐標(biāo)Y、寬度W和高度H;第2個(gè)物體中心在機(jī)器人視野中位置的橫坐標(biāo)X、縱坐標(biāo)Y、寬度W和高度H……依此類推。

然而，機(jī)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(guān)系，到底哪些數(shù)據(jù)可以用來解決問題呢？針對(duì)這一問題，筆者設(shè)計(jì)了如下活動(dòng)：首先，讓學(xué)生編程開啟機(jī)器人的行人識(shí)別功能，并創(chuàng)建列表存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)。其次，連接機(jī)器人，運(yùn)行程序。此時(shí)，小組成員需要相互配合，一名成員充當(dāng)樣本，出現(xiàn)在機(jī)器人視野中，一名成員負(fù)責(zé)觀察FPV界面（機(jī)器人視野），提醒“樣本同學(xué)”的站位。其余成員仔細(xì)觀察列表中的數(shù)據(jù)——當(dāng)行人做前后運(yùn)動(dòng)或左右運(yùn)動(dòng)時(shí)，列表中哪些數(shù)據(jù)變化最明顯？通過這個(gè)活動(dòng)，學(xué)生們將意識(shí)到：機(jī)器人在識(shí)別到行人后，記錄下的寬度和高度數(shù)據(jù)與人、機(jī)距離相關(guān);而左右運(yùn)動(dòng)情況則可以通過行人中心點(diǎn)的橫坐標(biāo)來反映。

3.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，采集數(shù)據(jù)

為幫助學(xué)生梳理實(shí)驗(yàn)思路，筆者設(shè)計(jì)了“前后跟隨”與“左右跟隨”的實(shí)驗(yàn)記錄表（如圖2、下頁圖3）。學(xué)生完成數(shù)據(jù)采集后，就可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄表中的提示，開始?xì)w納前后跟隨的運(yùn)動(dòng)條件與左右跟隨的算法。

4.分析數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)算法

首先，通過觀察前后跟隨實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，隨著人、機(jī)距離改變，列表中第四項(xiàng)與第五項(xiàng)數(shù)據(jù)的變化趨勢符合“近大遠(yuǎn)小”這一視覺現(xiàn)象——當(dāng)一個(gè)物體距離我們近時(shí)，看起來就會(huì)偏大;當(dāng)一個(gè)物體距離我們遠(yuǎn)時(shí)，看起來就會(huì)偏小。所以，可以利用列表中第四項(xiàng)和第五項(xiàng)數(shù)據(jù)求出物體的周長或面積，再借助這一數(shù)據(jù)來反映行人與機(jī)器人距離的遠(yuǎn)近。

在解決前后跟隨問題后，再來觀察左右跟隨實(shí)驗(yàn)記錄表中的數(shù)據(jù)。在機(jī)器人坐標(biāo)系中，機(jī)器人視野中心點(diǎn)為（0.5，0.5）。當(dāng)目標(biāo)向左偏離中心時(shí)，橫坐標(biāo)小于0.5，向右偏離中心時(shí)，橫坐標(biāo)大于0.5。對(duì)于“行人與機(jī)器人視野中心點(diǎn)的偏離距離”這一問題的求解，學(xué)生一般會(huì)采取兩種計(jì)算方法：一種是用列表中的第二項(xiàng)數(shù)據(jù)減去0.5，另一種是用0.5減去列表中的第二項(xiàng)數(shù)據(jù)。雖然兩種計(jì)算方法都可以求出偏離距離，但是卻會(huì)得到相反的正負(fù)符號(hào)。究竟哪一種計(jì)算方法更合適？為解答這一問題，學(xué)生需要進(jìn)一步思考求偏離距離的目的。

求偏離距離，是希望機(jī)器人能以此為依據(jù)，從而跟隨行人轉(zhuǎn)向?qū)?yīng)的方向，實(shí)現(xiàn)左右跟隨。而在教育平臺(tái)中，機(jī)器人的左右運(yùn)動(dòng)方向是通過正負(fù)符號(hào)來辨識(shí)的：向左運(yùn)動(dòng)是負(fù)方向，向右運(yùn)動(dòng)是正方向。所以，“使用列表中的第二項(xiàng)數(shù)據(jù)減去0.5”得到的正負(fù)號(hào)和云臺(tái)需要轉(zhuǎn)動(dòng)的方向一致。在底盤跟隨云臺(tái)的整機(jī)模式下，若云臺(tái)已經(jīng)能跟隨識(shí)別到的行人轉(zhuǎn)向?qū)?yīng)方向，那最后仍待解決的問題就剩下云臺(tái)該轉(zhuǎn)動(dòng)多少度。

通過觀察求出的偏離距離，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)這些數(shù)值都很小，直接作為云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度并不合適。所以，需要先將這個(gè)數(shù)值放大數(shù)倍，再將其作為云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度或轉(zhuǎn)動(dòng)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?zèng)Q定。

5.編寫程序，調(diào)試運(yùn)行

由于樣本的差異，學(xué)生采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與測試效果也會(huì)有所不同。所以，當(dāng)根據(jù)前面分析、歸納的算法完成基礎(chǔ)程序后，需要連接機(jī)器人測試效果，再根據(jù)效果逐漸調(diào)整參數(shù)，在實(shí)現(xiàn)小組成員都認(rèn)可的跟隨功能后，還可以根據(jù)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(jī)器人的功能。圖4、圖5是基于RoboMaster S1實(shí)現(xiàn)行人跟隨的基礎(chǔ)程序示例。

● 降低難度，體驗(yàn)成功

“自動(dòng)跟隨”是一個(gè)綜合性強(qiáng)、難度較大、涉及知識(shí)點(diǎn)較多的項(xiàng)目。在完成過程中，學(xué)生需要聯(lián)系生活經(jīng)驗(yàn)，綜合運(yùn)用前面學(xué)過的知識(shí)，并將項(xiàng)目拆分為幾個(gè)子任務(wù)，從而降低難度。雖然項(xiàng)目難度較大，但是能給學(xué)生帶來一次自己動(dòng)手實(shí)現(xiàn)人工智能的全新體驗(yàn)，并能讓學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到，只要善于利用工具，初中生也能通過看似簡短的語句實(shí)現(xiàn)有趣的人工智能。體驗(yàn)、觀察、模仿、創(chuàng)新，每一步都是成長的必經(jīng)之路。隨著人工智能逐漸走進(jìn)我們的生活，輕人工智能教育的探索，也會(huì)越來越值得期待。

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