基于教材分析設計深度體驗的AI課程

【摘要】信息科技新課標將“人工智能與智慧生活”設為六大主線之一，而2020浙教版教材已涉及人工智能的內容。本文分析了該教材人工智能單元的圖像識別課時內容，基于新課標的要求設計了以“中草藥圖像分類”為主題的圖像識別項目式學習課程“常見中草藥圖像分類小助手”，將AI教育與傳統(tǒng)文化教育相融合，提出了一種人工智能教學活動設計新范例?！娟P鍵詞】圖像分類；中草藥識別；AI課程“人工智能基礎”單元教材分析根據(jù)2022年教育部頒布的義務教育階段信息科技課程標準中關于“人工智能與智慧生活”模塊的要求，初中階段學生應深化人工智能原理認識，探索利用人工智能技術解決問題的過程和方法[1]。2020年版浙江教育出版社八年級下冊教材早已涉及人工智能部分，設置了一個單元的人工智能基礎模塊，該單元用6節(jié)課介紹了人工智能入門相關的技術、人工智能倫理以及一節(jié)項目實踐“設計智能廚房安防系統(tǒng)”。每節(jié)課均為獨立內容，內容呈現(xiàn)形式為先介紹抽象概念后具體陳述任務，這樣的教材內容安排容易導致教師在教學實踐中遇到一定的挑戰(zhàn)，因為學生往往無法對抽象概念形成深刻的理解[2]。筆者具體分析了該教材的第13課“圖像識別技術”，因為圖像識別技術在日常生活中有廣泛應用，且是人工智能技術入門的基礎任務之一。其前兩節(jié)介紹了圖像識別技術的概念及其應用，第三小節(jié)講了圖像識別的過程可以分為圖像信息的獲取、預處理、特征抽取、選擇分類器并識別出圖像，并呈現(xiàn)了一張流程圖。分環(huán)節(jié)具體陳述時舉的“圖像數(shù)字化”的具體案例是二進制表示一張黑白圖，“預處理”呈現(xiàn)的是對一張彩色熊貓圖做處理，“特征提取”給出了人臉特征提取案例和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡提取圖像特征的抽象流程，“分類和識別”只介紹了圖像分類的概念，最后安排的實踐任務是從網(wǎng)上搜集動植物的多張圖片，利用人工智能開放平臺進行識別。先概念后案例最后實踐的安排雖然有條理，但是第三小節(jié)講解的流程過于抽象且給的例子比較零散、不夠系統(tǒng)，學生難以理解。教師開展初中階段人工智能教學應以幫助學生系統(tǒng)且科學地建立對AI的認知和理解為目的，在教學中適當增加互動體驗活動更有助于學生理解內化概念和原理，體現(xiàn)學生主體地位，教師還可以通過設計活動的方式來促進學生的積極參與[3]。如此一來，如何設計讓學生獲得更深入地學習體驗的AI課程及教學活動值得探討。教師需要考慮如何設置有效滿足學生需求的學習目標、思考如何設計豐富多彩的實踐活動和提供適合學生的學習資源?！爸胁菟幹悄芊诸悺睘橹黝}的項目式學習活動設計與實施基于以上分析，筆者對教學對象做了進一步分析。八年級學生已經(jīng)學習過認識人工智能、語音識別等三節(jié)基礎課程且已對該課前兩節(jié)圖像識別和圖像識別技術的應用場景有初步了解。筆者嘗試設計了“中草藥智能分類”為主題的項目式學習活動，選擇上海人工智能實驗室研發(fā)的XEdu（適用于中小學的AI教學開發(fā)工具）作為軟件類教學資源，引導學生以完成“圖像分類小助手”為主線，完成一系列豐富實踐活動，并在實踐活動中學習圖像識別技術。同時筆者結合新課標中“人工智能與智慧社會”模塊對應的內容要求，進行了4課時的教學活動設計、教學實施和反思。