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    中學生自製 AI借物系統

    kaWing
    kaWing
    從事科技教育報導逾十年,見證香港電子學習及STEM的興起和轉變,近期關注AI及特殊教育。

    立體打印變奏

    科技領域動人之處是不斷推陳出新,於立體打印技術方面變化亦不小,而且在疫情期間可謂大放異彩,例如很多有心人利用現有設備,自製 Mask 和醫療工具等。最近,有報道指立體打印在技術及物料方面再有更大進步,以下將介紹近期數個不同類別的發展,全都令小記留下深刻印象。

    走出傳統框架 重視 STEM 學習經歷

    為達到有效學習,學界一般會按部就班,以傳統的進度階梯作框架來規劃課程。但世事多變,如此緊湊的課程遇上疫情,師生們如何追趕進度呢?其實,香港教育方式已不限於單一框架,有學校早在多年前開始嘗試其他出路,而且已見成效,若大家要嘗試及思考找出其他學習方式,可從本文找答案。

    後疫情時代 順勢轉用混合式學習

    疫情反覆,有醫生甚至直至現時香港面面對嚴峻的疫情。無論如何,疫情令世界改變不少,其中之一是網絡與現實結合得更緊密,這狀況在教育界尤其顯著。香港教育城(簡稱教城)行政總監鄭弼亮先生分享了他的見解,指出在後疫情時代,學界應趁機發展更有效率結合電子學習的混合式教學方法。

    設計一件成功的產品,從意念到實踐,需要經過多番嘗試,屬於測試階段的「校園物品借用系統」也一樣,負責整個計劃的燕京書院STEM主任李家明及中四就讀ICT科目的同學,將是次計劃的點滴分享。

    創作借物系統起源

    校園物品借用系統的創作意念,源自同學遇到的困難。校內的學生會雖設有免費借物服務,但卻因學生會同學的當值時間並未涵蓋整個學校開放的時段,即使櫃內有可借物品也好,有需要的同學因未符合時段而也未能借用。因此同學們最初有自動化的構思,系統初期採用學生證輕觸讀卡機連接裝有借用物品的儲物櫃,當讀卡機讀取學生證內的資料後,就會自動作記錄,接著開啟相應的儲物箱,讓同學借出該物品。後來同學考慮到學生證有機會遺失,產生無法借還物品或被盜用的問題,於是開始研究加入更安全的技術,加上李Sir背後的支援,同學們便開始著手研究使用人臉辨識技術的可行性。

    人工智能帶來轉變

    首先同學於網上尋找人臉辨識的參考。過程中,發現網絡上原來也有許多簡單易用的程式,加上編程部分的樣本也算完整清晰,初期曾使用Library(函式庫),加入需要解決的情境便完成。李Sir表示此部分主要是幫助學生講解一些英語專業名詞的意思。

    燕京書院STEM主任李家明分享校內STEM相關的計劃。
    燕京書院STEM主任李家明分享校內STEM相關的計劃。

    借物系統由Arduino的同學編程的程式。
    借物系統由Arduino的同學編程的程式。

    解構人臉辨識技術

    接著李Sir再詳細地講解,整個使用人臉辨識技術的校園物品借用系統運作方式,他指出整個流程概念是將整個開鎖過程的情境,轉變為程式編程。真正程式涉及運用到OpenCV(機械視覺函式庫)及Face recognition library。

    運作方式是當學生證輕觸讀卡機接收到學生證的資料後,程式便會從Library開啟該學生的相片準備作比對。同時,系統自動開啟攝錄機,並拍攝鏡頭前的人臉作為比較,接著程式把相片轉為數據,主要依據人臉的外形輪廓作比對,當達到一定比率,就會開啟相應的借用物品的儲物櫃,讓學生借用該物品。不過,由於程式屬於初步設計,其運作速度及辨識準確度也稍為遜色,同學們正嘗試改進上述兩個問題。

