基于開放AI云平臺(tái)的人工智能教學(xué)探究

劉浩軍

【摘 要】人工智能的快速發(fā)展引起社會(huì)廣泛的關(guān)注，為了滿足社會(huì)對(duì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需要，《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》更新了人工智能相關(guān)教學(xué)內(nèi)容。然而中學(xué)階段的人工智能教學(xué)還存在一些問題，如課程體系不完善、教學(xué)內(nèi)容未涉及人工智能核心領(lǐng)域、課程的培養(yǎng)目標(biāo)不明確等。筆者通過實(shí)踐探索出一種基于百度AI開放平臺(tái)的人工智能教學(xué)方式，期望為一線教師開展人工智能教學(xué)提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】人工智能教學(xué);AI開放平臺(tái)

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

【論文編號(hào)】1671-7384（2022）01-064-03

目前，不少中學(xué)教師開始嘗試開展AI教學(xué)。但由于缺乏相應(yīng)的課程資源、師資沒有得到足夠培訓(xùn)、沒有合適的教學(xué)平臺(tái)等原因，中學(xué)階段的AI教學(xué)還存在一些問題，如課程體系不完善，課程的培養(yǎng)目標(biāo)不明確，教師對(duì)AI缺乏深入、全面的了解，還不能完全勝任AI課程的教學(xué)。

人工智能平臺(tái)是人工智能教育開展的基礎(chǔ)環(huán)境。目前人工智能教學(xué)還處于探索階段，很少有教師根據(jù)教學(xué)實(shí)際需求和學(xué)生實(shí)踐所需開展課程。同時(shí)，任課教師缺乏對(duì)人工智能平臺(tái)的深入理解和掌握，沒有充分發(fā)揮出人工智能開放平臺(tái)的優(yōu)勢。

AI開放平臺(tái)有助于人工智能教學(xué)的開展

學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能，需要了解場景中的應(yīng)用如何從技術(shù)中來，知道在高大上的技術(shù)表象背后蘊(yùn)含著哪些基本原理，通過實(shí)踐感受技術(shù)之間的聯(lián)系。深入地學(xué)習(xí)人工智能需要很多的專業(yè)知識(shí)，如特征提取、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)等，這些對(duì)學(xué)習(xí)者的數(shù)學(xué)能力有較高的要求。但是，對(duì)大部分高中生而言還不具備這樣的能力，因此在教學(xué)中深究人工智能的算法和模型的建立、訓(xùn)練及改進(jìn)過程對(duì)學(xué)生而言難度較大?；谏鲜鲈?，需要找到恰當(dāng)?shù)那腥朦c(diǎn)使人工智能的學(xué)習(xí)活動(dòng)得到有效的開展。

目前，很多互聯(lián)網(wǎng)公司都有開放且可以免費(fèi)使用的AI平臺(tái)，提供了支持不同功能的API開放接口，用戶在開發(fā)智能應(yīng)用時(shí)，可以直接調(diào)用平臺(tái)的代碼實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的人工智能技術(shù)。因此，在教學(xué)中，教師可以通過項(xiàng)目學(xué)習(xí)的方式，基于一定的編程語言，結(jié)合具體的案例，如開發(fā)語音識(shí)別程序、開發(fā)人臉匹配程序等，讓學(xué)生體驗(yàn)把人工智能變成現(xiàn)實(shí)的過程。學(xué)生在這一過程中，并不需要掌握復(fù)雜的算法，只需學(xué)會(huì)調(diào)用API接口的開源代碼，放在自己設(shè)計(jì)的程序的合適位置即可。教師還可以提供給學(xué)生半成品代碼，學(xué)生通過修改和完善功能模塊的代碼，體驗(yàn)開發(fā)人工智能應(yīng)用的過程，理解不同模塊間的邏輯關(guān)系，并了解技術(shù)背后的生成過程。

百度AI云平臺(tái)介紹

AI Studio是百度推出的一站式開發(fā)平臺(tái)。它囊括AI教程、代碼環(huán)境、算法算力、數(shù)據(jù)集，并提供免費(fèi)在線云計(jì)算的一體化編程環(huán)境。用戶打開網(wǎng)址http：//aistudio.baidu.com，就可以在AI Studio開展深度學(xué)習(xí)（圖1）。學(xué)習(xí)者運(yùn)用AI Studio可以建立自定義的AI模型。AI Studio提供全套免費(fèi)服務(wù)，包括計(jì)算資源、空間資源、項(xiàng)目托管、學(xué)習(xí)教程等。AI Studio強(qiáng)化了工程項(xiàng)目的概念，在平臺(tái)的AI學(xué)習(xí)項(xiàng)目版塊包括大量真實(shí)場景的工程項(xiàng)目，如圖像識(shí)別、情感分析、個(gè)性化推薦等，教師可以選擇適合高中生體驗(yàn)的項(xiàng)目開展課堂教學(xué)。