學生在教師的引導下通過小組實踐和自主探究，達成以下目標：（1）能從現(xiàn)實生活分類思維遷移到計算機圖像分類，使用XEdu完成中草藥圖像分類一般流程并制作簡易中草藥圖像分類小助手，初步掌握運用人工智能技術解決真實世界問題的基本方法和技術技能；（2）能借助中小學AI開發(fā)工具和Python編程基礎完成數(shù)據(jù)預處理和特征提取、模型訓練和推理，理解數(shù)據(jù)、算法以及算力對圖像分類的重要性；（3）能大膽暢想還沒有實現(xiàn)的更智能鑒別中草藥的方式，嘗試給簡易中草藥圖像分類小助手增加更多功能；（4）感受中草藥的魅力，提升對中草藥文化的學習興趣。1.情境導入，明確項目目標教師為學生展示幾款中草藥實物及圖片，并在各組傳閱實物，引導學生思考如何借助信息技術獲取中草藥名稱。此時肯定有學生會想到借用現(xiàn)有技術，并聯(lián)想到圖像識別的應用場景，如植物識別等。教師帶學生回顧“人工智能”的概念，稱贊學生們已有運用人工智能技術解決問題的意識，組織學生借用技術探究分發(fā)的中草藥，并分享探究結果。理論上學生已經(jīng)可以快速了解中草藥的名稱和外觀，但是識別不一定準確。此時教師展示教師版中草藥分類小助手，并介紹情境：學校邀請信息組開發(fā)一款能夠幫助初中生認識中草藥的軟件，教師版目前功能比較一般，現(xiàn)在正式邀請各位同學成為軟件設計師，完成幫助初中生認識中草藥的軟件。2.項目分析、設計和實施明確項目目標的基礎上，教師引導學生分組分步完成中草藥圖像分類項目?；顒右唬撼醪教剿魅搜廴绾巫R別草藥圖像教師補充講解中草藥名稱和功效，簡要介紹中草藥的重要性和用途，啟發(fā)學生思考人眼如何識別中草藥，要求學生仔細觀察分發(fā)的中草藥實物，啟發(fā)學生結合已學習過的圖像識別概念自主探究人眼區(qū)分幾種草藥可參照的依據(jù)。教師展示中草藥圖像分類依據(jù)表，學生發(fā)現(xiàn)均是可以通過肉眼觀察到的內容，可以結合植物本身，借助網(wǎng)絡搜集相關信息，豐富中草藥圖像分類依據(jù)表。學生在搜集中草藥信息的過程中亦能了解中草藥，提升對中草藥文化的興趣，并可結合科學課標中植物本身的內容，激發(fā)對中草藥的探索興趣?；顒佣航Y合圖像識別一般流程完成項目設計教師引導學生寫下自己對圖像識別的理解，順勢再次展示簡易中草藥圖像分類小助手，詢問學生計算機如何完成圖像分類，引導學生閱讀教材并查閱資料，了解圖像識別及過程，組織學生進行交流。教師出示課件，展示計算機完成圖像識別的一般流程，引導學生將活動一和此流程產(chǎn)生聯(lián)動，結合實際場景為學生講解圖像分類的一般流程和對一張圖像進行分類預測的基本步驟。學生根據(jù)學習任務單進行分工，規(guī)劃項目實施步驟和時間安排?；顒右缓突顒佣穆?lián)動，使學生將抽象的概念和具體經(jīng)驗結合，加深了對圖像識別知識概念的理解，同時起到了梳理項目流程的作用?；顒尤菏褂肵Edu完成中草藥圖像分類模型訓練教師引導學生完成準備工作：訓練中草藥圖像分類模型。教師介紹訓練圖像分類模型的關鍵是數(shù)據(jù)集和模型的選擇，為學生展示自采自制的金銀花和蒲公英數(shù)據(jù)集，分發(fā)圖像分類模型訓練程序文件，指引學生完成批量提取HOG特征，選擇SVM算法完成圖像分類模型訓練；簡要介紹HOG特征，分發(fā)教師版訓練程序。學生通過實踐操作鞏固理論知識。學生使用BaseML提供的批量提取HOG特征的工具進行訓練數(shù)據(jù)的特征提取。提取特征后，學生開始選擇適當?shù)臋C器學習模型進行模型訓練。教師簡要介紹SVM算法，順勢引導學生在測試上進行模型評估，學生使用模型推理的代碼進行模型評估，并在學習任務單上記錄測試集上的準確率、訓練輪次等。