小學階段計算機視覺類人工智能教學實踐研究

宋曉玉

隨著《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》的頒布，社會各行各業(yè)開始大力發(fā)展人工智能產(chǎn)業(yè)。與此同時，教育界也吹響了開展人工智能教育的號角。那么，在新一代人工智能背景下，小學階段如何開展人工智能教育，培養(yǎng)學生的科技創(chuàng)新意識和能力呢？筆者在開發(fā)和實踐人工智能課程“讓機器‘認識你”的經(jīng)驗基礎上，對人工智能的科普、體驗、編程、應用等關鍵環(huán)節(jié)進行了初步的探索和嘗試。

從廣泛應用的“人臉識別”入手

人工智能作為一門新興的前沿學科，定位于技術性，它所涉及的機器學習、深度學習、大數(shù)據(jù)、云計算等專業(yè)的學科技術知識，具有綜合性和復雜性的特點，學生要理解其中的高深算法和原理有很大的難度。因此，在小學階段開展人工智能教育，要根據(jù)小學生認知水平和學習規(guī)律，做到內(nèi)容淺顯易懂，切合實際。在課程設置方面，要遵循人工智能“金字塔”形發(fā)展層級——感知、認知、創(chuàng)新的規(guī)律，通過豐富的實際體驗，讓學生感知機器的智能，認知人工智能的原理，創(chuàng)新機器智能的開發(fā)。

在人工智能的研究領域，與小學生生活聯(lián)系最為密切的就是計算機聽覺和計算機視覺。例如，家里的智能手機，可語音對話;私家車上的導航，可語音控制規(guī)劃路線;小區(qū)的門禁系統(tǒng)，可人臉識別控制進出等。這些“伸手可觸”的智能生活，對于在小學階段開展人工智能教育，都是非常好的切入點和體驗點。筆者從學生每天進出校門時必經(jīng)的人臉識別門禁系統(tǒng)入手，引發(fā)學生對“機器識人”的思考，展開一系列計算機視覺的教學。

計算機視覺類人工智能課程的三個層級

圍繞“機器是怎樣認識你的”這一問題，筆者從人臉識別、人體識別、圖像識別與文字識別四個方面展開教學，讓學生感知和認知機器是如何具有“慧眼識萬物”的智能，期望讓每一個孩子都能了解人工智能，懂得人工智能，甚至能發(fā)明創(chuàng)造出智能的設備。具體來說，在開發(fā)計算機視覺類人工智能教學時，應循序漸進地從以下三個層級展開。

1.感知機器“慧眼識萬物”的神奇

對于小學生來說，最重要的就是感受和了解人工智能給生活和學習帶來的革新。通過生活中常見的智能應用、AlphaGo的故事、科普小視頻、人工智能相關動畫片等，讓學生對人工智能的應用領域建立起直觀的認識，感受智能化生活的神奇。

2.理解機器“慧眼識萬物”的道理

在學生初步感知“機器能看見萬物”的基礎上，引導學生進一步思考：機器是怎樣看見人臉或者其他物體的。把“人類看世界”與“機器看世界”進行對比和遷移，讓學生在認識自己“看世界”的基礎上，通過動畫視頻演示，形象化、具體化、差異化地展示機器識人的道理。例如，在人臉識別方面，人類是通過眼睛獲取人臉的五官特征，以外貌識記一個人的，簡而言之為“以貌識人”。而機器則是通過攝像頭獲取人臉的特征值，記錄為一串數(shù)據(jù)，以人臉數(shù)據(jù)庫的形式來識記一個人，簡而言之為“以庫識人”。從而讓學生能理解，雖然機器需要向人類學習智能，但是機器的智能方式與人類的智能方式卻又完全不一樣。

3.創(chuàng)作具有簡單智能的程序或者設備

小學人工智能課程不能停留在感知與理解層面，而應在此基礎上培養(yǎng)學生的計算思維。目前，學生正在學習的有Mblock、mPython等圖形化編程工具，還有實體的Ardiuno套件、掌控板等可外接的編程硬件，我們通過讓學生借助圖形化編程設計人工智能相關作品，或者更改某些參數(shù)來實現(xiàn)人工智能作品，對學生進行編程思維、算法思想的啟蒙與滲透。例如，學生可在圖形化編程語言中編寫一個模擬人臉識別的門禁判斷程序，是該校學生，門閘打開可進入，否則不可進入。學生也可在mPython中編程，外接實體掌控板，編寫識別人體動作的程序，進行猜拳類互動小游戲。筆者通過在Python中編寫調用百度大腦的程序，控制外接攝像頭，用來統(tǒng)計班級人數(shù)、男女人數(shù)、識別人臉戴眼鏡與否，統(tǒng)計班級學生的近視率等，讓學生進一步感知程序設計與人工智能的高階應用。在這個過程中，主要讓學生思考遇到了問題可以怎么做、如何分步做等，培養(yǎng)學生的計算思維及動手實踐能力。

