基于活動體驗的小學人工智能教學研究-以《圖像識別》為例

一、人工智能與人工智能教學21世紀以來，隨著計算機網(wǎng)絡、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的飛速發(fā)展，伴隨著認知科學理論研究的不斷深入，人工智能在計算機及生產(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)展的重要機遇，2017年7月，國務院印發(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，在中小學階段設置人工智能相關(guān)模塊并逐步推廣人工智能教育。如今人工智能進學校、編程教育進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)課程標準》，將“人工智能初步”設置為“選擇性必修”模塊，讓學生根據(jù)升學、個性化發(fā)展需要進行選學，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《義務教育信息科技課程標準》，構(gòu)建了以數(shù)據(jù)、算法、網(wǎng)絡、信息處理、信息安全、人工智能為課程邏輯主線，引導學生理解、體驗人工智能，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)，促進學生在數(shù)字世界與現(xiàn)實世界中健康成長的課程標準。二、基于活動體驗的人工智能教學體驗是中小學生最基本的學習形式。在知識或技能的學習過程中，只有通過學生的親身體驗才能最終有效完成。體驗學習是將學習者置于某些特定情境中，通過給學習者提供直接的感官刺激，并與外界環(huán)境進行交互作用，以此來激發(fā)個體內(nèi)在的探究欲望與情感反應，在實踐中學習者通過體驗、感知、認知、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)，其教育的要點在于既能夠讓學生理解其基礎知識，掌握其基本技術(shù)，又能夠在現(xiàn)實生活中靈活應用。這樣，既避免了相關(guān)知識的碎片化，又能激發(fā)學生參與的興趣。我國人工智能教育的起步雖然較早且有明確的政策引導，但在實踐中，仍存在“教學內(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”；要么“只強調(diào)學生的體驗，側(cè)重于吸引學生進行簡單的動手實踐”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《義務教育信息科技課程標準》指出：“小學低年級注重生活體驗；小學中高年級初步學習基本概念和基本原理，并體驗其應用。”因此，義務教育信息科技課程中的人工智能教學應強調(diào)讓學生在活動中體驗，既讓學生實踐，又讓學生在活動中理解其概念和方法，例如“智能體”的感知、學習、決策和交互等。三、人工智能教學的路徑設計經(jīng)過不斷學習與實踐，我們探索出基于“活動體驗”的人工智能教學路徑，即以“感知體驗概念構(gòu)建實踐探究拓展應用”為主線，采用探究式、體驗式和小組合作式開展學習。學生能夠直觀感受人工智能具體應用，自主探究人類和機器思考并解決問題的過程，動手實踐使用圖形化編程軟件訓練模型并解決問題。（一）人工智能課的學習重點人工智能課是要讓學生真正理解到人工智能是如何來解決問題的。在教學過程中，不可避免地要涉及平臺和工具的使用，但這些不應該成為重點學習的內(nèi)容，只是借助它們實現(xiàn)人工智能。在教學中，可以展示我們生活中最常見的一些應用實例，特別是現(xiàn)在很多小區(qū)門口裝置的人臉識別設備，引導學生了解人工智能的相關(guān)領(lǐng)域。要讓學生知道人工智能目前主要的實現(xiàn)方法就是機器學習，也就是通過大量的數(shù)據(jù)學習，并在學習過程當中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，建立模型。（二）人工智能課的問題設計人工智能課，應當是一個完整的學習過程，讓學生在解決問題的過程中學習知識。所設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，從學生的學習角度來說，需要理解人工智能解決問題的方法，最主要的方法就是機器學習，機器要通過大量的學習，才會有技能。機器學習的過程有輸入數(shù)據(jù)、調(diào)用并進行訓練，例如貓狗識別，老師分別采集多張貓狗的圖片，注明相應的標簽后，才能給機器訓練。對于學生而言，應懂得其原理，但如果讓學生在一節(jié)課里為提高識別率，訓練大量數(shù)據(jù)，這肯定不可取，應該減少圖片張數(shù)，帶領(lǐng)學生經(jīng)歷機器學習的完整過程。（三）人工智能課的情境創(chuàng)設人工智能課教學情境的創(chuàng)設應建立在學生真實生活經(jīng)驗的基礎之上，選擇學生耳熟能詳、經(jīng)常接觸的應用問題。例如因為新冠肺炎疫情，許多商場進門的地方設置有帶攝像頭的機器人，當我們進門時，如果沒戴口罩，它會提醒大家戴口罩。通過這樣的實例導入，學生自然會很感興趣，也就產(chǎn)生了學習需求。四、人工智能教學例探《圖像識別》是江蘇鳳凰科技出版社出版的小學六年級課本《小學信息技術(shù)》第23課的內(nèi)容，主要教學目標為引導學生對圖像識別進行初步探究，利用植物識別和動物識別的應用，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。