AI教學(xué)點(diǎn)燃學(xué)生創(chuàng)造熱情
——以學(xué)生課后AI科創(chuàng)活動(dòng)為例

李啟晨 上海市西南位育中學(xué)

學(xué)生學(xué)習(xí)AI的目的是什么？學(xué)習(xí)AI對(duì)學(xué)生有什么實(shí)際影響？學(xué)習(xí)AI之后可以解決生活中的什么問(wèn)題？自2018年學(xué)校開(kāi)設(shè)AI特色課程以來(lái)，這些問(wèn)題一直困擾著筆者。同時(shí)，面對(duì)AI這門(mén)新的課程，如何針對(duì)學(xué)生學(xué)情進(jìn)行教學(xué)？應(yīng)該尋找哪一個(gè)切入點(diǎn)最適合？作為學(xué)校的科技總指導(dǎo)，該如何將這門(mén)前沿學(xué)科知識(shí)融入現(xiàn)有的學(xué)生課程和生活中？帶著這些疑問(wèn)和對(duì)新技術(shù)探索的渴望，筆者所在教研組教師經(jīng)過(guò)對(duì)課程的打磨，終于尋找到一條適合學(xué)生學(xué)情的AI教學(xué)之路。

● 以學(xué)生為中心推進(jìn)學(xué)校AI課程建設(shè)

懷特海在《教育的目的》一書(shū)中曾提到，“教育需要解決的問(wèn)題就是使學(xué)生通過(guò)樹(shù)木看見(jiàn)森林”。所以，在課程初創(chuàng)時(shí)，教研組便明確了本課程的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用已經(jīng)掌握的AI技術(shù)，探索解決生活中的小問(wèn)題。設(shè)立目標(biāo)只是第一步，學(xué)生運(yùn)用和掌握相關(guān)的AI技術(shù)，還需要將教師領(lǐng)進(jìn)門(mén)。為此，教研組設(shè)計(jì)了符合所在學(xué)校初中和高中學(xué)段認(rèn)知層次的相關(guān)課程（如下頁(yè)圖1）。針對(duì)初中學(xué)段的課程教學(xué)，主要通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐的課程，讓學(xué)生體驗(yàn)AI智能硬件給生活帶來(lái)的便利。針對(duì)高中學(xué)段的課程教學(xué)，更注重AI核心知識(shí)的培養(yǎng)，通過(guò)講授相關(guān)原理、算法知識(shí)點(diǎn)等，并以AI智能車作為載體實(shí)現(xiàn)相關(guān)技術(shù)，讓學(xué)生在理論和實(shí)踐上都有所收獲。

圖1

設(shè)立這些課程內(nèi)容的目的在于拓寬學(xué)生視野，讓學(xué)生對(duì)“AI是什么”有初步的了解，在此基礎(chǔ)之上，再尋找自己喜歡的興趣點(diǎn)加以延伸。同時(shí)，結(jié)合學(xué)校“我要做研究”的素質(zhì)課程板塊，鼓勵(lì)學(xué)生尋找和發(fā)現(xiàn)生活中的問(wèn)題，并結(jié)合自己的奇思妙想提出問(wèn)題和假設(shè)，適當(dāng)運(yùn)用AI技術(shù)來(lái)解決遇到的問(wèn)題。通過(guò)幾年的跟蹤研究教學(xué)我們發(fā)現(xiàn)，課程設(shè)置的內(nèi)容符合學(xué)生的需求，教學(xué)也達(dá)到了預(yù)期的效果。

● 以項(xiàng)目化教學(xué)為手段激發(fā)學(xué)生內(nèi)驅(qū)力

1.初中階段

初中生的創(chuàng)造和靈感往往來(lái)源于自己在生活中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，很多優(yōu)秀的項(xiàng)目也讓筆者深受啟發(fā)，原來(lái)在課堂講授的內(nèi)容可以用這樣的方式運(yùn)用到生活中。下面介紹兩個(gè)實(shí)例。

