用Python語言開發(fā)“手勢識別”機械手的教學(xué)案例研究

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)計語言的基本知識，使用程序設(shè)計語言實現(xiàn)簡單算法。本案例以機械手為平臺讓學(xué)生在解決問題的過程中，將所思、所想在機械手的平臺上進(jìn)行操作，通過問題提出、問題分析，最終解決“手勢識別”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)解決實際問題的能力。

關(guān)鍵詞：人工智能;機械手;Python

中圖分類號：G434 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?論文編號：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驗室和課程都是學(xué)校與社會資源合作建設(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)機房為上課地點，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算機程序問題為主。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)平臺單一，缺少生動有趣的人工智能教學(xué)平臺。筆者針對這些問題，結(jié)合高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)了用Python實現(xiàn)“手勢識別”機械手的教學(xué)案例，本案例可操作性強，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、形象、有趣地為學(xué)生講解人工智能課程是教師需要面對的問題。

1.以計算機為主的教學(xué)平臺，缺乏生動有趣的教學(xué)情境和項目

在傳統(tǒng)的信息技術(shù)教學(xué)中，教師通過計算機為學(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算機編程。不可否認(rèn)，計算機容易上手，通過教學(xué)活動，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算機授課容易脫離生活，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)的人工智能機器人教學(xué)平臺

目前，大多數(shù)中小學(xué)校的人工智能課程還是以體驗為主，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)段特點和教師特點出發(fā)，開發(fā)適合中小學(xué)人工智能教育教學(xué)技術(shù)平臺，通過人工智能機械手去培養(yǎng)學(xué)生對人工智能技術(shù)的興趣，掌握人工智能知識。

人工智能機械手教學(xué)案例研究

1.案例介紹

手勢識別技術(shù)是人工智能圖像識別技術(shù)中的一項應(yīng)用技術(shù)，是一種新型的人機交互方式。它利用機器學(xué)習(xí)的算法識別人類的手勢動作，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，理解人工智能平臺中手勢識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

人工智能機械手：人工智能機械手是以樹莓派開源硬件作為核心處理系統(tǒng)，使用Arduino開源硬件控制機械手的動作。使用Python語言編程可以實現(xiàn)對機械手手指以及手臂的轉(zhuǎn)動以及通過圖像識別技術(shù)實現(xiàn)對手勢的識別。

Python程序設(shè)計語言：Python程序設(shè)計語言是一種跨平臺的編程語言，它的語法簡單易學(xué)，適合初學(xué)者學(xué)習(xí)，同時它可以使用大量的第三方函數(shù)庫進(jìn)行程序設(shè)計和開發(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）手勢識別網(wǎng)絡(luò)工具的準(zhǔn)備

手勢識別技術(shù)需要使用機器學(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”的手勢識別API接口進(jìn)行手勢的識別。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網(wǎng)站上先注冊個人信息再使用。例如，在百度大腦上，我們先要為每組學(xué)生注冊一個使用賬號。

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

3.案例實施過程

用Python實現(xiàn)“手勢識別”機械手的教學(xué)案例的實施過程分為情景導(dǎo)入，編寫手勢識別機械手程序，拓展學(xué)習(xí)和總結(jié)提升四個部分。

（1）情境導(dǎo)入

課程采用學(xué)生身邊的真實案例引入，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，學(xué)生通過觀看創(chuàng)新作品的視頻，了解機械手工作的過程，感受人工智能就在我們的身邊，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。

（2）編寫手勢識別機械手程序

①引用Python模塊。

手勢識別程序需要引用Aip模塊中的AipBodyAnalysis函數(shù)，此模塊的作用是與手勢識別智能平臺進(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)計四種手勢的程序，實現(xiàn)機械手模擬人手。本案例中的手勢識別智能工具可以識別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案例實現(xiàn)效果。

運行程序，手勢的圖像信息會在屏幕中的窗口顯示。擺出“1”的手勢動作，機械手將會做出相同的動作。

（3）拓展學(xué)習(xí)

如果你要完成一個可以使用語音控制機械手的任務(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手勢識別是一種新型的人機交互方式。

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械手作為教學(xué)平臺的課程設(shè)計思路，讓學(xué)生對開源硬件實體進(jìn)行學(xué)習(xí)和探究，重點培養(yǎng)學(xué)生利用人工智能技術(shù)解決生活中現(xiàn)實問題的計算思維能力，在解決問題的過程中鼓勵學(xué)生思考、創(chuàng)新、實踐，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，更加重視實踐性和學(xué)生的興趣養(yǎng)成，關(guān)注學(xué)生興趣點以及思維的培養(yǎng)。課程主線立足于人工智能核心內(nèi)容領(lǐng)域，而非編程、機器人、開源硬件等內(nèi)容的講授。在整體案例設(shè)計中，遵循“體驗-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。

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