    系統會把鏡頭前的人臉拍低作為比較,程式把相片轉為數據。
    系統會把鏡頭前的人臉拍低作為比較,程式把相片轉為數據。

    憑擅長分工合作

    專門負責程式部分的同學UMAR ABAS分享,自去年3月開始在網上物色比較簡單易用的人臉辨識程式,由於個人的程式技術與學校資源所限,加上每星期只有課後約兩小時的時間去搜集資料或進行測試,因此整個計劃的進度比較緩慢。他表示整個計劃最困難並不是編程部分,反而是在安裝人臉辨識程式後,發現程式運作不了,最終不停嘗試,才知道還未在電腦上預裝函式庫(Library)。

    負責硬件部分的同學傅恩澤指出,不同攝錄機的解像度都會影響人臉辨識的準確度,因此需要配合人臉辨識系統的開發進度,以不同的攝錄機作測試。現階段正製作3呎×3呎的儲物櫃,並邀請更多同學接受進行拍攝,讓AI對人臉獲得更完整的數據,預計會在下學年試行。

    (左起)參與「校園物品借用系統」的受訪同學傅恩澤、曾珮其、鄒才文及UMAR ABAS。
    (左起)參與「校園物品借用系統」的受訪同學傅恩澤、曾珮其、鄒才文及UMAR ABAS。

    讓AI反覆嘗試

    面對「如何提高辨識準確度」的問題,其實過往該校每年也有為學生們拍攝一張學生證相片。當製作人工智能系統時,同學們經資料搜集後,決定從系統內的數據庫改善。他們在校內替各同學拍攝3至4張不同角度的人像相片,希望製作屬於校內同學的數據連,以改進原有利用外國人臉孔作為數據庫之間的不協調狀況,並期望能藉此逐步改進校園物品借用系統的辨識準確度。

    至於負責製作報告的同學曾珮其及鄒才文分享,要將技術中的專有名詞向普羅大眾分享並不容易,一般人確實難以明白,因此他們把那些技術運用相關的比喻來解說。學生們分享,還有有一難點是系統的運作速度與硬件效能有關,由於現階段系統是研發階段,已發現使用Raspberry Pi及Arduino的運算速度未如理想,速度稍慢,同學現正向學校表達需要提升硬件的訴求。

    他們邀請更多同學接受進行拍攝3至4張不同角度的人像相片。
    他們邀請更多同學接受進行拍攝3至4張不同角度的人像相片。

    加入中三課程淺嚐AI

    注意到AI發展迅速,李Sir遂於中三電腦科內,加入人工智能相關的課題,例如人臉辨識、語音辨識及數據分析等,讓同學對人工智能有初步認識。課堂設有實際應用環節,讓同學進行簡單操作,並使用API的程式作簡單改良,務求為有興趣於此範疇發展的同學帶來更清晰的方向。

    課堂設有實踐環節,經過簡單的編程後,同學便可利用攝錄鏡頭進行實驗。
    課堂設有實踐環節,經過簡單的編程後,同學便可利用攝錄鏡頭進行實驗。

    STEM元素進入課內

    除了電腦科及STEM學會之外,正計劃於本學年的下學期,將STEM計劃放入中一及中三的課堂中。中一會將綜合科學、電腦、視覺藝術及家政科的課堂,以「肥皂工作坊」為主題,讓同學經歷從設計到展示的完整過程,包括設計3D打印立體模具、肥皂製作、包裝設計、營運成本及產品售價計算,並且會在課後活動展示,讓老師同學作評審投票。還有,因中三課堂有涉及到物理、生物、化學及電腦科,也可自行設計簡單的溫室監測系統,並運用IoT技術達到記錄溫度、濕度及泥土內的養分,控制植物生長的狀況,做到智能溫室的效果。

    有同學考慮到某些化學實驗的危險性,製作工具讓他們可在特定範圍內控制試管傾倒化學液體的角度。
    有同學考慮到某些化學實驗的危險性,製作工具讓他們可在特定範圍內控制試管傾倒化學液體的角度。

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