例1：利用AI遷移學(xué)習(xí)MobilNetV2實(shí)現(xiàn)佩戴安全頭盔的自動(dòng)檢測(cè)。

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的初衷是基于公安部交通管理局所要求的各地穩(wěn)妥推進(jìn)“一盔一帶”安全守護(hù)行動(dòng)。學(xué)生受到“人臉識(shí)別開(kāi)鎖”這節(jié)課所學(xué)知識(shí)的啟發(fā)，想運(yùn)用教師在課堂中提供的素材對(duì)人臉進(jìn)行識(shí)別，自動(dòng)檢測(cè)騎車人是否佩戴頭盔，但他們發(fā)現(xiàn)課堂中的人臉識(shí)別場(chǎng)景比較單一，而現(xiàn)實(shí)生活中的人臉識(shí)別場(chǎng)景較為復(fù)雜。經(jīng)過(guò)查找資料，學(xué)生發(fā)現(xiàn)“ResNet+SSD”的模型契合項(xiàng)目中人臉識(shí)別的要求。在人臉識(shí)別成功之后，如何判斷佩戴頭盔又是一個(gè)技術(shù)難題，這是課堂中沒(méi)有提及過(guò)的。為此，學(xué)生在查詢相關(guān)資料的同時(shí)，還借助科創(chuàng)賽事的技術(shù)平臺(tái)，通過(guò)遷移學(xué)習(xí)MobileNetv2網(wǎng)絡(luò)模型，構(gòu)建并訓(xùn)練最終用于判斷的分類檢測(cè)模型，從而達(dá)到了對(duì)頭盔的識(shí)別要求。

例2：一種醫(yī)用防護(hù)眼鏡的智能清洗消毒裝置。

學(xué)生最初設(shè)計(jì)該項(xiàng)目是因?yàn)樽约捍餮坨R，為了方便眼鏡清洗烘干，組裝了一個(gè)智能眼鏡清洗系統(tǒng)。在新冠疫情暴發(fā)后，學(xué)生想到將現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改裝，達(dá)到清洗醫(yī)用防護(hù)眼鏡的目的，同時(shí)考慮到病毒交叉感染的問(wèn)題，增加了紫外線輻照系統(tǒng)。該裝置全程均由系統(tǒng)通過(guò)視覺(jué)傳感器控制執(zhí)行，達(dá)到了自動(dòng)消殺、重復(fù)利用醫(yī)療資源的目的，同時(shí)也能適配不同型號(hào)的醫(yī)用眼鏡（如圖2）。

圖2

項(xiàng)目在設(shè)計(jì)之初并沒(méi)有用到AI技術(shù)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)機(jī)械手往往會(huì)有定位偏差的問(wèn)題。例如，“取物區(qū)”的眼鏡位置擺放不正確，就會(huì)導(dǎo)致夾取物品失?。辉谇逑催^(guò)程中，機(jī)械手會(huì)出現(xiàn)擺放不準(zhǔn)確的情況。因此，指導(dǎo)教師提出運(yùn)用圖像識(shí)別的技術(shù)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行定位。在設(shè)計(jì)后期，學(xué)生提出可以在每一個(gè)區(qū)域都設(shè)置一個(gè)對(duì)應(yīng)的二維碼，運(yùn)用攝像頭識(shí)別二維碼校準(zhǔn)機(jī)械臂，達(dá)到提高機(jī)械手?jǐn)[放準(zhǔn)確度的效果，同時(shí)也可以知曉清洗流程進(jìn)度。

從上述兩個(gè)案例來(lái)看，學(xué)生的課題項(xiàng)目都是自己在生活中遇到的問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，學(xué)生運(yùn)用課堂所學(xué)知識(shí)，結(jié)合查詢資料等方式找到相關(guān)技術(shù)解決難點(diǎn)。同時(shí)，學(xué)生也將課堂中講述的傳感器檢測(cè)、圖像識(shí)別、標(biāo)簽識(shí)別、機(jī)械臂等知識(shí)都運(yùn)用到項(xiàng)目中。這也證明了通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐的項(xiàng)目，可以大大提高學(xué)生對(duì)AI技術(shù)學(xué)習(xí)的熱情，加深對(duì)科技改變生活的認(rèn)知。

2.高中階段

在高中階段，學(xué)生項(xiàng)目選題的內(nèi)容雖然還是來(lái)源于生活，但是更多的關(guān)注點(diǎn)是在自身興趣愛(ài)好發(fā)展上。學(xué)生通過(guò)運(yùn)用AI技術(shù)解決自己所感興趣的領(lǐng)域的實(shí)際問(wèn)題，讓筆者記憶猶新的是以下兩個(gè)項(xiàng)目。

例1：基于圖像識(shí)別技術(shù)識(shí)別簡(jiǎn)單樂(lè)譜并演奏。

筆者一直鼓勵(lì)學(xué)生將AI技術(shù)運(yùn)用到自己喜歡的事物上去，本項(xiàng)目就是由三位對(duì)音樂(lè)感興趣的學(xué)生完成的。學(xué)生發(fā)現(xiàn)，通過(guò)計(jì)算機(jī)演奏需要完整音頻MIDI文件，或需要輸入簡(jiǎn)譜等相關(guān)轉(zhuǎn)換工作才能進(jìn)行，但這些步驟大部分需要人工手動(dòng)完成，因此，設(shè)想是否能通過(guò)圖像識(shí)別工具，對(duì)已有的五線譜進(jìn)行檢測(cè)校對(duì)，將相關(guān)的五線譜轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的音頻文件。之后，學(xué)生結(jié)合教師講授的圖像處理、邊緣檢測(cè)等知識(shí)點(diǎn)，再通過(guò)實(shí)際調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，增加了一系列自己設(shè)定的算法（如下頁(yè)圖3），最終計(jì)算機(jī)可以成功地識(shí)別五線譜，同時(shí)完整地演奏一首歌曲。雖然，這只是一個(gè)小小的項(xiàng)目成功，但是學(xué)生學(xué)習(xí)AI的熱情被激發(fā)了。

