基于問(wèn)題解決發(fā)展計(jì)算思維的小學(xué)人工智能課程實(shí)踐
——以“探索有趣的人臉識(shí)別”項(xiàng)目為例

許明偉 廣東省中山市東區(qū)雍景園小學(xué)

當(dāng)前，中小學(xué)人工智能教育內(nèi)容多注重AI技術(shù)感受體驗(yàn)，內(nèi)容較淺且碎片化嚴(yán)重，非常不利于信息科技核心素養(yǎng)尤其是計(jì)算思維的培養(yǎng)。如何開(kāi)展以發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維為主的人工智能教育課程實(shí)踐，是筆者近期在課題研究中探索的話題。本文即根據(jù)日常生活中的人臉識(shí)別閘門(mén)設(shè)計(jì)“探索有趣的人臉識(shí)別”學(xué)習(xí)項(xiàng)目，讓學(xué)生在體驗(yàn)計(jì)算機(jī)運(yùn)用AI技術(shù)解決問(wèn)題過(guò)程中，發(fā)展計(jì)算思維核心素養(yǎng)，提升科學(xué)探究、跨學(xué)科解決問(wèn)題的關(guān)鍵能力。

● 基于問(wèn)題解決發(fā)展計(jì)算思維的課程實(shí)施模式

聚焦計(jì)算思維培養(yǎng)的人工智能課程實(shí)施，其本質(zhì)就是基于真實(shí)問(wèn)題情境，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的思維方法與思維活動(dòng)，利用計(jì)算機(jī)工具（AI知識(shí)、技術(shù)、方法）解決問(wèn)題的過(guò)程，主要包括分析問(wèn)題、分解、抽象、建模、設(shè)計(jì)算法、編程調(diào)試等步驟。筆者在課題研究中，架構(gòu)了基于問(wèn)題解決理念發(fā)展計(jì)算思維的人工智能課程實(shí)施模式（如圖1）。

圖1 基于問(wèn)題解決發(fā)展計(jì)算思維的課程實(shí)施模式

● 基于問(wèn)題解決發(fā)展計(jì)算思維的教學(xué)案例

1.創(chuàng)設(shè)情境，激趣導(dǎo)入

師：我們每天從校園的人臉識(shí)別門(mén)禁出入，你知道人臉識(shí)別為什么能識(shí)別我們嗎？

教師展示校園人臉識(shí)別門(mén)禁系統(tǒng)的范例作品。攝像頭可以識(shí)別教師，并語(yǔ)音播報(bào)“歡迎教師回校”，提出疑問(wèn)：攝像頭能識(shí)別學(xué)生嗎？吸引學(xué)生上臺(tái)參與人臉識(shí)別，發(fā)現(xiàn)不能識(shí)別學(xué)生，這是為什么呢？學(xué)生觀察，發(fā)現(xiàn)需要先采集人像。師生合作采集學(xué)生照片，學(xué)生再次參與作品演示，可以被識(shí)別。

2.頭腦風(fēng)暴，分析問(wèn)題

引導(dǎo)學(xué)生分析思考，理解人臉識(shí)別的過(guò)程，嘗試將復(fù)雜問(wèn)題分解為一個(gè)個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、分解問(wèn)題的能力。

教師提出問(wèn)題：生活中你在哪里見(jiàn)過(guò)人臉識(shí)別？引導(dǎo)學(xué)生提出、思考、討論關(guān)鍵問(wèn)題：人臉識(shí)別的原理是什么？過(guò)程是怎樣的？接著學(xué)習(xí)微視頻，初步感知AI人臉識(shí)別的過(guò)程。最后，師生互動(dòng)，結(jié)合課前范例作品，逐步分析人臉識(shí)別的過(guò)程：人臉入庫(kù)、人臉比對(duì)。

3.算法設(shè)計(jì)，自主實(shí)踐，逐步解決問(wèn)題

（1）如何編程實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別？由人臉識(shí)別門(mén)禁的兩個(gè)過(guò)程，引出探索任務(wù)1：編程實(shí)現(xiàn)人臉入庫(kù)（如下頁(yè)圖2）。參考人臉識(shí)別中人臉入庫(kù)的過(guò)程，觀察圖形化編程軟件中的AI人臉識(shí)別模塊，發(fā)現(xiàn)人臉入庫(kù)的關(guān)鍵是創(chuàng)建人臉組與添加人臉入庫(kù)模塊。接著教師示范，編寫(xiě)程序，全班實(shí)踐任務(wù)1。

圖2 任務(wù)1：“人臉入庫(kù)”過(guò)程與腳本

（2）如何編程實(shí)現(xiàn)人臉比對(duì)？從提出問(wèn)題到解決問(wèn)題，又發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題，引出任務(wù)2：編程實(shí)現(xiàn)人臉比對(duì)。這個(gè)任務(wù)是本節(jié)課的重難點(diǎn)，學(xué)生先通過(guò)微課學(xué)習(xí)，初步理解，再師生互動(dòng)，找出第二個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：搜索人臉庫(kù)與相似度。