人工智能課程“讓機器‘認識你”教學實踐

1.課程設計

教學從計算機的視覺研究入手，圍繞“機器是如何認識你”的核心問題，完成對人工智能的感知、體驗、創(chuàng)新三個層級的學習，如下圖所示。

2.教學內(nèi)容

前兩節(jié)課屬于人工智能的科普感知，旨在從認知層面讓學生初步感受人工智能在生活中的廣泛應用。第1課《疫情好幫手——人工智能》，從抗擊2020年新冠肺炎疫情出發(fā)，給學生展示了疫情期間使用的人工智能技術，如在人員密集的機場、火車站等用到的AI測溫儀、利用百度地圖慧眼實施大數(shù)據(jù)分析人口流向、疫情實時大數(shù)據(jù)報告，以及智能機器人輔助醫(yī)療診斷和治療等。讓學生對使用人工智能抗擊疫情有全面和深刻的認識，激發(fā)學生學習的熱情和興趣。第2課《初識人工智能的三大應用》，則回歸到人們的日常生活，從語言、圖像和娛樂三方面，展示了人工智能的廣泛應用，并由此引出人工智能的概念和研究范疇。

第3課到第6課，著重學習人工智能的計算機視覺，以第二人稱的口吻授課，把學生直接帶入學習的核心問題“機器是如何認識你”的，分別從機器能“看見”你的面容——人臉識別、機器能“欣賞”你的身形——人體識別、機器能“看懂”你的文字——文字識別、機器能“識別”你的?？ā獔D像識別四個方面展開計算視覺的學習，以課堂AI體驗+原理講授的方式進行。課堂上直接給學生拍照采集人臉照片，給手寫文字、卡片、手勢等拍照，上傳到手機“百度AI體驗中心”，通過手機投屏展示結果，讓學生得到充分的AI體驗。另外，筆者嘗試調用百度大腦，在Python中編寫了API接口的程序控制外接攝像頭，讓攝像頭能智能化地統(tǒng)計班級人數(shù)、男女生人數(shù)、戴眼鏡人數(shù)，從而實現(xiàn)輕松解決統(tǒng)計班級近視率的問題。在理解人臉識別的原理時，聯(lián)系學生每天進出校門時人臉識別門禁系統(tǒng)的切身體驗，注重人類學習與機器學習的對比、人類視覺與機器視覺的遷移，讓學生對計算機視覺既有現(xiàn)象又有本質上的認識和理解。

最后兩節(jié)課，則是學習人工智能的實踐編程課和創(chuàng)作課，第7課《模擬門禁系統(tǒng)小程序——Scratch編程》，讓學生利用圖形化編程語言編寫一個小程序，模擬學校門口的人臉識別門禁系統(tǒng)。第8課《掌控板上猜拳小游戲——mPython編程+掌控板》，在mPython中編程，外接實體掌控板，編寫識別人體動作的程序，進行猜拳類互動小游戲。

3.教學效果及反思

在這8節(jié)課的探索中，學生課堂參與度非常高，學習的熱情高漲。在課堂上教師利用動畫視頻形象地講解人臉識別的原理時，由于學生有進出校門必經(jīng)人臉識別門禁系統(tǒng)的經(jīng)驗，也很容易理解和接受。在實踐環(huán)節(jié)，學生利用圖形化編程語言編程、掌控板+mPython編程開發(fā)小程序，目前正在進行中，相信學生一定會腦洞大開。筆者也嘗試利用Python編程調用百度大腦，使得外接攝像頭具有識別人臉屬性的能力，從而輕松解決身邊的問題——統(tǒng)計班級近視率，但是由于受到API接口免費調用的人數(shù)和次數(shù)限制，每次識別最多10人。

結束語

實踐證明，在小學階段按照人工智能的三個層級——感知、認知、創(chuàng)新的規(guī)律來開發(fā)課程，既遵循人工智能的學科規(guī)律，又符合小學生的認知規(guī)律。該課程主要是在研究計算機視覺，同樣的學習方式也適用于計算機聽覺、自然語言系統(tǒng)、專家推薦系統(tǒng)等人工智能領域的教學。學生在充分感知和認知人工智能的基礎上，進行編程實踐，甚至是創(chuàng)作出智能化的作品，科技創(chuàng)新意識和能力都能得到鍛煉和提升，符合當下國家對人才培養(yǎng)的需求。

基金項目：廣東省教育科學“十三五”規(guī)劃課題“‘五度六環(huán)人工智能教育啟蒙課程的構建與實施”（課題編號：2020YQJK234）。