跨學(xué)科融合案例開(kāi)發(fā)探索

廖培城

[摘要]未來(lái)全球化的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)在生活中的應(yīng)用，逐漸改變了我們的生活方式和生產(chǎn)方式，未來(lái)對(duì)人才的需求必然是綜合性、高素質(zhì)的復(fù)合型人才。這就要求我們?cè)诮虒W(xué)中注重培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力，注重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。當(dāng)前的課程大部分偏向于單學(xué)科知識(shí)，如何在教學(xué)中落實(shí)學(xué)科融合，培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力和綜合素養(yǎng)，是我們面臨的一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。本論文以“基于人工智能的中醫(yī)草藥識(shí)別系統(tǒng)開(kāi)發(fā)”為例，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注社會(huì)熱點(diǎn)，利用知識(shí)解決問(wèn)題，探索跨學(xué)科融合教學(xué)的方法，為跨學(xué)科融合案例開(kāi)發(fā)提供經(jīng)驗(yàn)和借鑒。

[關(guān)鍵詞]跨學(xué)科融合;人工智能;中醫(yī)草藥識(shí)別;Python

當(dāng)今世界是一個(gè)技術(shù)變革的時(shí)代，從互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能到智能制造，這一切都在改變我們的生活方式和生產(chǎn)方式。如何培養(yǎng)面向未來(lái)的新型人才，提高學(xué)生的科學(xué)探究能力、創(chuàng)新能力和解決復(fù)雜問(wèn)題的能力，已經(jīng)成為各國(guó)共同面臨的時(shí)代課題。2017年國(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》中提出要開(kāi)展跨學(xué)科探索性研究，推動(dòng)人工智能與神經(jīng)科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、量子科學(xué)、心理學(xué)、數(shù)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會(huì)學(xué)等相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科的交叉融合。2016年國(guó)務(wù)院發(fā)布的《全民科學(xué)素質(zhì)行動(dòng)計(jì)劃綱要實(shí)施方案（2016—2020年）》鼓勵(lì)開(kāi)展科學(xué)創(chuàng)新與技術(shù)實(shí)踐的跨學(xué)科探究?jī)?nèi)容，同時(shí)規(guī)范學(xué)生綜合素質(zhì)評(píng)價(jià)機(jī)制，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的發(fā)展。基于此，我校開(kāi)展了一系列跨學(xué)科的融合教學(xué)，以培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)為目標(biāo)，探索多學(xué)科融合的方法和途徑。

一、項(xiàng)目開(kāi)展背景

中醫(yī)藥作為我國(guó)優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，不僅需要傳承，而且需要與時(shí)俱進(jìn)地發(fā)揚(yáng)。在教育部關(guān)于印發(fā)《中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化進(jìn)中小學(xué)課程教材指南》的通知文件中，明確指出反映中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化主要載體形式包括傳統(tǒng)醫(yī)藥等古代科技成就。中醫(yī)藥是目前我國(guó)中小學(xué)在優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的傳承中一個(gè)非常重要的內(nèi)容，很多學(xué)校開(kāi)設(shè)了中草藥課程或者相關(guān)的實(shí)踐活動(dòng);中醫(yī)藥專家應(yīng)邀來(lái)校開(kāi)展與中醫(yī)藥文化教育主題有關(guān)的活動(dòng)。一些地方還加強(qiáng)了中醫(yī)文化校外活動(dòng)場(chǎng)所的建設(shè)，開(kāi)展了多種形式的實(shí)踐活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生繼承和發(fā)揚(yáng)包括中醫(yī)文化在內(nèi)的優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，增強(qiáng)民族文化和價(jià)值觀的自信心。

自2019年新型冠狀病毒疫情爆發(fā)以來(lái)，中醫(yī)藥在這一次的抗擊疫情過(guò)程中發(fā)揮了重要作用，在抗擊疫情的不同階段都取得了顯著成效，贏得了患者贊譽(yù)和群眾好評(píng)，也得到了中國(guó)許多企業(yè)專家及權(quán)威專業(yè)人士的認(rèn)可與肯定。

此背景下，為傳承中醫(yī)藥文化，我校創(chuàng)客社團(tuán)開(kāi)展了中醫(yī)藥相關(guān)的跨學(xué)科學(xué)習(xí)系列活動(dòng)，在東莞市植物園的中草藥園參觀學(xué)習(xí)過(guò)程中，很難快速記住眾多的中草藥，為讓學(xué)生能夠更好地認(rèn)識(shí)中草藥的相關(guān)知識(shí)，結(jié)合今年我校初二年級(jí)信息技術(shù)課程開(kāi)展的Python課程，加上創(chuàng)客社團(tuán)學(xué)生開(kāi)展的人工智能課程相關(guān)知識(shí)，指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展“基于人工智能的中醫(yī)草藥識(shí)別系統(tǒng)開(kāi)發(fā)”項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)人工智能的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出“中醫(yī)草藥識(shí)別系統(tǒng)”，輔助學(xué)生更好的學(xué)習(xí)中草藥知識(shí)。