教師在拓展部分說明還有更多方式完成更換其他數(shù)據(jù)集、選擇其他算法，讓學生感受人工智能技術的高速發(fā)展?；顒铀模撼Ｒ娭胁菟巿D像采集和預處理教師現(xiàn)場拍攝幾張圖片，用圖像分類小助手測試，啟發(fā)學生再收集一些圖片進行分類和識別的驗證。此時學生能使用自己想到的各種方式去采集數(shù)據(jù)，如借助網(wǎng)絡搜索、用電腦攝像頭拍攝教師發(fā)的中草藥實物等。教師分發(fā)圖像數(shù)字化的代碼，學生體驗二進制表示黑底白字手寫數(shù)字圖像。在學生體驗數(shù)字化過程中，教師適時介紹圖像預處理的作用，出示課件展示圖像預處理的一般操作和方法，對圖片進行預處理，包括裁剪、縮放、歸一化、增強等操作，引出借用BaseDT庫3行代碼即可完成圖像處理的方法。學生試用BaseDT庫進行圖像預處理，調整參數(shù)，觀察輸出不同的變化結果，分組探究，并記錄在任務單上?；顒游澹褐胁菟巿D像特征提取回顧中草藥信息分類表和肉眼識別中草藥分類的依據(jù)，教師引出特征的概念并講解特征的重要性，為學生分發(fā)特征提取的代碼，帶學生體驗單張圖片提取HOG特征、LBP特征等，觀察特征提取后的輸出結果。學生使用這些方法提取同一張圖像的特征，并觀察特征提取后的輸出結果，在學習任務單記錄不同特征提取方法的表現(xiàn)，最后與活動一時人工搜集和整理的純手工方法進行比較，并將訓練模型時批量提取HOG特征的操作和現(xiàn)在的單張圖片提取特征進行對照，回顧圖像分類的一般流程?；顒恿簝?yōu)化中草藥圖像分類小助手系統(tǒng)學生編寫輸入圖片，對圖片進行預處理、特征提取等操作，再使用活動三訓練模型進行推理的代碼，完成圖像分類。學生在學習任務單上記錄測試的圖片數(shù)量，識別正確數(shù)量，分析識別不正確的原因。教師給學生一個簡易的中草藥圖像分類小助手系統(tǒng)的程序，啟發(fā)學生分組分析代碼構成和可改進的點，學生可以在教師版的代碼基礎上修改和增加，讓這個系統(tǒng)具備更強的功能，如優(yōu)化輸入輸出交互、換成其他更準確的模型等。教師適時提供必要的指導和建議，幫助學生更好地完成自己的項目。3.成果展示，開展評價總結借用班會課，教師安排小型作品交流展示會，設計作品評價表，邀請科學教師、班主任、學校領導等參加交流展示會。評價表從完整性、科學性、應用等維度進行設計。在作品交流展示會前，學生先進行自評，教師結合前幾個活動學生填寫的任務單進行評價，鼓勵學生多輪優(yōu)化迭代作品，邀請學生和教師共同填寫課程學習評價表，展示會最后教師做課程總結。教師運用恰當方法開展評估，為學生提供交流展示的機會，提升學生的表達能力和開源意識，注重多種評價方式結合并實施多元主體評價，起到以評促學的作用?？偨Y與反思該節(jié)教材內容雖然基礎且實現(xiàn)工具多，但往往因為技術性強使得很多教師設計教學時障礙重重，也容易成為學生學習的困難點。筆者在教學設計中使用的教學資源是多方調研后發(fā)現(xiàn)的較適合中小學人工智能教育的開發(fā)工具XEdu。XEdu從數(shù)據(jù)預處理到特征提取，從模型訓練到模型推理，使用的代碼充分體現(xiàn)了簡潔性，便于學生理解。筆者認為，開展人工智能教育最重要的是激發(fā)學生的學習熱情，讓學生完成一個完整的AI應用，并能夠解決真實場景的問題，他們自己就很有成就感。有了學習熱情和探索興趣后，學生就有動力去主動研究深層理論和學習更難的技術實現(xiàn)方法，這也是我們教育工作者最愿意看到的。同時本活動結