基于活動體驗(yàn)的小學(xué)人工智能教學(xué)研究
——以《圖像識別》為例

☉周旺純

一、人工智能與人工智能教學(xué)

21 世紀(jì)以來，隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的飛速發(fā)展，伴隨著認(rèn)知科學(xué)理論研究的不斷深入，人工智能在計算機(jī)及生產(chǎn)領(lǐng)域，對人類生產(chǎn)與生活的諸多方面產(chǎn)生著深刻的影響。人工智能涉及的知識范圍非常寬廣，圖像識別是人工智能研究領(lǐng)域的核心問題之一。解決圖像識別問題對人臉識別、自動駕駛、機(jī)器人等各領(lǐng)域研究都有重要意義。

為抓住人工智能發(fā)展的重要機(jī)遇，2017 年7 月，國務(wù)院印發(fā)了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，明確提出要完善人工智能教育體系，拓寬人工智能教育內(nèi)容，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)模塊并逐步推廣人工智能教育。如今人工智能進(jìn)學(xué)校、編程教育進(jìn)課堂已上升為國家戰(zhàn)略。

教育部于2017 年底正式公布了《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》，將“人工智能初步”設(shè)置為“選擇性必修”模塊，讓學(xué)生根據(jù)升學(xué)、個性化發(fā)展需要進(jìn)行選學(xué)，并列為綜合素質(zhì)評價的內(nèi)容。2022 年4 月，教育部發(fā)布了《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)》，構(gòu)建了以數(shù)據(jù)、算法、網(wǎng)絡(luò)、信息處理、信息安全、人工智能為課程邏輯主線，引導(dǎo)學(xué)生理解、體驗(yàn)人工智能，合理選用人工智能，了解人工智能對信息社會發(fā)展的作用和挑戰(zhàn)，促進(jìn)學(xué)生在數(shù)字世界與現(xiàn)實(shí)世界中健康成長的課程標(biāo)準(zhǔn)。

二、基于活動體驗(yàn)的人工智能教學(xué)

體驗(yàn)是中小學(xué)生最基本的學(xué)習(xí)形式。在知識或技能的學(xué)習(xí)過程中，只有通過學(xué)生的親身體驗(yàn)才能最終有效完成。體驗(yàn)學(xué)習(xí)是將學(xué)習(xí)者置于某些特定情境中，通過給學(xué)習(xí)者提供直接的感官刺激，并與外界環(huán)境進(jìn)行交互作用，以此來激發(fā)個體內(nèi)在的探究欲望與情感反應(yīng)，在實(shí)踐中學(xué)習(xí)者通過體驗(yàn)、感知、認(rèn)知、行為等過程的整合統(tǒng)一，構(gòu)建屬于個體自身的個性化知識體系［1］。

人工智能是一門新興的前沿技術(shù)，其教育的要點(diǎn)在于既能夠讓學(xué)生理解其基礎(chǔ)知識，掌握其基本技術(shù)，又能夠在現(xiàn)實(shí)生活中靈活應(yīng)用。這樣，既避免了相關(guān)知識的碎片化，又能激發(fā)學(xué)生參與的興趣。我國人工智能教育的起步雖然較早且有明確的政策引導(dǎo)，但在實(shí)踐中，仍存在“教學(xué)內(nèi)容分化”等問題：要么“將人工智能某些子領(lǐng)域的模型和理論直接搬到課堂，以技術(shù)性知識為主組織教學(xué)”；要么“只強(qiáng)調(diào)學(xué)生的體驗(yàn)，側(cè)重于吸引學(xué)生進(jìn)行簡單的動手實(shí)踐”而忽略兒童對人工智能的重要概念和思想方法的理解［2］。

2022 年版《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)》指出：“小學(xué)低年級注重生活體驗(yàn)；小學(xué)中高年級初步學(xué)習(xí)基本概念和基本原理，并體驗(yàn)其應(yīng)用?！币虼耍x務(wù)教育信息科技課程中的人工智能教學(xué)應(yīng)強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生在活動中體驗(yàn)，既讓學(xué)生實(shí)踐，又讓學(xué)生在活動中理解其概念和方法，例如“智能體”的感知、學(xué)習(xí)、決策和交互等。

三、人工智能教學(xué)的路徑設(shè)計

經(jīng)過不斷學(xué)習(xí)與實(shí)踐，我們探索出基于“活動體驗(yàn)”的人工智能教學(xué)路徑，即以“感知體驗(yàn)概念構(gòu)建 實(shí)踐探究 拓展應(yīng)用”為主線，采用探究式、體驗(yàn)式和小組合作式開展學(xué)習(xí)。學(xué)生能夠直觀感受人工智能具體應(yīng)用，自主探究人類和機(jī)器思考并解決問題的過程，動手實(shí)踐使用圖形化編程軟件訓(xùn)練模型并解決問題。

