基于真實情境的 人工智能項目活動設(shè)計與實施

王世達(dá)

摘要：人工智能是信息科技課程中的重要教學(xué)內(nèi)容，初中階段的學(xué)生，既熟悉身邊的人工智能應(yīng)用，但又難以深入理解人工智能的原理。本文以“無人超市的實現(xiàn)”項目為例，對如何在初中信息科技課程中創(chuàng)設(shè)真實情境、合理設(shè)計項目、體現(xiàn)學(xué)科核心素養(yǎng)進(jìn)行了闡述，并通過核心內(nèi)容的教學(xué)實施幫助學(xué)生在解決真實問題的過程中真正理解人工智能。

關(guān)鍵詞：真實情境;項目設(shè)計;人工智能教學(xué)

中圖分類號：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 論文編號：1674-2117（2022）12-0046-03

人工智能是當(dāng)今信息技術(shù)發(fā)展的集中體現(xiàn)，《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》和《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》，均將“人工智能”納入了教學(xué)內(nèi)容。對于初中生來說，人工智能已經(jīng)滲透到他們生活中的各個方面，但學(xué)生對人工智能的科學(xué)原理和實現(xiàn)路徑仍不太了解。因此，在教學(xué)中有必要基于學(xué)生生活中常見的情境，合理設(shè)計項目，通過可操作、可實現(xiàn)的項目，讓學(xué)生體驗信息技術(shù)行業(yè)實踐者真實的工作模式和思考方式，從而讓表層的應(yīng)用與深層次的原理發(fā)生聯(lián)系，促進(jìn)學(xué)生對人工智能的理解，進(jìn)而用人工智能去解決不同問題情境中的新問題。

● “無人超市的實現(xiàn)”項目簡介

1.基于真實情境

隨著城市的智能化程度不斷提升，無人超市已經(jīng)逐步走進(jìn)日常生活。在項目實施前，教師通過調(diào)查問卷了解全年級學(xué)生對無人超市的了解情況。

從調(diào)查結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)生對無人超市、自動收銀有一定的了解，對“無人超市的實現(xiàn)”情境的接受度較高，為后續(xù)的項目實施打好了良好的基礎(chǔ)。同時，教師在項目實施前，也要求學(xué)生通過尋訪身邊的無人超市或觀看微視頻等方式對無人超市的工作流程進(jìn)行了解。

2.合理設(shè)計項目

根據(jù)初中生的特點，本項目選擇了具有機(jī)器學(xué)習(xí)擴(kuò)展模塊的模塊化編程軟件，幫助學(xué)生理解機(jī)器學(xué)習(xí)圖像識別的過程。為了能讓學(xué)生完整體驗無人超市的實現(xiàn)過程，項目共設(shè)計了6課時的教學(xué)內(nèi)容，如下頁表所示。

在第4課時中，教師指導(dǎo)學(xué)生通過對機(jī)器學(xué)習(xí)圖像訓(xùn)練中的問題進(jìn)行歸納總結(jié)，思考幫助人工智能提高圖像識別率的幾種方法路徑，以便在第5課時中，利用這些路徑幫助學(xué)生了解人工智能進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)與訓(xùn)練的原理，最終理解機(jī)器學(xué)習(xí)。

3.體現(xiàn)學(xué)科核心素養(yǎng)

本項目將信息意識、計算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息安全責(zé)任四個學(xué)科核心素養(yǎng)有機(jī)融入項目實施的各個環(huán)節(jié)，具體如下。

信息意識：學(xué)生在日常生活中是否關(guān)注了身邊的無人超市及其應(yīng)用，從中反映學(xué)生是否敏銳地感覺到信息的變化;項目完成中不斷思考無人超市背后的原理，體現(xiàn)了自覺、主動地尋求恰當(dāng)?shù)姆绞将@取與處理信息的意識。