本課面對的教學對象為小學高年級段的學生，這個年齡段的學生，好奇心強，善于用觀察、體驗獲得的直接感受去認識事物，對生活和學習中一些人工智能產(chǎn)品也有一定的了解，在之前的學習中，已經(jīng)會運用圖形化編程軟件創(chuàng)建程序，掌握基本制作流程和設計方法，具有較好的認知經(jīng)驗?；诨顒芋w驗的教學理論，本課設計了四個環(huán)節(jié)，第一個環(huán)節(jié)是引入生活中手機智能識別植物的具體應用，貼近學生生活經(jīng)驗，激發(fā)學生的興趣，為了解圖像識別的基本概念奠定基礎。第二個環(huán)節(jié)從人是如何識別動物，引導學生分析人類圖像識別的過程，之后借助機器學習平臺來演示模型的訓練、學習和測試，得出機器圖像識別的基本過程，通過人機類比解決基本原理的問題。第三環(huán)節(jié)讓學生親身體驗“創(chuàng)趣”學生機器人器材和百度AI開放平臺的智能圖像識別應用，進一步探究人工智能，明確百度提供的AI模型之所以能識別很多的物體，實際上是技術(shù)人員為機器訓練了大量數(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)學生進一步學習人工智能的興趣。（一）情境創(chuàng)設，感知智能通過展示生活中人工智能在圖像識別的應用，讓學生了解圖像識別給生活帶來的便捷，從而激發(fā)學生的學習興趣。例1：教師事先帶來一盆本地區(qū)不常見的植物，先讓同學們猜想，這究竟是什么植物，它有哪些主要特征。在同學充分猜想的基礎上，提出要來驗證一下。教師示范操作：打開手機上的“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）人機類比，初識智能機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生學習。學生在自主學習圖像識別技術(shù)的基本概念，回顧人類識別圖像的過程這一基礎上，借助機器學習平臺來演示模型的訓練、學習和測試，最終得出圖像識別的基本流程，即：通過對數(shù)據(jù)進行模型訓練，當有新數(shù)據(jù)輸入，提取重要特征并應用分類模型，最終實現(xiàn)識別功能。例3：人類具有較強的圖像識別能力，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、學習及生活需要。借助智能圖像識別，可以幫助我們更快、更準確地獲得圖片的相關(guān)信息。那什么是圖像識別呢？活動1：自主學習，初識圖像識別。（1）讀一讀：什么是圖像識別？（借助計算機和人工智能技術(shù)對圖像進行處理、分析和理解，最終識別我們所要研究的對象。）（2）想一想：計算機視覺模仿了人什么行為？（看）（3）議一議：我們看到的和計算機看到的圖像一樣嗎？（不一樣，計算機看到的是一堆數(shù)字。）活動2：人機類比，了解識別原理。圖像識別技術(shù)就是計算機模擬人的眼睛，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，引導學生思考：（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，在腦海中如何進行判斷？（查找、比對）這些有關(guān)動物的知識從哪里獲取？（前期的不斷學習與積累）（3）小結(jié)人類識別貓的基本步驟，即：我們通過日常學習獲得知識，當看到貓時，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，但對計算機或其他設備來說卻是一項非常艱巨的工作，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：◆機器需要學習嗎？誰來幫助機器進行學習？◆人們在對機器進行模型訓練，準備了哪些樣本數(shù)據(jù)？◆從不認識貓、狗到識別出結(jié)果，經(jīng)歷了哪些基本過程？圖像獲取－特征提?。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，應讓學生通過搭建平臺認識圖像識別程序流程，在實踐中認識每個控件的作用和意義，體驗圖像識別模塊的神奇之處，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和實踐能力。學生在組合硬件模塊的基礎上，編寫可以訓練并識別新數(shù)據(jù)的程序，從而激發(fā)對人工智能學習的求知欲，為后續(xù)利用人工智能技術(shù)進行更多應用嘗試作鋪墊。如果不具有向?qū)W生提供硬件平臺的條件，也可以讓學生通過具有人工智能插件的編程軟件來進行探究。例4：活動目標：利用“創(chuàng)趣”學生機器人器材和XDing軟件擴展AI功能，搭建腳本，實現(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)可以刷臉進門很感興趣，想請大家?guī)椭麄兝萌四樥掌O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，實現(xiàn)舵機轉(zhuǎn)動功能（模擬開門）。例5：活動目標：利用Kittenblock編程軟件擴展模塊“人工智能”中的“機器學習”和“視頻偵測”插件來進行智能圖像識別。問題提出：現(xiàn)有蘋果和梨的若干圖片，讓我們?yōu)闄C器設計并訓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的水果分類標簽。（2）修改腳本，訓練多張圖片。原來的腳本只能學習少量圖片，為了提高識別率，如何讓機器學到更多的圖？（3）添加控件，識別水果。訓練完模型后，當有新數(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，激勵學生學習的興趣。例6：圖像識別應用在許多領(lǐng)域有著重要的價值，前