AI Studio主要功能由公開項(xiàng)目、我的項(xiàng)目、樣例項(xiàng)目、共享項(xiàng)目等部分組成，有各種經(jīng)典數(shù)據(jù)集和自定義數(shù)據(jù)集，有詳盡的機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)的教程及視頻公開課等。進(jìn)入AI Studio的主頁，用戶可以看到集成百度積累的經(jīng)典AI學(xué)習(xí)項(xiàng)目，新手入門項(xiàng)目和用戶分享的公開項(xiàng)目，自我項(xiàng)目管理及共享項(xiàng)目列表。整個(gè)平臺(tái)都是以項(xiàng)目為核心的，非常適合開展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)。

而數(shù)據(jù)集則包括一些經(jīng)典的公開數(shù)據(jù)集，像MNIST手寫數(shù)據(jù)集、鳶尾花數(shù)據(jù)集、房價(jià)預(yù)測、車牌數(shù)據(jù)等，還有一些開放的百度數(shù)據(jù)（中文短文本語料，信息抽取數(shù)據(jù)），非常適合高中生在平時(shí)開展項(xiàng)目學(xué)習(xí)時(shí)直接引用。同時(shí)，用戶也可以上傳自定義數(shù)據(jù)進(jìn)行模型開發(fā)。

AI Studio不僅有機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)方面的視頻課程和文檔教程，而且包含了大量的各個(gè)方向的深度學(xué)習(xí)實(shí)例，如圖像分類、詞向量、個(gè)性化推薦、情感分析、語義角色標(biāo)注以及機(jī)器翻譯等，不僅從原理層面進(jìn)行深入淺出的講解，更提供模型代碼逐行進(jìn)行實(shí)操。樣例項(xiàng)目都是一些機(jī)器學(xué)習(xí)經(jīng)典應(yīng)用場景，以Notebook的形式提供，用戶可以把這些樣例項(xiàng)目復(fù)制到自己的項(xiàng)目下進(jìn)行學(xué)習(xí)開發(fā)。對(duì)于零基礎(chǔ)的高中生來說，這個(gè)模塊可以幫助他們快速上手。AI Studio也提供項(xiàng)目共享功能供大家互相學(xué)習(xí)。

AI Studio編程環(huán)境主體由Notebook形式組成，熟悉Jupyter的學(xué)生可以無縫銜接，比傳統(tǒng)的Notebook優(yōu)越的一點(diǎn)是項(xiàng)目的數(shù)據(jù)集會(huì)以列表的形式展示在Notebook左側(cè)，可以很方便地一鍵獲取數(shù)據(jù)集路徑（圖2）。該編程環(huán)境菜單欄更簡潔，運(yùn)行、增加代碼、增加注釋等基本功能都具備，可以保存為ipynb格式文件，支持Python2.7和Python3。

百度AI平臺(tái)在項(xiàng)目教學(xué)中的應(yīng)用

1.學(xué)情分析

高二學(xué)生在學(xué)習(xí)本項(xiàng)目之前，已具備一定的Python學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。學(xué)生在本項(xiàng)目中，將基于Python編程語言，通過修改和完善百度AI開放平臺(tái)的開源代碼模板，體驗(yàn)開發(fā)智能程序的過程。

2.項(xiàng)目學(xué)習(xí)過程

（1）項(xiàng)目選題。教師在介紹了人工智能在人臉識(shí)別方面的應(yīng)用后，確定項(xiàng)目學(xué)習(xí)主題，請(qǐng)全班學(xué)生找出自己的學(xué)籍照片，通過調(diào)用百度AI人臉識(shí)別庫實(shí)現(xiàn)單人或多人的人臉?biāo)阉鳌?/p>

（2）理論知識(shí)介紹。教師引入人臉識(shí)別技術(shù)，說明其是基于人的臉部特征，對(duì)輸入的人臉圖像或者視頻流，提取每個(gè)人臉中所蘊(yùn)涵的身份特征，并將其與已知的人臉進(jìn)行對(duì)比，從而識(shí)別每個(gè)人臉的身份。人臉識(shí)別技術(shù)包含三個(gè)部分：人臉檢測、人臉跟蹤和人臉比對(duì)。

