小學(xué)人工智能課程的實施與探索

李婷

【摘 要】隨著開源硬件以及圖形化編程教育在中小學(xué)的普及，人工智能也逐漸進入了中小學(xué)的課堂。圖像識別作為人工智能的一個重要發(fā)展方向，與人們的生活息息相關(guān)，應(yīng)用范圍也越來越廣泛。本文通過對《小學(xué)人工智能科普與教育叢書》系列中《小學(xué)人工智能基礎(chǔ)》（上冊）中的“認識圖像識別”案例進行分析，并對此次教學(xué)過程進行梳理與反思，總結(jié)經(jīng)驗策略，從而為今后的教學(xué)提供有效指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】圖像識別;教學(xué)案例

【中圖分類號】G434? 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2019）07、08-0112-04

隨著人臉識別、車牌識別等技術(shù)在生活中的廣泛應(yīng)用，圖像識別技術(shù)越來越深入人們的生活。為了幫助小學(xué)生更好地了解科技前沿，激發(fā)學(xué)生對科技的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，東城區(qū)的部分小學(xué)已經(jīng)開設(shè)了人工智能課程。課程的開設(shè)，讓學(xué)生慢慢了解到圖像識別、語言識別等前沿科學(xué)技術(shù)。同時，針對不同的學(xué)習內(nèi)容，教師會采用不同的形式開展教學(xué)，以確保課堂內(nèi)容既是學(xué)生喜歡的，又是適合學(xué)生的。

圖像識別的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段：文字識別、數(shù)字圖像處理與識別、物體識別。文字識別的研究是從1950年開始的，一般是識別字母、數(shù)字和符號，從印刷文字識別到手寫文字識別， 應(yīng)用非常廣泛。本文以“認識圖像識別”課堂教學(xué)為例，梳理了人工智能前沿科學(xué)在小學(xué)開展教育教學(xué)活動的內(nèi)容和方法。

課前分析及目標闡明

1.教學(xué)內(nèi)容分析

本課以“人機類比”的方法，初步介紹了圖像識別的大體步驟。圖像識別在人工智能中是非常重要的內(nèi)容，數(shù)字識別、人臉識別、指紋識別等都屬于它的范疇，它產(chǎn)生的目的是為了讓計算機代替人類去處理大量的物理信息。目前，圖像識別主要應(yīng)用在醫(yī)學(xué)、軍事、通信等多個領(lǐng)域，本課選用了手寫數(shù)字識別、車牌識別、人臉識別等貼近學(xué)生生活的內(nèi)容，通過活動讓學(xué)生初步認識圖像識別。

手寫數(shù)字識別是圖像識別領(lǐng)域的一個重要問題，因此，本課選用了“機器如何識別手寫數(shù)字”作為重點研究內(nèi)容，由于手寫數(shù)字的不規(guī)范和多樣性，使數(shù)字識別時所要處理的信息不僅量大，而且復(fù)雜。為了達到更好的識別效果，要求識別系統(tǒng)要從大量數(shù)據(jù)中抽取關(guān)鍵信息進行識別。其中一種方式是先將手寫的數(shù)字轉(zhuǎn)化為二值圖像，再提取特征，進行比對，這種方法與書寫的順序無關(guān)，容易識別“補筆畫”“自由始終點”的數(shù)字或字符。本課向?qū)W生介紹的就是這種方法。

手寫數(shù)字識別的過程主要包括圖像預(yù)處理、形態(tài)學(xué)操作、提取特征、特征比對、輸出數(shù)字等?？紤]到小學(xué)生的認知特點，教師引導(dǎo)學(xué)生將其總結(jié)為“獲取數(shù)據(jù)、提取特征、特征比對、輸出數(shù)字”四個步驟，這個過程在圖像識別的應(yīng)用中基本是通用的。因此，除了手寫以外，課堂上還引入了車牌識別、人臉識別等內(nèi)容，讓學(xué)生通過不同的內(nèi)容了解圖像識別。

2.學(xué)生特征分析

法國教育家盧梭說過：“大自然希望兒童在成人以前就要像兒童的樣子，如果我們打亂這個次序，就會造成一些果實早熟，他們長得既不豐滿、也不甜美，而且很快就會腐爛?！背綄W(xué)生心理或生理發(fā)展水平的教育會妨礙孩子的成長。作為教師，更要全面了解孩子的情況，進行合理的教學(xué)設(shè)計。