計算思維：學(xué)生通過普通超市手動收銀程序的編寫培養(yǎng)基本的編程能力與計算思維;在從手動收銀到無人超市自動識別收銀的程序改寫過程中，學(xué)生能夠體會到一個完整的大的系統(tǒng)是可以分解成一個個小的系統(tǒng)的，并根據(jù)實際需要對其中的模塊進(jìn)行升級更替;在整個學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生所經(jīng)歷的超市收銀原型設(shè)計、升級更新需求、編寫無人收銀模塊、調(diào)試完善、評價交流等過程，也是運(yùn)用計算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法形成問題解決方案的過程。

數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新：學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中將使用到模塊化編程中的機(jī)器學(xué)習(xí)模塊、攝像頭等工具，教師也提供了一些無人超市、機(jī)器學(xué)習(xí)的視頻資源，供學(xué)生自主學(xué)習(xí)時選擇使用。

信息社會責(zé)任：無人超市是信息技術(shù)創(chuàng)新所產(chǎn)生的新觀念和新事物，但在其使用過程中也帶來了一些公共規(guī)范和安全問題，在項目實施過程中，學(xué)生對此進(jìn)行了交流與思考。

● 核心內(nèi)容的教學(xué)實施

1.前期準(zhǔn)備

在項目的第1、2課時中，學(xué)生學(xué)習(xí)了模塊化編程軟件中的循環(huán)與分支，并設(shè)計了一個簡單的傳統(tǒng)超市收銀系統(tǒng)程序，程序界面和部分代碼如圖1所示。

在這個傳統(tǒng)的收銀系統(tǒng)中，使用者通過點擊相應(yīng)的物品，就可以獲知單品的價格，當(dāng)完成單品價格輸入后，就會自動計算出總價，并出示一張二維碼圖片，作為模擬的付款二維碼。

在第3課時前，教師請學(xué)生利用雙休日參觀身邊的無人超市，并在課中通過播放視頻和分析討論，讓學(xué)生理解要實現(xiàn)超市的無人化升級改造，核心是要使用人工智能的圖像識別功能完成對貨品的自動識別，從而替代原有手動輸入貨物名稱獲得價格的過程。

2.運(yùn)用圖像識別

在第4課時中，教師為每組學(xué)生都準(zhǔn)備了4個物品（香蕉、蘋果、茄子和黃瓜），并提供了如何使用計算機(jī)攝像頭和機(jī)器學(xué)習(xí)擴(kuò)展模塊進(jìn)行圖像識別訓(xùn)練的微視頻，要求每組學(xué)生任意選擇3個物品的圖像錄入。

當(dāng)圖像數(shù)據(jù)錄入完成后，教師讓學(xué)生任選一個物品進(jìn)行檢測，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)計算機(jī)對識別的物品都會顯示一個概率值，如學(xué)生錄入了香蕉、蘋果、茄子三個物品，選擇茄子進(jìn)行識別，則與已經(jīng)錄入的茄子相符概率最高，一般在70%以上，與香蕉相符概率其次，在30%左右，而與蘋果相符概率最低，基本為0;此時，教師要求學(xué)生對沒有被錄入的黃瓜進(jìn)行識別，學(xué)生發(fā)現(xiàn)其與香蕉相符概率最高，可到達(dá)60%左右，其次是茄子，一般在40%左右，而識別為蘋果的概率為0。通過這個環(huán)節(jié)，不少學(xué)生已經(jīng)猜測到概率值就是人工智能通過圖像識別計算出某種物品的概率，學(xué)生也初步建立起兩個觀點：一是人工智能的圖像識別并不是完全100%確定某一物品是什么，而是與已經(jīng)錄入的物品進(jìn)行對比，生成一個可能是某種物品的概率，概率數(shù)值越高，則越有可能是某種物品;二是被識別物品的概率值與錄入時的形狀、顏色等特征有關(guān)，如香蕉、茄子、黃瓜在形狀上都是長條的，而蘋果是圓形的，因此黃瓜基本不可能被判斷為蘋果，但黃瓜的形狀和顏色與香蕉更近似，因此判定為香蕉的概率略高于茄子。

在學(xué)生有了初步認(rèn)識后，教師展示傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)背后的決策樹原理，從原理層面解答學(xué)生的疑問。

