基于中學(xué)創(chuàng)客教育的OpenCV技術(shù)教學(xué)案例設(shè)計(jì)探索

馮敬益 謝景明

【摘 要】將人工智能引入中學(xué)創(chuàng)客教育是一件既有意義又有挑戰(zhàn)的工作。本文首先分析人工智能技術(shù)在中學(xué)創(chuàng)客教育中應(yīng)用的難點(diǎn)，然后探討創(chuàng)客案例的設(shè)計(jì)原則，并設(shè)計(jì)了適合中學(xué)教學(xué)的OpenCV教學(xué)案例。本案例已經(jīng)在廣州市多所中學(xué)推廣應(yīng)用，取得了較好的效果。

【關(guān)鍵詞】創(chuàng)客教育;人工智能;案例設(shè)計(jì);OpenCV

【中圖分類(lèi)號(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2020）010-091-03

創(chuàng)客教育是一種融合信息技術(shù)，秉承“開(kāi)放創(chuàng)新、探究體驗(yàn)”的教育理念，以“創(chuàng)造中學(xué)”為主要學(xué)習(xí)方式和以培養(yǎng)各類(lèi)創(chuàng)新型人才為目的的新型教育模式[1]。近年來(lái)，在北京、上海、廣州等地的中學(xué)興起了創(chuàng)客教育。我國(guó)的中學(xué)創(chuàng)客教育已經(jīng)取得了一定的成績(jī)，在創(chuàng)客教育的環(huán)境、開(kāi)展創(chuàng)客活動(dòng)的有關(guān)要素和創(chuàng)客活動(dòng)課程等方面進(jìn)行了研究與探討[2]。

當(dāng)前，人工智能技術(shù)已在視覺(jué)識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、運(yùn)動(dòng)識(shí)別等方面取得了突破?！秶?guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》中指出：實(shí)施全民智能教育項(xiàng)目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育[3]。國(guó)家的支持政策以及人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，給中學(xué)創(chuàng)客教育帶來(lái)了重大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

計(jì)算機(jī)視覺(jué)是當(dāng)前人工智能領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)。OpenCV是一個(gè)基于開(kāi)源的跨平臺(tái)計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)，具有通用性的機(jī)器學(xué)習(xí)模塊，支持Python、MATLAB等語(yǔ)言接口，能夠幫助人們快速構(gòu)建視覺(jué)應(yīng)用[4]。因此非常有必要將OpenCV技術(shù)引入中學(xué)的創(chuàng)客教育中，提高中學(xué)生對(duì)人工智能技術(shù)的理解與應(yīng)用能力。

人工智能技術(shù)在中學(xué)創(chuàng)客教育中應(yīng)用的難點(diǎn)分析

目前我國(guó)中學(xué)開(kāi)展創(chuàng)客教育的覆蓋面還比較窄，創(chuàng)客的內(nèi)容比較單一，跟不上新一代信息技術(shù)的發(fā)展，特別是人工智能技術(shù)的發(fā)展。主要原因是存在以下六個(gè)方面的難點(diǎn)。

（1）積極性方面。創(chuàng)客教育屬于學(xué)校的校本課程和校內(nèi)教育活動(dòng)，主要以選修課的形式開(kāi)展，師生參與的積極性比較低。

（2）師資方面。教師對(duì)人工智能技術(shù)掌握不夠，不清楚如何將人工智能技術(shù)引入創(chuàng)客教育，設(shè)計(jì)適合中學(xué)生水平層次的項(xiàng)目任務(wù)，并為中學(xué)生提供實(shí)用的學(xué)習(xí)資源。

（3）內(nèi)容方面。人工智能技術(shù)涉及的知識(shí)范圍廣，并且抽象性大，學(xué)習(xí)起來(lái)難度高。人工智能技術(shù)發(fā)展較快，目前還沒(méi)有成熟的面向中學(xué)生的人工智能知識(shí)體系。如果直接將高校的人工智能培養(yǎng)內(nèi)容搬到中學(xué)，將會(huì)事倍功半。

（4）教法方面。中學(xué)生習(xí)慣了“以教師為中心”的傳統(tǒng)教學(xué)，對(duì)“以學(xué)生為中心”的創(chuàng)客教育顯得力不從心，學(xué)生需要在教師的引導(dǎo)下才能適應(yīng)新型的創(chuàng)客教育模式。

（5）教學(xué)資源?，F(xiàn)有的創(chuàng)客資源較為零散、碎片化，指導(dǎo)老師需要花費(fèi)較多的時(shí)間查找相關(guān)資料，并進(jìn)行整理與消化，這給指導(dǎo)老師造成了較大的壓力。

（6）經(jīng)費(fèi)方面。現(xiàn)有的很多創(chuàng)客教育方案，需要專門(mén)的經(jīng)費(fèi)去購(gòu)置軟硬件，這在一定程度上提高了開(kāi)展創(chuàng)客教育的門(mén)檻。

以上問(wèn)題已經(jīng)影響到了人工智能技術(shù)在中學(xué)創(chuàng)客教育中的推廣。對(duì)此，應(yīng)為中學(xué)生的創(chuàng)客教育設(shè)計(jì)既容易入門(mén)又有較好體驗(yàn)的解決方案。

基于創(chuàng)客教育OpenCV技術(shù)教學(xué)案例設(shè)計(jì)