二、課程總目標(biāo)

1.通過(guò)開(kāi)展參觀東莞市植物園的中草藥園綜合實(shí)踐活動(dòng)，讓學(xué)生了解本地有哪些中草藥以及中草藥的作用等知識(shí)。

2.學(xué)生通過(guò)教師講解介紹、自主閱讀和探究式學(xué)習(xí)了解人工智能圖像識(shí)別原理，了解圖像識(shí)別技術(shù)的過(guò)程。

3.通過(guò)案例的制作，學(xué)生能夠掌握Python庫(kù)的安裝方法和在程序應(yīng)用中的調(diào)用方法。能夠根據(jù)程序需要，安裝用到的Python庫(kù)。

4.了解百度AI開(kāi)放平臺(tái)的“圖像識(shí)別”功能，并能運(yùn)用json庫(kù)對(duì)返回來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，得到圖片的分析結(jié)果。

5.能夠運(yùn)用webbrower庫(kù)打開(kāi)“A+醫(yī)學(xué)百科網(wǎng)站”，了解更多中草藥相關(guān)知識(shí)。

6.能運(yùn)用pyttsx3庫(kù)對(duì)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行發(fā)音，通過(guò)自主探究、學(xué)習(xí)了解語(yǔ)音合成相關(guān)技術(shù)和原理。

7.在項(xiàng)目學(xué)習(xí)過(guò)程中，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊(duì)合作能力，通過(guò)對(duì)中醫(yī)藥的進(jìn)一步了解，感受我國(guó)中醫(yī)文化的魅力，加強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感。學(xué)生通過(guò)多元評(píng)價(jià)和自我反思，能夠培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造能力、創(chuàng)新精神。

三、教學(xué)指導(dǎo)建議與評(píng)價(jià)方式

（一）教學(xué)指導(dǎo)建議

由于項(xiàng)目相對(duì)較難，課程要求學(xué)生需要具備一定的專業(yè)知識(shí)，特別是對(duì)技術(shù)的掌握，建議團(tuán)隊(duì)進(jìn)行合作完成。

1.課程開(kāi)始前

（1）通過(guò)調(diào)查問(wèn)卷，了解學(xué)生掌握人工智能基礎(chǔ)的知識(shí)水平、Python編程知識(shí)、中草藥的相關(guān)知識(shí)。

（2）根據(jù)學(xué)情、學(xué)生自身需求，指導(dǎo)學(xué)生自由組隊(duì)。

（3）學(xué)生提前注冊(cè)好百度賬號(hào)備用。

2.課程進(jìn)行中

利用導(dǎo)學(xué)案引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)頭腦風(fēng)暴、提取信息、討論決策、合作探究來(lái)循序漸進(jìn)地完成本課程的項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。

（二）評(píng)價(jià)方式

本課程在評(píng)價(jià)中注重對(duì)學(xué)生的過(guò)程性評(píng)價(jià)，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程形成全記錄，包括人工智能基礎(chǔ)知識(shí)、Python編程知識(shí)的掌握，采用項(xiàng)目分享、同學(xué)自評(píng)、互評(píng)等多內(nèi)容、多角度的評(píng)價(jià)方式評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，并形成學(xué)生學(xué)習(xí)檔案袋，建立學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)全過(guò)程的記錄和評(píng)估。每一節(jié)課程側(cè)重的方面不同，因此針對(duì)每一節(jié)課程都設(shè)計(jì)了評(píng)價(jià)的指標(biāo)，通過(guò)學(xué)生自評(píng)、學(xué)生之間互評(píng)、教師評(píng)價(jià)等方法來(lái)綜合評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)效果。

四、課程實(shí)施過(guò)程

（一）項(xiàng)目導(dǎo)入與問(wèn)題提出

在參觀東莞植物園中草藥園的實(shí)踐活動(dòng)中，我們雖然認(rèn)識(shí)了一些中草藥的名稱和形態(tài)，一旦沒(méi)有顯示植物名稱，我們對(duì)一些常見(jiàn)的中草藥還是叫不出名字，更不用說(shuō)能夠說(shuō)出它們的藥理價(jià)值。面對(duì)這樣的問(wèn)題，我們能否制作一個(gè)中草藥識(shí)別系統(tǒng)，只要導(dǎo)入要識(shí)別的中草藥圖片，就能夠告訴我們是哪種草藥，并能夠打開(kāi)相關(guān)的網(wǎng)站，讓我們進(jìn)一步了解該草藥的藥理價(jià)值。