（一）人工智能課的學(xué)習(xí)重點(diǎn)

人工智能課是要讓學(xué)生真正理解到人工智能是如何來解決問題的。在教學(xué)過程中，不可避免地要涉及平臺和工具的使用，但這些不應(yīng)該成為重點(diǎn)學(xué)習(xí)的內(nèi)容，只是借助它們實(shí)現(xiàn)人工智能。在教學(xué)中，可以展示我們生活中最常見的一些應(yīng)用實(shí)例，特別是現(xiàn)在很多小區(qū)門口裝置的人臉識別設(shè)備，引導(dǎo)學(xué)生了解人工智能的相關(guān)領(lǐng)域。要讓學(xué)生知道人工智能目前主要的實(shí)現(xiàn)方法就是機(jī)器學(xué)習(xí)，也就是通過大量的數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)，并在學(xué)習(xí)過程當(dāng)中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，建立模型。

（二）人工智能課的問題設(shè)計

人工智能課，應(yīng)當(dāng)是一個完整的學(xué)習(xí)過程，讓學(xué)生在解決問題的過程中學(xué)習(xí)知識。所設(shè)計的問題一定要有明確的指向性，指向?qū)W生的最近發(fā)展區(qū)。以《圖像識別》為例，從學(xué)生的學(xué)習(xí)角度來說，需要理解人工智能解決問題的方法，最主要的方法就是機(jī)器學(xué)習(xí)，機(jī)器要通過大量的學(xué)習(xí)，才會有技能。機(jī)器學(xué)習(xí)的過程有輸入數(shù)據(jù)、調(diào)用并進(jìn)行訓(xùn)練，例如貓狗識別，老師分別采集多張貓狗的圖片，注明相應(yīng)的標(biāo)簽后，才能給機(jī)器訓(xùn)練。對于學(xué)生而言，應(yīng)懂得其原理，但如果讓學(xué)生在一節(jié)課里為提高識別率，訓(xùn)練大量數(shù)據(jù)，這肯定不可取，應(yīng)該減少圖片張數(shù)，帶領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷機(jī)器學(xué)習(xí)的完整過程。

（三）人工智能課的情境創(chuàng)設(shè)

人工智能課教學(xué)情境的創(chuàng)設(shè)應(yīng)建立在學(xué)生真實(shí)生活經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，選擇學(xué)生耳熟能詳、經(jīng)常接觸的應(yīng)用問題。例如因?yàn)樾鹿诜窝滓咔?，許多商場進(jìn)門的地方設(shè)置有帶攝像頭的機(jī)器人，當(dāng)我們進(jìn)門時，如果沒戴口罩，它會提醒大家戴口罩。通過這樣的實(shí)例導(dǎo)入，學(xué)生自然會很感興趣，也就產(chǎn)生了學(xué)習(xí)需求。

四、人工智能教學(xué)例探

《圖像識別》是江蘇鳳凰科技出版社出版的小學(xué)六年級課本《小學(xué)信息技術(shù)》第23課的內(nèi)容，主要教學(xué)目標(biāo)為引導(dǎo)學(xué)生對圖像識別進(jìn)行初步探究，利用植物識別和動物識別的應(yīng)用，分析圖像識別的基本流程，感受人工智能的便捷和神奇之處。

本課面對的教學(xué)對象為小學(xué)高年級段的學(xué)生，這個年齡段的學(xué)生，好奇心強(qiáng)，善于用觀察、體驗(yàn)獲得的直接感受去認(rèn)識事物，對生活和學(xué)習(xí)中一些人工智能產(chǎn)品也有一定的了解，在之前的學(xué)習(xí)中，已經(jīng)會運(yùn)用圖形化編程軟件創(chuàng)建程序，掌握基本制作流程和設(shè)計方法，具有較好的認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)。