圖3

例2：基于TextCNN和Active Learning的攻擊性言論識(shí)別。

這個(gè)項(xiàng)目的由來(lái)是學(xué)生平時(shí)在社交媒體沖浪時(shí)，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)評(píng)論區(qū)中有很多言語(yǔ)針?shù)h相對(duì)，甚至人身攻擊的語(yǔ)言也時(shí)有出現(xiàn)，但因?yàn)檎Z(yǔ)言的多樣性，屏蔽關(guān)鍵詞算法很難達(dá)到理想的效果，由此想到運(yùn)用AI技術(shù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，進(jìn)行凈化網(wǎng)絡(luò)空間的嘗試。學(xué)生利用自然語(yǔ)言處理中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)TextCNN（用于文本分類的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）和Active Learning（主動(dòng)學(xué)習(xí)）相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究。項(xiàng)目設(shè)計(jì)思路是：先尋找合適的數(shù)據(jù)集，將經(jīng)過(guò)篩選和標(biāo)注后的數(shù)據(jù)集作為訓(xùn)練樣本；然后通過(guò)Keras庫(kù)建立TextCNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，調(diào)整相關(guān)參數(shù)后進(jìn)行迭代；之后再使用主動(dòng)學(xué)習(xí)算法（Active Learning）對(duì)系統(tǒng)決策進(jìn)行優(yōu)化；最后對(duì)代碼進(jìn)行迭代和測(cè)試，利用一段測(cè)試單句的代碼，可以直觀地測(cè)試模型是否有效。測(cè)試結(jié)果正確率在88%左右，良好且穩(wěn)定。這個(gè)項(xiàng)目前期是以課堂所學(xué)的知識(shí)為主，后期因?yàn)閮?nèi)容加深，學(xué)生又添加了很多自學(xué)得到的知識(shí)，通過(guò)前后多次驗(yàn)證達(dá)到了預(yù)期效果。

從這兩個(gè)項(xiàng)目中不難發(fā)現(xiàn)，學(xué)生并不滿足于基本的技術(shù)運(yùn)用，會(huì)舉一反三，將課程中學(xué)習(xí)到的基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。第一個(gè)項(xiàng)目，是在人工智能課程的起步階段，無(wú)論是一開(kāi)始對(duì)樂(lè)譜的霍夫直線檢測(cè)，還是后期的運(yùn)用腐蝕膨脹斑點(diǎn)識(shí)別技術(shù)，都是筆者與學(xué)生一起探索得來(lái)的。通過(guò)項(xiàng)目，師生都得到了成長(zhǎng)。在第二個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行過(guò)程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)沒(méi)有現(xiàn)成的訓(xùn)練樣本，就通過(guò)課程講述過(guò)的標(biāo)注篩選方法，建立了一套符合該系統(tǒng)的訓(xùn)練集。這不僅解決了AI可以做什么的問(wèn)題，更培養(yǎng)了學(xué)生自我學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的能力。

● 結(jié)語(yǔ)

學(xué)生所完成的項(xiàng)目，如果僅停留在校內(nèi)階段還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，筆者希望學(xué)生的作品可以被更多的人看到，得到更多的肯定。因此，筆者常推薦學(xué)生的作品參加各類比賽，也取得了不錯(cuò)的成績(jī)。賽事獲獎(jiǎng)不是終點(diǎn)，而是一個(gè)新的起點(diǎn)，是對(duì)過(guò)去付出努力的肯定，也是對(duì)未來(lái)創(chuàng)新的期待。教師不僅要傳授學(xué)生相關(guān)的學(xué)科知識(shí)，更要點(diǎn)燃學(xué)生對(duì)創(chuàng)作的熱情，特別是在授課時(shí)要潛移默化地將課內(nèi)知識(shí)與現(xiàn)實(shí)生活相結(jié)合，讓學(xué)生覺(jué)得課堂的知識(shí)來(lái)源于生活，從課堂中習(xí)得的知識(shí)又可以運(yùn)用到生活中去。