在完成了物品錄入后，教師要求學(xué)生通過修改程序腳本，將原有收銀系統(tǒng)中的手動輸入計價升級為通過圖像識別后自動報價。部分程序代碼和識別窗口如圖2所示。

在完成程序修改升級后，學(xué)生小組進(jìn)行調(diào)試，使用編寫的程序分別識別蘋果、香蕉、茄子，完成價格的累加，最后輸出總價。通過這個活動，學(xué)生理解了并不是程序能識別出所有物品，而是需要將超市中所有的物品都通過圖像識別錄入到程序中并通過模型訓(xùn)練，才能夠讓計算機(jī)有能力識別出對應(yīng)的物品。

在此基礎(chǔ)上，學(xué)生進(jìn)一步調(diào)整改進(jìn)系統(tǒng)，增加了黃瓜的圖像錄入，從而實現(xiàn)了對四個物品的正確識別與總價計算，也進(jìn)一步鞏固了之前學(xué)習(xí)的知識與技能。還有的學(xué)生嘗試將身邊的文具，如尺、本子等通過圖像識別錄入程序，進(jìn)一步豐富了無人超市程序中的貨物。

3.理解機(jī)器學(xué)習(xí)

在第5課時中，教師指導(dǎo)學(xué)生小組之間互相使用對方的程序識別物品進(jìn)行結(jié)賬，學(xué)生發(fā)現(xiàn)有些小組的識別率整體較低。教師提問：同樣的四個物品，同樣的程序，為什么不同小組的圖像識別概率有所不同？在現(xiàn)有條件下如何有效提升圖象識別的正確率？

學(xué)生圍繞問題開展研究，在對最初錄入的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后他們發(fā)現(xiàn)，識別率低的小組在固定物品錄入時錄入的物品圖像往往存在一定缺陷，如角度單一、圖像內(nèi)有學(xué)生肢體等其他干擾元素。通過討論，學(xué)生重新對物品進(jìn)行了圖像識別錄入，在錄入過程中，學(xué)生思考了各種方法，如在識別物品的后面放上一張A4紙、對物品的各個角度均進(jìn)行錄入，甚至用雙面膠將物品粘在A4紙上識別從而減少手對圖像錄入的影響……通過實踐，學(xué)生明白了人工智能是需要訓(xùn)練的，物品錄入的圖像樣本越多越豐富，錄入時的圖像越清晰、干擾越少，后續(xù)程序的識別成功概率就越高。在此基礎(chǔ)上，教師提出了機(jī)器學(xué)習(xí)的概念以及機(jī)器學(xué)習(xí)的過程，并將學(xué)生實踐的過程與機(jī)器學(xué)習(xí)的步驟進(jìn)行對比。

4.完善與思考

在理解機(jī)器學(xué)習(xí)的原理后，學(xué)生小組的改進(jìn)與完善更有針對性，最終實現(xiàn)了無人超市的升級。在展示與交流中，有的學(xué)生提出，在圖像識別過程中要注意自己的人臉信息被采集;有的學(xué)生提出，茄子還有圓形的，需要增加茄子的圖像模型;還有的學(xué)生提出，真正的無人超市在識別物品使用的是條形碼或二維碼，是否需要增加編碼功能。這些都體現(xiàn)出本項目實施中對學(xué)生的信息意識和信息社會責(zé)任的培養(yǎng)。

● 結(jié)束語

人工智能進(jìn)入義務(wù)教育信息科技課程已是必然趨勢，教師必須在教學(xué)設(shè)計中針對學(xué)生特點，對相關(guān)的概念、原理，使用的平臺工具等進(jìn)行“降維”設(shè)計，將日常生活中的人工智能應(yīng)用轉(zhuǎn)化為課堂中能夠?qū)嵤┑捻椖浚ㄟ^學(xué)生熟悉的真實情境，將項目線和知識線有機(jī)結(jié)合，才能使學(xué)生逐步從感性的直觀經(jīng)驗走向理性的人工智能、抽象概念建構(gòu)，真正理解人工智能的概念與原理，達(dá)到知其然又知其所以然的目的。

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