（二）問(wèn)題分析，了解人工智能圖形識(shí)別原理，體驗(yàn)AI開(kāi)放平臺(tái)“植物識(shí)別”功能

問(wèn)題分析：想要通過(guò)圖片讓電腦識(shí)別出圖片的內(nèi)容，可以應(yīng)用人工智能的圖形識(shí)別功能。人工智能“圖像識(shí)別”技術(shù)是當(dāng)前人工智能領(lǐng)域的一個(gè)重要的技術(shù)，讓計(jì)算機(jī)能夠通過(guò)分析圖片信息，告訴人們圖片的內(nèi)容。圖像識(shí)別技術(shù)圖像分析的過(guò)程可分為信息采集、預(yù)處理、特征提取與選擇、分類器設(shè)計(jì)和分類決策等幾個(gè)步驟。有了人工智能圖像識(shí)別技術(shù)，我們就可以快速方便地識(shí)別出圖片的內(nèi)容。

百度AI開(kāi)放平臺(tái)“植物識(shí)別”功能，是我們當(dāng)前接觸到的簡(jiǎn)單方便、易用的人工智能功能，通過(guò)調(diào)用該接口，可以制作、開(kāi)發(fā)出基于“植物識(shí)別”的各種人工智能應(yīng)用。

學(xué)生通過(guò)平臺(tái)體驗(yàn)“植物識(shí)別”功能，感受利用人工智能的“植物識(shí)別”功能分析圖片，了解百度平臺(tái)識(shí)別出來(lái)的結(jié)果。在該平臺(tái)上導(dǎo)入圖片之后，可以直接查看到分析結(jié)果，在Response返回結(jié)果中，看到最終返回的結(jié)果，有識(shí)別到的植物名稱，還有相對(duì)應(yīng)的一個(gè)識(shí)別比例，該結(jié)果將是我們后期在調(diào)用百度API接口之后需要查看的一個(gè)結(jié)果。

（三）中醫(yī)草藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)：系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)基于Python進(jìn)行，通過(guò)調(diào)用相關(guān)的庫(kù)和百度API接口來(lái)完成。該部分重點(diǎn)在于庫(kù)文件的調(diào)用，由于部分程序內(nèi)容相對(duì)較難，可以由老師提供，對(duì)于庫(kù)的安裝和API接口的調(diào)用，可以由學(xué)生自主探究完成，教師給與適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)。

（四）項(xiàng)目分享，技術(shù)應(yīng)用

團(tuán)隊(duì)分享項(xiàng)目制作成果，并給大家介紹在項(xiàng)目創(chuàng)作的過(guò)程中遇到的問(wèn)題以及問(wèn)題的解決方案，通過(guò)項(xiàng)目分享，增強(qiáng)學(xué)生自信，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)精神。

技術(shù)應(yīng)用：百度API的接口調(diào)用方法基本上是相同的，建議同學(xué)們?cè)谡莆樟恕爸参镒R(shí)別”功能的接口調(diào)用之后，也能夠應(yīng)用該技術(shù)，能夠把百度AI開(kāi)放平臺(tái)的其他人工智能功能應(yīng)用到其他項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)中去。

五、實(shí)踐效果及反思

參考《中小學(xué)人工智能課程開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)（試行）》，課程在設(shè)計(jì)上面應(yīng)該考慮到課程的綜合性和實(shí)踐性，人工智能課程的實(shí)施，需要融合多學(xué)科的知識(shí)，通過(guò)教學(xué)設(shè)計(jì)創(chuàng)新，開(kāi)展諸如觀察、體驗(yàn)、模擬、實(shí)踐等多形式的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)活動(dòng)，努力提升學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容的整體理解與橫縱遷移。本課程在設(shè)計(jì)上面考慮了課程的綜合性和實(shí)踐性，以中醫(yī)為切入點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生利用人工智能知識(shí)，解決生活中遇到的問(wèn)題，并在掌握知識(shí)之后，把知識(shí)遷移，用于解決新的問(wèn)題。通過(guò)課程的實(shí)施，能讓學(xué)生了解并掌握百度AI開(kāi)放平臺(tái)接口的調(diào)用、Python庫(kù)的應(yīng)用以及語(yǔ)音合成等功能的應(yīng)用，并能夠把這些功能應(yīng)用到項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)中去，通過(guò)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，開(kāi)發(fā)制作，能讓學(xué)生很好地掌握人工智能的基礎(chǔ)知識(shí)，鍛煉了協(xié)作能力、語(yǔ)言表達(dá)能力。

跨學(xué)科學(xué)習(xí)給常規(guī)教學(xué)帶來(lái)了新的學(xué)習(xí)模式，更帶來(lái)學(xué)習(xí)的創(chuàng)新。教師在課程設(shè)計(jì)中，圍繞課標(biāo)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合學(xué)科特點(diǎn)、當(dāng)?shù)靥厣?、社?huì)熱點(diǎn)和學(xué)生生活中遇到的問(wèn)題，融合創(chuàng)新，設(shè)計(jì)出更多適合自己學(xué)生的多學(xué)科融合課程。學(xué)生通過(guò)跨學(xué)科課程的學(xué)習(xí)，在解決問(wèn)題的過(guò)程中，掌握多學(xué)科的知識(shí)點(diǎn)，并鼓勵(lì)學(xué)生將掌握的知識(shí)用于解決新的問(wèn)題。

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