項(xiàng)目簡介

學(xué)生初到校園，不熟悉環(huán)境，常常找不到合適的路徑快速到達(dá)想去的專業(yè)教室?；谶@一真實(shí)情境，本項(xiàng)目嘗試解決的核心問題為：如何利用人工智能技術(shù)解決校園找路困難的問題？

項(xiàng)目規(guī)劃

本項(xiàng)目中，學(xué)生將綜合運(yùn)用信息技術(shù)、數(shù)學(xué)和地理學(xué)科的知識(shí)與技能，學(xué)習(xí)如何將復(fù)雜的校園平面地圖進(jìn)行抽象表示，巧妙運(yùn)用搜索算法進(jìn)行精準(zhǔn)的路徑規(guī)劃，并通過回歸分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能化的決策過程，最終優(yōu)化路徑選擇，培養(yǎng)跨學(xué)科學(xué)習(xí)思維和問題解決能力。

項(xiàng)目目標(biāo)

本項(xiàng)目旨在讓學(xué)生通過校園路徑規(guī)劃的項(xiàng)目學(xué)習(xí)，能夠知道地圖的抽象表示、搜索、回歸等基本概念，對(duì)智能決策和搜索算法有所了解，進(jìn)而理解將路徑規(guī)劃技術(shù)應(yīng)用于解決生活中問題的基本思想和方法。

項(xiàng)目實(shí)施

項(xiàng)目依據(jù)問題解決的基本過程設(shè)計(jì)了4課時(shí)，單一課時(shí)重點(diǎn)解決1個(gè)小問題。每個(gè)課時(shí)的設(shè)計(jì)思路都遵循從現(xiàn)實(shí)世界形成問題，提煉對(duì)應(yīng)的計(jì)算機(jī)問題，利用學(xué)科知識(shí)學(xué)習(xí)、理解計(jì)算機(jī)對(duì)這類問題的解決方案，再將其應(yīng)用于實(shí)際問題的解決，甚至推廣到生活中更多問題的解決。

建立數(shù)據(jù)基礎(chǔ)：抽象地圖

用5×5的柵格地圖對(duì)學(xué)校地圖進(jìn)行柵格化表示機(jī)器人眼中的地圖表示形式有很多，比如點(diǎn)云地圖、柵格地圖、拓?fù)涞貓D、語義地圖等。其中，柵格地圖是用一個(gè)個(gè)方格組成的網(wǎng)格代表地圖，柵格里可以存儲(chǔ)不同的數(shù)值，代表不同的含義。本階段，學(xué)生需要將真實(shí)的平面地圖進(jìn)行柵格表示，并用0或1標(biāo)記柵格的可通行狀態(tài)，為在程序中表示校園地圖作準(zhǔn)備。

利用二維數(shù)組表示柵格地圖每個(gè)點(diǎn)的位置

無論是Python、C++還是MATLAB，矩陣更適合數(shù)組的表達(dá)，更便于編程。在這一活動(dòng)中，學(xué)生能夠利用二維數(shù)組表示地圖中的點(diǎn)位，比如設(shè)定起點(diǎn)為[1，3]，終點(diǎn)為[7，7]，并嘗試找到可通行的路徑，為路徑規(guī)劃作鋪墊，也為后續(xù)問題的解決奠定基礎(chǔ)。

A*算法助力：啟發(fā)式搜索

熱身活動(dòng)

提出現(xiàn)實(shí)問題，比如從教室到食堂的路線有哪些？哪條最短？讓學(xué)生想一想、畫一畫，激活學(xué)生的思維。然后，引出路徑規(guī)劃的概念及其在生活中的應(yīng)用，比如手機(jī)地圖導(dǎo)航中的路徑規(guī)劃、掃地機(jī)器人的清掃路線規(guī)劃、商場中快速查找商鋪的路線規(guī)劃等，進(jìn)而引出本課的重點(diǎn)內(nèi)容——搜索算法。

讓計(jì)算機(jī)找到最短通行路徑

學(xué)生合作學(xué)習(xí)模擬計(jì)算機(jī)尋找最短路徑的方法，并歸納提煉出盲目式搜索的典型方法，即深度優(yōu)先搜索和廣度優(yōu)先搜索。學(xué)生在討論過程中指出：盲目式搜索效率比較低，如何才能更智能一些呢？

更加智能地找到最短路徑

通過更多的提示信息，可以“啟發(fā)”計(jì)算機(jī)更加智能地搜索，學(xué)生依托多樣學(xué)習(xí)資源的幫助，逐步理解A*算法的關(guān)鍵：如何尋找最優(yōu)節(jié)點(diǎn)？啟發(fā)函數(shù)如何估算距離？A*算法為了尋找到最優(yōu)的下一步（最優(yōu)節(jié)點(diǎn)），需要估計(jì)經(jīng)過候選節(jié)點(diǎn)的從起點(diǎn)到終點(diǎn)的路徑總長度（F），即從起點(diǎn)到該節(jié)點(diǎn)的實(shí)際路徑（G）加上從該節(jié)點(diǎn)到終點(diǎn)的最短路徑（H）。而最短路徑（H）需要通過啟發(fā)函數(shù)進(jìn)行估算，這里的啟發(fā)函數(shù)使用的是歐式距離（兩點(diǎn)之間線段最短）。