基于活動體驗(yàn)的教學(xué)理論，本課設(shè)計了四個環(huán)節(jié)，第一個環(huán)節(jié)是引入生活中手機(jī)智能識別植物的具體應(yīng)用，貼近學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的興趣，為了解圖像識別的基本概念奠定基礎(chǔ)。第二個環(huán)節(jié)從人是如何識別動物，引導(dǎo)學(xué)生分析人類圖像識別的過程，之后借助機(jī)器學(xué)習(xí)平臺來演示模型的訓(xùn)練、學(xué)習(xí)和測試，得出機(jī)器圖像識別的基本過程，通過人機(jī)類比解決基本原理的問題。第三環(huán)節(jié)讓學(xué)生親身體驗(yàn)“創(chuàng)趣”學(xué)生機(jī)器人器材和百度AI 開放平臺的智能圖像識別應(yīng)用，進(jìn)一步探究人工智能，明確百度提供的AI 模型之所以能識別很多的物體，實(shí)際上是技術(shù)人員為機(jī)器訓(xùn)練了大量數(shù)據(jù)，否則識別率會很低。第四個環(huán)節(jié)是展望人工智能的未來，激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)人工智能的興趣。

（一）情境創(chuàng)設(shè)，感知智能

通過展示生活中人工智能在圖像識別的應(yīng)用，讓學(xué)生了解圖像識別給生活帶來的便捷，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

例1：

教師事先帶來一盆本地區(qū)不常見的植物，先讓同學(xué)們猜想，這究竟是什么植物，它有哪些主要特征。在同學(xué)充分猜想的基礎(chǔ)上，提出要來驗(yàn)證一下。

教師示范操作：打開手機(jī)上的“形色”APP 來識別該植物，拍攝并識別該植物，并將識別結(jié)果發(fā)送到一體機(jī)大屏上。

討論并小結(jié)：用這個方式來識別植物方便嗎？這是植物識別，是圖像識別技術(shù)在生活中的一個應(yīng)用。

例2：

討論：自然界里有好多奇妙的植物——開花的、結(jié)果的、多彩的……對于不確定、不認(rèn)識的植物，我們有什么辦法可以快速知道？

觀看視頻并思考以下問題：

（1）使用百度APP 的“識萬物”功能，有哪幾步操作？

（2）該功能使用什么方式來獲取植物的信息？（拍照或上傳植物的圖片）

（3）這是什么技術(shù)？（圖像識別）

（二）人機(jī)類比，初識智能

機(jī)器的圖像識別參考了人類圖像識別的過程與原理，可通過類比的辦法幫助學(xué)生學(xué)習(xí)。學(xué)生在自主學(xué)習(xí)圖像識別技術(shù)的基本概念，回顧人類識別圖像的過程這一基礎(chǔ)上，借助機(jī)器學(xué)習(xí)平臺來演示模型的訓(xùn)練、學(xué)習(xí)和測試，最終得出圖像識別的基本流程，即：通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練，當(dāng)有新數(shù)據(jù)輸入，提取重要特征并應(yīng)用分類模型，最終實(shí)現(xiàn)識別功能。

例3：

人類具有較強(qiáng)的圖像識別能力，但如今我們生活在一個知識爆炸的時代，我們已經(jīng)無法通過自身識別來滿足工作、學(xué)習(xí)及生活需要。借助智能圖像識別，可以幫助我們更快、更準(zhǔn)確地獲得圖片的相關(guān)信息。那什么是圖像識別呢？

活動1：自主學(xué)習(xí)，初識圖像識別。

（1）讀一讀：什么是圖像識別？（借助計算機(jī)和人工智能技術(shù)對圖像進(jìn)行處理、分析和理解，最終識別我們所要研究的對象。）

（2）想一想：計算機(jī)視覺模仿了人什么行為？（看）

（3）議一議：我們看到的和計算機(jī)看到的圖像一樣嗎？（不一樣，計算機(jī)看到的是一堆數(shù)字。）

活動2：人機(jī)類比，了解識別原理。

圖像識別技術(shù)就是計算機(jī)模擬人的眼睛，像人那樣觀察世界，代替大腦處理各種信息。那么人類究竟是如何識別物體的呢？

教師出示一幅家貓的圖片，引導(dǎo)學(xué)生思考：

（1）人類識別出“貓”的第一步是“看”，那么究竟要看什么呢？（三角耳朵、胡須、爪子、尾巴……）

（2）在獲得了這個動物的特征后，在腦海中如何進(jìn)行判斷？（查找、比對）這些有關(guān)動物的知識從哪里獲??？（前期的不斷學(xué)習(xí)與積累）

（3）小結(jié)人類識別貓的基本步驟，即：我們通過日常學(xué)習(xí)獲得知識，當(dāng)看到貓時，只要提取它的特征，在腦海中查找比對相同或相類的動物，最終就可以得出結(jié)論，這樣的過程是人類圖像識別的過程。

