基于垃圾分类机器人系统的人工智能课程教学设计

周月红 王立奇 马睿

摘要：在智能化时代，人工智能技术发展大大促进了相关专业课程的开设需求。随着人工智能专业的兴起，专业课程的开发亦是重中之重。本文主要介绍了人工智能技术发展的现状以及国内相关专业课程的开设近况，分析了本课程开发的项目载体垃圾分类机器人系统的框架及实现流程。在此基础上，针对人工智能相关技术的知识体系，设计了人工智能课程相关教学知识点和教学方式。

关键词：人工智能;垃圾分类;课程设计

引言

二十一世纪以来人工智能已經成为新一轮产业变革的核心驱动力，正在对世界经济、社会进步和人类生活产生极其深刻的影响。手机的语音助理、家用智能音箱、刷脸支付等日渐普及的智能化工具在生活中给人们带来了便利。

在人工智能快速发展的背景下，人工智能学科和专业建设也急需加快推进。处于上海这样的人工智能开发高地，我校积极响应2018年4月份教育部印发的《高等学院人工智能创新行动计划》拓宽人工智能专业的教学，加强人工智能学科建设，抓紧时代脉搏，通信与信息工程学院开设了“人工智能技术服务”专业，并于2020年对外招生。作为培养应用性人才的高职院校，我们培养的人工智能人才将具备人工智能的专业基础知识，以人工智能的产品服务和应用为主要目标岗位群。

契合在上海仪酷智能科技有限公司产学研的机会，参与开发了一套垃圾分类机器人的教学资源，这套课程资源以Python编程为基础结合了人工智能的基础知识点如语音识别、图像识别、机器人串口通信等，可以作为人工智能专业综合实训类课程或相关专业群的人工智能选修课程的项目资源。

一、 垃圾分类机器人系统设计

本教学演示的垃圾分类机器人系统由视觉系统、人工智能语音视觉核心板、麦克风阵列、智能机械臂、自动开关盖子垃圾桶和垃圾实物图卡片组成。首先启动人工智能语音视觉核心板中的主程序对各种设备初始化，初始化完毕会有语音播报告知用户已经准备就绪，如“启动垃圾分类”;由麦克风阵列采集到用户的语音口令，如“这是什么垃圾”，则调用视觉系统中的相机找到垃圾实物图卡片并采集图像信息;对采集到的图像进行预处理（图像增强、边缘检测和噪声滤除）和目标轮廓特征提取得到垃圾图像卡片位置坐标信息;调用物体识别API对处理后的图像进行图像识别得到物品名，再根据物品名使用垃圾分类API，最后将得到的垃圾分类结果信息以语音播报给用户，如“这是可回收垃圾”;并根据垃圾分类类型结果发送指令给自动开关盖子垃圾桶打开相应分类的垃圾桶;同时把垃圾实物图像卡片的坐标信息传送给智能机械臂，指挥其完成在指定位置捡拾垃圾图像卡片并投放到对应分类的垃圾桶操作。

二、人工智能课程教学设计

（一）设计人工智能课程知识体系

垃圾分类机器人系统中涉及了语音交互、图像识别、垃圾分类、垃圾桶控制、智能机械臂控制等模块均可作为人工智能课程的相关教学模块。

本系统中所有的编程均可使用Python语言实现，所以本课程中Python作为基础工具。若学生不具备Python语言基础，可在课程最初阶段开设相应Python编程语言学习的课时。本系统中开发使用的Python语言基础涉及知识点有：基本的数据类型、结构、语法，常用模块的导入与调用，函数，面向对象，异常处理，回调与递归，装饰器，模块与包的设计。

语音交互模块需借助麦克风阵列来实现声音采集，利用人工智能语音视觉核心板编程实现，涉及的相关知识点有：声音的采集、播放与合成，基于开源技术如科大讯飞的语音识别、语音合成技术应用，语义解析技术应用如aiui接口、json解析、情景分类等，简易的人机语音对话程序设计。

图像识别模块借助视觉系统的摄像头读取图像，利用人工智能语音视觉核心板编程实现，涉及的相关知识点有：控制相机拍照，图片的读取、保存、显示、裁剪与缩放，图片色彩空间变换，二值化、取轮廓、直方图均衡化，开闭操作与卷积滤波，对图片中特定颜色的筛选，霍夫直线检测，霍夫圆检测，神经网络的概念及原理，Tensorflow基本API的使用，了解LeNet网络结构，LeNet分类模型应用。

垃圾分类模块由于涉及到物品归类数据库操作，这些需要数据库专门知识，故本课程中可使用外部网站开发好的API，只需要把物品名作为web请求的参数输入，调用外部网站API后响应得到垃圾分类结果（文本形式）。使用外部API也是当前人工智能应用的必备技能，这样可以在人工智能开发中使用更多功能提高开发效率。本模块涉及的相关知识点有：Python爬虫概念，向指定的url发送请求，读取web响应内容，json解析。

垃圾桶控制模块需使用自动开关盖子垃圾桶，该垃圾桶使用Arduino控制四路电机，代码开源，与人工智能语音视觉核心板USB串口连接，利用人工智能语音视觉核心板编程实现对垃圾桶盖子开关的控制。本模块涉及的相关知识点有：查看端口信息，创建serial 实例对象，serial对象常用的属性和方法，使用serial对象进行串口数据传输，字节数据转换。

智能机械臂与人工智能语音视觉核心板USB串口连接，使用人工智能语音视觉核心板编程实现对智能机械臂的运动控制，涉及的相关知识点有：机械臂的串口通讯，机械臂执行回零功能，机械臂的指令队列控制，机械臂的运动模式，机械臂的坐标系，机械臂的运动控制，机械臂吸放卡片功能，机械臂扔垃圾命令。

（二）人工智能课程实施方式

在实际教学中可先让学生从垃圾分类机器人系统找出各模块在系统中承担的功能作为案例引入，再给予讲解相关知识点来说明系统是如何实现的，这将让学生在掌握人工智能知识的同时能形象深刻地理解这些知识的应用场景。在实践操练部分可以先让学生试着修改本系统的部分代码如语音口令来帮助学生进一步理解各功能模块中的某些关键技术作用。这样边学边实践，最后在课程结束时能逐步把整个垃圾分类机器人系统全部实现，对于学生来说也会收获不小的成就感。在学习完某功能模块后，亦可让学生模仿完成一个类似的小功能项目作为拓展学习，如使用开源技术实现与语音助手之间的对话、识别某个物体图片、控制某个垃圾桶开关、操控机械臂做移动抓取物体操作等。

结语：

随着人工智能技术的进一步发展，人工智能专业课程也将随着技术不断革新。通过深入的校企合作，把公司的真实项目转换为人工智能专业课程教学项目载体，可以使得教学更形象更贴近实践，真正实现让学生在学中做、做中学。

参考文献：

[1]蔡自兴.重磅：中国人工智能40年发展简史.（更新日期2017-10-07） [引用日期2020-07-21].https：//www.sohu.com/a/196609530_313170.

[2]中国电子技术标准化研究院.人工智能标准化白皮书（2018版）[S].北京：2018人工智能标准化论坛，2018.

[3] 王学男.基于科学素养的机器人教育与人才培养--访清华大学人工智能研究院院长张钹院士[J]. 中国电化教育.2019（6），1-5

作者简介：

周月红（1977.8-），女，上海人，讲师，硕士，研究方向：人工智能教学。

王立奇（1984-），男，上海人，高级工程师，硕士，研究方向：智能机器人。

马睿（1991-），男，吉林长春人，软件工程师，学士，研究方向：LabVIEW及Python应用。