1.創(chuàng)客案例設(shè)計(jì)的原則

本創(chuàng)客教育的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生對(duì)人工智能技術(shù)的興趣，掌握基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)，并能夠?qū)⒓夹g(shù)應(yīng)用于解決學(xué)習(xí)、生活中遇到的相關(guān)問(wèn)題。從中學(xué)生以及指導(dǎo)教師的實(shí)際情況出發(fā)，制定了如下的創(chuàng)客案例設(shè)計(jì)原則。

（1）簡(jiǎn)易法。實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單、原理清晰，能將學(xué)習(xí)者的主要注意力吸引到具體的實(shí)現(xiàn)上。

（2）遞進(jìn)法。例子應(yīng)具有可擴(kuò)展性，能夠逐步由簡(jiǎn)單功能擴(kuò)展到復(fù)雜功能，形成具有體系性且難度漸進(jìn)的案例。

（3）對(duì)比法。對(duì)于同一個(gè)功能采用不同的實(shí)現(xiàn)方法，以便學(xué)習(xí)者能從中對(duì)比不同實(shí)現(xiàn)方法的差異，從而更好地理解不同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

（4）直觀顯示法。案例被執(zhí)行后，應(yīng)能夠直觀顯示給學(xué)習(xí)者，方便學(xué)習(xí)者進(jìn)行觀察，更好地理解OpenCV技術(shù)的使用方法。

（5）興趣法。所選用的案例應(yīng)具有趣味性，能夠引起學(xué)生的關(guān)注。

2.創(chuàng)客案例的設(shè)計(jì)

OpenCV是人工智能技術(shù)體系中的一個(gè)重要分支，具有掌握起來(lái)快，實(shí)現(xiàn)效果直觀的優(yōu)點(diǎn)，比較適用于中學(xué)生層次的創(chuàng)客教育。Python語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)是簡(jiǎn)單易用，而且可以調(diào)用大量的第三方功能庫(kù)，適合用于人工智能領(lǐng)域的應(yīng)用，受到了教育界的廣泛關(guān)注，已被納入中小學(xué)的信息技術(shù)課程體系中。對(duì)此，使用Python來(lái)調(diào)用OpenCV實(shí)現(xiàn)創(chuàng)客的相關(guān)應(yīng)用。設(shè)計(jì)了5個(gè)既獨(dú)立、又關(guān)聯(lián)的案例：圖像操作 → 視頻操作 → 人臉識(shí)別 → 二維碼操作 → 創(chuàng)客項(xiàng)目。其中案例1“圖像操作”由教師進(jìn)行傳授，將學(xué)生引導(dǎo)入門(mén)。案例2～4由教師根據(jù)實(shí)際情況來(lái)決定是以教師為主還是以學(xué)生為主的教學(xué)模式。案例5“創(chuàng)客項(xiàng)目”則是以學(xué)生為主，鼓勵(lì)他們發(fā)揮創(chuàng)意完成創(chuàng)客項(xiàng)目，對(duì)具體的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)方式不做限制。表1選取案例1～2的主要實(shí)現(xiàn)、技術(shù)點(diǎn)和擴(kuò)展功能進(jìn)行了分析。

案例4的“人臉識(shí)別”案例，使用的是OpenCV自帶訓(xùn)練好的人臉?lè)诸?lèi)器數(shù)據(jù)進(jìn)行人臉捕捉，這樣可以降低學(xué)生開(kāi)發(fā)人臉識(shí)別應(yīng)用的難度。在OpenCV安裝目錄下的“data＼haarcascades＼”可找到“haarcascade_frontalface_default.xml”人臉?lè)诸?lèi)器數(shù)據(jù)文件。下面是人臉識(shí)別的主要實(shí)現(xiàn)代碼，能夠識(shí)別圖像中的人臉，并用矩形框起來(lái)。本案例的擴(kuò)展功能是：捕捉眼睛;捕捉視頻中的人臉;進(jìn)行人臉數(shù)據(jù)采集，生成人臉文件。

總? 結(jié)

本文深入探討了在中學(xué)創(chuàng)客教育中開(kāi)展OpenCV人工智能技術(shù)應(yīng)用的主要方法。本研究成果在2018年由教育部基礎(chǔ)教育課程教材發(fā)展中心組織的第五屆全國(guó)基礎(chǔ)教育課程教學(xué)改革研討會(huì)上進(jìn)行教學(xué)研究課展示，與會(huì)專家和同行認(rèn)為有助于提高學(xué)生的跨學(xué)科解決問(wèn)題能力、協(xié)作能力和創(chuàng)新能力。廣州信息工程學(xué)校、廣州鐵一中學(xué)等多家學(xué)校先后采用了本成果進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)，取得了較好的教學(xué)效果。一方面減輕了中學(xué)創(chuàng)客教師的負(fù)擔(dān)，另一方面對(duì)提高學(xué)生掌握利用Python語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)視覺(jué)應(yīng)用的能力發(fā)揮了良好的促進(jìn)作用。

綜上所述，本創(chuàng)客教育主要的實(shí)施關(guān)鍵點(diǎn)有如下兩個(gè)。

一是從選取精簡(jiǎn)的OpenCV應(yīng)用案例入手，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單并且效果可視化的案例，方便學(xué)生掌握背后的原理。

二是創(chuàng)客教育的案例具有獨(dú)立性、關(guān)聯(lián)性、擴(kuò)展性，體現(xiàn)出循序漸進(jìn)的層次性。

參考文獻(xiàn)

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