接著學(xué)生參考學(xué)習(xí)文檔，實(shí)踐任務(wù)2：編程實(shí)現(xiàn)人臉比對(duì)（如圖3）。通過(guò)多種方法，幫助學(xué)生深入理解人臉識(shí)別的過(guò)程，指導(dǎo)學(xué)生使用編程實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別系統(tǒng)的制作。

圖3 任務(wù)2：“編程實(shí)現(xiàn)人臉比對(duì)”流程與腳本

（3）創(chuàng)設(shè)新情境，引出任務(wù)3：設(shè)計(jì)一個(gè)人臉識(shí)別門(mén)禁系統(tǒng)（如圖4），增加校園情境下的語(yǔ)音提示等AI語(yǔ)音的功能，讓作品更生動(dòng)，對(duì)用戶更友善。學(xué)生實(shí)踐任務(wù)3，并完善作品，從而學(xué)以致用，關(guān)注“技術(shù)輸出”。

圖4 任務(wù)3：設(shè)計(jì)人臉識(shí)別門(mén)禁系統(tǒng)

（4）最后，呈現(xiàn)拓展任務(wù)：編程實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的人臉識(shí)別系統(tǒng)。學(xué)生根據(jù)自身水平嘗試完成拓展任務(wù)，可以添加開(kāi)門(mén)聲、語(yǔ)音等功能，讓作品更有創(chuàng)意，完成更加個(gè)性化的作品，從而實(shí)現(xiàn)學(xué)生的分層教學(xué)，注重學(xué)生個(gè)性化表達(dá)與創(chuàng)新精神。

4.交流分享

學(xué)生上臺(tái)分享展示作品并進(jìn)行自評(píng)與他評(píng)，課程評(píng)價(jià)參考標(biāo)準(zhǔn)如下頁(yè)表所示，從而引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)編程樂(lè)趣，學(xué)會(huì)分享，學(xué)會(huì)評(píng)價(jià)。教師引導(dǎo)學(xué)生反思程序，理性對(duì)待作品分享，當(dāng)AI作品分享出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，AI數(shù)字化作品受網(wǎng)絡(luò)、環(huán)境等多方面因素影響，不成功也很正常。同時(shí)，當(dāng)程序中出現(xiàn)小問(wèn)題，不能正常執(zhí)行時(shí)，可以反復(fù)修改測(cè)試，引出程序調(diào)試的思想。

課程評(píng)價(jià)參考標(biāo)準(zhǔn)

5.總結(jié)延伸

教師總結(jié)本節(jié)課所學(xué)，同時(shí)引出新問(wèn)題：人臉識(shí)別都安全嗎？引導(dǎo)學(xué)生觀看微視頻，拓展AI知識(shí)，并使其認(rèn)識(shí)到人工智能的局限。最后，呈現(xiàn)人臉識(shí)別監(jiān)控，人臉支付、人臉疲勞檢測(cè)等AI人臉識(shí)別技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用編程讓世界更智能更美好。在總結(jié)中升華，幫助學(xué)生樹(shù)立信息社會(huì)責(zé)任，培養(yǎng)正確的價(jià)值觀。

6.教學(xué)反思

縱觀教學(xué)過(guò)程，五個(gè)環(huán)節(jié)，三個(gè)任務(wù)，層層深入，環(huán)環(huán)相扣，從提出問(wèn)題出發(fā)，又回歸問(wèn)題解決，重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生理解AI技術(shù)的原理與過(guò)程，并運(yùn)用AI知識(shí)、技術(shù)與編程工具創(chuàng)作作品，發(fā)展學(xué)生的AI素養(yǎng)。同時(shí)，使學(xué)生在創(chuàng)作的過(guò)程中體驗(yàn)計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的過(guò)程，培養(yǎng)計(jì)算思維核心素養(yǎng)。

本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容與新課標(biāo)倡導(dǎo)的五、六年級(jí)教學(xué)內(nèi)容相匹配，是一節(jié)典型的過(guò)程與控制課（如下頁(yè)圖5）。本節(jié)課以學(xué)生生活中最常見(jiàn)的智能設(shè)備——人臉識(shí)別閘門(mén)系統(tǒng)為例，引導(dǎo)學(xué)生識(shí)別系統(tǒng)特征，分析人臉識(shí)別的系統(tǒng)構(gòu)成與流程，再根據(jù)流程設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程，并通過(guò)編程嘗試加以驗(yàn)證，將教學(xué)內(nèi)容的要點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)，讓相關(guān)思維方式顯現(xiàn)其中。

圖5 課程實(shí)施的過(guò)程與控制示意

● 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，用有趣的程序讓學(xué)生愛(ài)上AI，讓學(xué)生的想象豐富智能世界，這是落實(shí)了編程教學(xué)來(lái)源于生活又回歸生活的教學(xué)理念，實(shí)現(xiàn)讓學(xué)生在真實(shí)的情境中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、探究問(wèn)題、解決問(wèn)題的學(xué)習(xí)變革，在體驗(yàn)計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的過(guò)程中發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維核心素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究、跨學(xué)科解決問(wèn)題的關(guān)鍵能力。筆者相信，基于問(wèn)題解決理念培養(yǎng)計(jì)算思維的小學(xué)人工智能教育課程實(shí)踐探索必定會(huì)給一線教學(xué)帶來(lái)更多的思考。