本課的授課對象是小學(xué)四年級的學(xué)生，他們當前正處于大腦發(fā)育的關(guān)鍵時期，已經(jīng)開始從被動學(xué)習向主動學(xué)習轉(zhuǎn)變，思維能力也處于轉(zhuǎn)折時期，抽象概括、分類、比較和推理能力也開始形成。但是，他們還不能理解很多的抽象事物，更善于根據(jù)觀察、體驗獲得的直接感受去認識事物，并且，他們依然擁有孩子愛玩的天性，游戲類的活動往往更能激發(fā)他們的參與欲望。因此，本課設(shè)計了多個游戲及體驗活動，但并不僅僅停留在體驗的層面上，要求學(xué)生在體驗之后，深入剖析問題、嘗試針對問題提出可行的解決策略，從而培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。

學(xué)生原本就對圖像識別在生活中的應(yīng)用非常感興趣，再加上豐富的活動，使他們?nèi)硇牡貐⑴c課堂。在前面的學(xué)習中，學(xué)生已經(jīng)具有了一定的基礎(chǔ)，他們認識了像素、知道圖像是如何編碼的、學(xué)習了圖像的二值化，這些都為學(xué)習本課內(nèi)容奠定了扎實的基礎(chǔ)。

3.教學(xué)目標

基于教學(xué)內(nèi)容以及學(xué)生特征的分析，本課的教學(xué)目標有三個：了解機器識別手寫數(shù)字的過程;知道手寫數(shù)字識別、車牌識別、人臉識別等圖像識別技術(shù)在生活中的應(yīng)用;能夠合理分析圖像識別在應(yīng)用過程中遇到的現(xiàn)象或問題。

圖像識別教學(xué)過程

大家知道，對于人類來說，理解圖像所表達的信息是很容易的，這是人類視覺系統(tǒng)數(shù)萬年演變進化的結(jié)果。但是對于機器，讓它理解一張圖片上的信息是非常復(fù)雜的數(shù)據(jù)選擇和計算比較的過程。依據(jù)學(xué)生的認知特點，教師在本課中設(shè)計了多個活動，其中的“猜數(shù)字”“猜猜我是誰”等內(nèi)容都是讓學(xué)生先總結(jié)出自己是如何識別數(shù)字、識別人臉的，從而幫助他們理解機器識別圖像的過程。

1.導(dǎo)入——猜數(shù)字游戲

機器識別圖像的過程和人類大腦理解眼睛所看到的東西的過程是非常相似的，本課以“猜數(shù)字”游戲?qū)?，教師先出示被遮住一部分的手寫?shù)字圖片，慢慢露出整個數(shù)字，讓學(xué)生猜一猜數(shù)字是幾。游戲結(jié)束后，學(xué)生說一說自己是怎樣猜出來的，通過游戲，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣。

2.新授

（1）排序。學(xué)生了解自己猜數(shù)字的過程是為總結(jié)機器識別數(shù)字的過程進行鋪墊，教師給學(xué)生出示了猜數(shù)字的四個步驟，讓學(xué)生嘗試根據(jù)自己的理解進行排序。學(xué)生很快能夠正確完成排序任務(wù)。總結(jié)出“用眼睛看——提取特征——查找記憶——說出數(shù)字”這個過程是自己認出數(shù)字的過程。

（2）體驗手寫數(shù)字識別軟件。上一個活動結(jié)束之后，教師引導(dǎo)學(xué)生說一說生活中機器識別手寫數(shù)字的例子有哪些，接著，讓學(xué)生體驗一個識別手寫數(shù)字的軟件。學(xué)生通過體驗?zāi)軌虺醪礁惺軝C器識別數(shù)字的過程，知道機器輸出的結(jié)果是經(jīng)過比對之后得到的，還能認識到此軟件中機器識別的結(jié)果不一定完全準確，教師針對這個問題，引發(fā)學(xué)生思考，機器識別數(shù)字的結(jié)果不準確時，原因可能是什么呢？

教師出示圖片，請學(xué)生們觀察并說一說發(fā)現(xiàn)了什么，教師向?qū)W生介紹圖片上的內(nèi)容是機器識別數(shù)字時獲取到的數(shù)據(jù)，請學(xué)生先思考，機器會怎樣提取特征呢？然后請學(xué)生用筆描畫出數(shù)字“1”和“0”的分界線，觀察描畫完的結(jié)果。學(xué)生通過觀察、思考和操作了解了機器究竟是怎樣從大量數(shù)據(jù)中提取數(shù)字特征的，并總結(jié)出機器識別手寫數(shù)字的步驟為“獲取數(shù)據(jù)——提取特征——特征比對——輸出數(shù)字”，這也是本節(jié)課的教學(xué)重點。