應(yīng)用A*算法解決實(shí)際問題

學(xué)生明確了A*算法的原理后，就可以模擬計(jì)算機(jī)的運(yùn)算過程，最后通過運(yùn)行程序代碼驗(yàn)證問題解決。此外，通過對(duì)比和評(píng)價(jià)本課涉及的3種算法效率，加深對(duì)于搜索算法思想的理解。

解決方案優(yōu)化：回歸分析與智能決策

隨著對(duì)知識(shí)原理的深入學(xué)習(xí)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)了更多細(xì)節(jié)問題。比如，他們意識(shí)到由于學(xué)校內(nèi)不同區(qū)域在不同時(shí)間段的人流量存在差異，因此僅僅依賴啟發(fā)式搜索得出的最短路徑，在實(shí)際應(yīng)用中可能并非總是最優(yōu)選擇。面對(duì)這一問題，他們繼續(xù)進(jìn)行深入思考，探究課間休息時(shí)長與人流量的關(guān)系是否會(huì)對(duì)路徑規(guī)劃的結(jié)果產(chǎn)生影響。

課前數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

首先，要進(jìn)行數(shù)據(jù)收集與處理，學(xué)生結(jié)合數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的知識(shí)和方法，建立起不同課間人流量的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。學(xué)生記錄了不同課間時(shí)段學(xué)森樓前一段路徑的通行人數(shù)，包括普通課間、課間操課間、午休時(shí)間、眼保健操課間等。

線性回歸模型建立

課上，學(xué)生通過“探究小車的運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間變化的規(guī)律”這一物理實(shí)驗(yàn)的引例，體驗(yàn)了線性回歸預(yù)測方法及過程。然后，學(xué)生需要學(xué)習(xí)利用Python中的sklearn及matplotlib模塊，實(shí)現(xiàn)線性回歸算法并解決實(shí)際問題。根據(jù)學(xué)生統(tǒng)計(jì)的課間休息時(shí)長與人流量的數(shù)據(jù)，編程求得人流量與課間時(shí)長之間的定量關(guān)系。借助Python編程語言中的sklearn模塊探索兩個(gè)變量之間的線性關(guān)系，并以時(shí)長為x軸，人流量為y軸，通過matplotlib模塊繪制出擬合圖像。

最小二乘法優(yōu)化

對(duì)照機(jī)器學(xué)習(xí)的一般過程解析程序代碼，學(xué)生可以明確和理解運(yùn)用fit、predict及score訓(xùn)練數(shù)據(jù)，得出模型、使用模型預(yù)測結(jié)果的方法。LinearRegression最小二乘線性回歸的優(yōu)化技術(shù)是將殘差平方值和最小化作為目標(biāo)，從而使預(yù)測數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)的誤差平方和最小。

綜合考量：智能決策

經(jīng)過程序運(yùn)行，得到的人流量與課間時(shí)長之間的關(guān)系式為：y=12.54x-89.2；R2為0.94。算法訓(xùn)練完成后，得到的R2比較接近1，說明訓(xùn)練得出的模型效果較好。由此可見，給定一組數(shù)據(jù)，在假設(shè)數(shù)據(jù)間存在一元線性關(guān)系的前提下，就可通過機(jī)器學(xué)習(xí)中的線性回歸算法擬合數(shù)據(jù)。

項(xiàng)目評(píng)價(jià)

項(xiàng)目學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)包含多個(gè)內(nèi)容和多種評(píng)價(jià)方式。進(jìn)行過程性評(píng)價(jià)時(shí)，綜合考量了學(xué)生的課堂參與程度、每課時(shí)項(xiàng)目學(xué)習(xí)單的完成質(zhì)量，以及學(xué)生的自主評(píng)價(jià)，全面評(píng)估學(xué)生對(duì)于核心知識(shí)的掌握情況及項(xiàng)目實(shí)踐的進(jìn)展。進(jìn)行總結(jié)性評(píng)價(jià)時(shí)，依托項(xiàng)目報(bào)告的完成情況，包括利用北斗系統(tǒng)測繪校園平面地圖、實(shí)現(xiàn)學(xué)校地圖的抽象建模、借助搜索算法和智能決策得出的路徑規(guī)劃結(jié)論等，考查學(xué)生對(duì)于項(xiàng)目主要知識(shí)的整體掌握程度，以及在問題解決過程中核心素養(yǎng)的體現(xiàn)與提升。