（4）圖像識別能力對于我們來說是自然獲得的，但對計算機(jī)或其他設(shè)備來說卻是一項(xiàng)非常艱巨的工作，它是如何識別的？觀看視頻《人工智能中的圖像識別技術(shù)》。

思考：

◆機(jī)器需要學(xué)習(xí)嗎？誰來幫助機(jī)器進(jìn)行學(xué)習(xí)？

◆人們在對機(jī)器進(jìn)行模型訓(xùn)練，準(zhǔn)備了哪些樣本數(shù)據(jù)？

◆從不認(rèn)識貓、狗到識別出結(jié)果，經(jīng)歷了哪些基本過程？

圖像獲?。卣魈崛。檎冶葘Γ贸鼋Y(jié)論。

（三）案例分析，探究智能

在了解圖像識別的原理后，應(yīng)讓學(xué)生通過搭建平臺認(rèn)識圖像識別程序流程，在實(shí)踐中認(rèn)識每個控件的作用和意義，體驗(yàn)圖像識別模塊的神奇之處，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力。學(xué)生在組合硬件模塊的基礎(chǔ)上，編寫可以訓(xùn)練并識別新數(shù)據(jù)的程序，從而激發(fā)對人工智能學(xué)習(xí)的求知欲，為后續(xù)利用人工智能技術(shù)進(jìn)行更多應(yīng)用嘗試作鋪墊。如果不具有向?qū)W生提供硬件平臺的條件，也可以讓學(xué)生通過具有人工智能插件的編程軟件來進(jìn)行探究。

例4：

活動目標(biāo)：利用“創(chuàng)趣”學(xué)生機(jī)器人器材和XDing 軟件擴(kuò)展AI功能，搭建腳本，實(shí)現(xiàn)智能圖像識別。

由以上方差分析可知，在影響草果脫水量的因素中，微波作用時間和微波功率影響顯著，物料量影響不顯著。三因素及其交互作用對脫水量的影響見圖4～圖6。

問題提出：小明和小紅對一些小區(qū)可以刷臉進(jìn)門很感興趣，想請大家?guī)椭麄兝萌四樥掌O(shè)計刷臉開門的程序。

（1）注冊信息。我們要利用圖像確定人員的身份，所以要給這兩幅圖像各注冊一個名字，小組合作完成。

（2）連接“創(chuàng)趣”器材，包括主板、舵等。

（3）搭建腳本，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)轉(zhuǎn)動功能（模擬開門）。

例5：

活動目標(biāo)：利用Kitten block編程軟件擴(kuò)展模塊“人工智能”中的“機(jī)器學(xué)習(xí)”和“視頻偵測”插件來進(jìn)行智能圖像識別。

問題提出：現(xiàn)有蘋果和梨的若干圖片，讓我們?yōu)闄C(jī)器設(shè)計并訓(xùn)練能夠識別這兩種水果的程序。

①初始化特征提取器。

②依次上傳本地水果圖片，從這些圖片中提取它們的特征。

③提取這些特征到對應(yīng)的水果分類標(biāo)簽。

（2）修改腳本，訓(xùn)練多張圖片。

原來的腳本只能學(xué)習(xí)少量圖片，為了提高識別率，如何讓機(jī)器學(xué)到更多的圖？

（3）添加控件，識別水果。

訓(xùn)練完模型后，當(dāng)有新數(shù)據(jù)輸入時，可以用哪些控件來識別呢？合作完成水果識別。

（四）拓展延伸，展望智能

通過師生交流，總結(jié)圖像識別的原理，展望圖像識別的未來，激勵學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

例6：

圖像識別應(yīng)用在許多領(lǐng)域有著重要的價值，前景也是不可限量的，人類的生活也將更加離不開圖像識別技術(shù)。出示圖片：3D 試衣鏡、人流量檢測、疲勞檢測、危險動作提醒、車輛識別臉部特效……

例7：

圖像識別技術(shù)在生活中的應(yīng)用非常廣泛，你能列舉一些身邊的例子嗎？

五、結(jié)束語

在小學(xué)階段，應(yīng)注重將人工智能復(fù)雜的工作過程，進(jìn)行簡化、類比，形象生動地向?qū)W生進(jìn)行傳授，并利用學(xué)生身邊的例子來開展教學(xué)，激發(fā)學(xué)生深入探索人工智能的興趣。在具體教學(xué)實(shí)施過程中，可采用基于學(xué)生真實(shí)體驗(yàn)的活動教學(xué)，盡可能讓學(xué)生動手實(shí)踐，激發(fā)學(xué)生主動思考的意識。