（3）項(xiàng)目探究。百度AI人臉庫模塊：使用百度賬號(hào)登錄百度AI平臺(tái)，選擇人臉識(shí)別;創(chuàng)建應(yīng)用，通過創(chuàng)建應(yīng)用可以獲得一個(gè)AppID，每個(gè)AppID可創(chuàng)建相對(duì)應(yīng)的人臉庫，在人臉庫下可以創(chuàng)建用戶組，每個(gè)用戶組下可添加用戶UID;創(chuàng)建應(yīng)用后會(huì)配到AppID、APIKey和Secretkey，通過調(diào)用接口獲取認(rèn)證字符串AccessToken。人臉圖像采集終端模塊：本模塊涉及圖像獲取和編碼，學(xué)生下載本人的學(xué)籍照片，借助教師提供的圖像BASE64編碼工具先對(duì)照片進(jìn)行編碼，通過http請(qǐng)求的方式，將編碼后的圖像和學(xué)生基本信息發(fā)送給百度AI人臉庫模塊，正常會(huì)返回成功標(biāo)識(shí)，并顯示學(xué)生基本信息。人臉?biāo)阉髂K：人臉?biāo)阉饕卜Q為1：N識(shí)別，在指定人臉庫中，找到最相似的人臉。學(xué)生已經(jīng)通過第一步人臉庫模塊將自己的學(xué)籍照片加入到了人臉庫，并且指定了UID，這一步將利用攝像頭實(shí)施拍照，通過調(diào)用百度AI人臉?biāo)阉骱瘮?shù)實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別，并返回相似度。

（4）完善項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)視頻流人臉識(shí)別。為了使程序滿足實(shí)際用戶的需求，學(xué)生需要進(jìn)一步完善項(xiàng)目，解決在實(shí)際應(yīng)用場景下，用戶通過攝像頭實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)畫面人臉識(shí)別，以及多人人臉識(shí)別。教師引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)opencv庫的基本用法和百度API文檔，完善項(xiàng)目代碼。

（5）項(xiàng)目展示和評(píng)價(jià)。學(xué)生以小組為單位通過攝像頭采集其他成員的人臉照片，展示各自的人臉識(shí)別作品。采用教師點(diǎn)評(píng)和學(xué)生互評(píng)的方式對(duì)作品以及學(xué)生在項(xiàng)目學(xué)習(xí)中的過程性表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.基于百度AI平臺(tái)項(xiàng)目教學(xué)實(shí)施反思

由于人工智能算法對(duì)學(xué)習(xí)者的數(shù)學(xué)和編程基礎(chǔ)有較高的要求，在項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，以百度AI人臉識(shí)別模塊作為編程環(huán)境，可以繞過復(fù)雜的算法學(xué)習(xí)，又可以探究人工智能的技術(shù)實(shí)現(xiàn)流程。

在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)過程中，并不像一般的課程教學(xué)按章節(jié)來教學(xué)，這樣會(huì)存在一個(gè)問題，有些知識(shí)點(diǎn)本來在后面的章節(jié)才重點(diǎn)學(xué)習(xí)，但本項(xiàng)目就已經(jīng)涉及了，如百度人臉識(shí)別結(jié)果是以Json格式返回的，但是學(xué)生還不會(huì)解析Json數(shù)據(jù)。因此，教師在做項(xiàng)目式教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)需要做充分準(zhǔn)備，為項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的實(shí)施提供資源支撐。

學(xué)生在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)過程中表現(xiàn)出了積極的一面，但存在的問題是如果學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力不強(qiáng)的話，學(xué)習(xí)的效果就很難保證。這就要求學(xué)生有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)自主性，要求老師在開展項(xiàng)目式教學(xué)時(shí)要時(shí)刻關(guān)注學(xué)生的動(dòng)態(tài)。

筆者在高二年級(jí)借助百度AI開放平臺(tái)開展人工智能教學(xué)，取得了較好的效果。該年級(jí)不僅開設(shè)了人工智能體驗(yàn)式課程，還在AI Studio環(huán)境下加載數(shù)據(jù)、選擇機(jī)器學(xué)習(xí)算法、進(jìn)行模型訓(xùn)練，深入探究機(jī)器學(xué)習(xí)的過程，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造思維和實(shí)踐能力，實(shí)現(xiàn)學(xué)生信息素養(yǎng)的提升，為高中人工智能模塊教學(xué)提供了借鑒。

作者單位：廣東中山市桂山中學(xué)

參考文獻(xiàn)

熊璋，吳建鋒.普通高中信息技術(shù)課程必修1中的人工智能[J].中國信息技術(shù)教育，2020（11）.

任昕.基于AI開放平臺(tái)的人工智能教學(xué)初探——以情感傾向分析項(xiàng)目為例[J].中國信息技術(shù)教育，2019（8）.

熊雪亭.人工智能進(jìn)入高中信息技術(shù)課堂的探索與實(shí)踐[J].中小學(xué)信息技術(shù)教育，2019（6）.

余燕芳，李藝.基于計(jì)算思維的項(xiàng)目式教學(xué)課程構(gòu)建與應(yīng)用研究——以高中信息技術(shù)課程《人工智能初步》為例[J].遠(yuǎn)程教育雜志，2020，38（1）.