（3）體驗車牌識別。生活中比較常見的關(guān)于數(shù)字識別的應(yīng)用就是車牌識別，當然車牌識別也包含文字識別，但是文字識別和數(shù)字識別的原理是相似的。因此，在課堂上，教師給每個小組的同學(xué)準備了一張打印出來的車牌，讓學(xué)生使用平板電腦上的軟件去識別。車牌上的內(nèi)容是教師精心設(shè)計的，有的車牌字跡很模糊，有的劃痕明顯，還有的只有“老年代步車”這樣的文字，由于每個小組的車牌內(nèi)容都不一樣，促使學(xué)生在操作時進行小組討論，思考為什么車牌上的數(shù)字模糊、有劃痕，還能被識別出來，通過討論和分享加深對圖像識別的理解。教師也及時抓住契機，對學(xué)生進行品德教育，讓學(xué)生清楚地知道任何時候都不能存有僥幸心理，使用不符合要求的車牌。

3.拓展

此環(huán)節(jié)，教師設(shè)計了兩個活動，對本節(jié)課所學(xué)內(nèi)容進行拓展，讓學(xué)生更充分地去認識圖像識別。

（1）體驗“猜畫小歌”?！安庐嬓「琛笔且粋€人工智能猜畫的小程序，學(xué)生可以根據(jù)軟件出的題目，進行繪畫，由軟件來猜自己畫的是什么。課堂上，當一位學(xué)生在畫畫的時候，全班同學(xué)都和他一樣興奮，整個過程，學(xué)生的參與度很高。本活動的最后，我引導(dǎo)學(xué)生思考“機器為什么能猜出我們畫的畫呢？”讓學(xué)生在體驗的同時，要及時發(fā)現(xiàn)問題、思考問題，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。

（2）“挑戰(zhàn)”人臉識別。在這項活動中，教師并沒有直接讓學(xué)生體驗人臉解鎖，而是先玩了一個“猜猜我是誰”的游戲，教師出示只露出眼睛的學(xué)生照片，讓他們猜一猜照片是班里的哪位學(xué)生，通過這個游戲，讓學(xué)生先體驗自己根據(jù)特征識別人臉的過程。接下來，請一位學(xué)生現(xiàn)場向教師的手機中錄入自己的臉部信息，完成之后，馬上驗證能否解鎖手機。這個活動之所以用“挑戰(zhàn)”這兩個字，是因為學(xué)生們在挑戰(zhàn)人臉解鎖這個應(yīng)用時，他們想知道用什么方法能讓錄入面部信息的那位學(xué)生解不開教師的手機，如讓他做鬼臉或戴上墨鏡、口罩之后再去解鎖手機，并根據(jù)結(jié)果分析原因。特別巧的是，在上課的班級中，有一對雙胞胎，這激起了學(xué)生很強烈的好奇心，他們想知道雙胞胎能不能互相解鎖手機呢？在好奇心和求知欲的驅(qū)使下，學(xué)生們當時就迫不及待地驗證了這個問題，通過驗證，學(xué)生們發(fā)現(xiàn)雙胞胎是可以互相解鎖手機的。這個“挑戰(zhàn)”的過程，是學(xué)生全身心參與的過程，也是啟發(fā)學(xué)生思考的過程。

本課最后的環(huán)節(jié)是讓學(xué)生談?wù)勛约旱氖斋@和感悟，教師及時將學(xué)生的發(fā)言進行總結(jié)，也提出一些問題，如雙胞胎能夠互相解鎖的問題應(yīng)該怎樣改進呢？在生活中，我們應(yīng)該怎樣去應(yīng)用技術(shù)等。通過問題，引發(fā)學(xué)生更深入的思考。本次學(xué)習活動雖然結(jié)束了，但學(xué)生探究人工智能的愿望沒有停止，他們帶著新的思考，期待著下一次的學(xué)習內(nèi)容。

教學(xué)反思

總體上看，本課的教學(xué)達到了預(yù)期的效果，學(xué)生參與度高、積極性強，始終體現(xiàn)了以學(xué)生為主體的思想。

本課力求讓學(xué)生在輕松有趣的學(xué)習氛圍中獲得知識，主要講授的是圖像識別的大致過程以及它在生活中的重要作用，讓學(xué)生初步了解圖像識別背后的一些原理，激發(fā)他們的創(chuàng)新意識。通過討論、分析、總結(jié)，讓學(xué)生能夠客觀地看待技術(shù)發(fā)展帶來的兩面性，能夠合理地應(yīng)用技術(shù)。即使本課程開設(shè)的時間還不長，但是，在課堂上，90%以上的學(xué)生都能認真參與，并且學(xué)習熱情高漲，從課堂上學(xué)生的狀態(tài)和課后的反饋可以得知，學(xué)生的收獲是非常大的。本課中，教師之所以采用活動式的教學(xué)策略，目的是讓人工智能的教學(xué)能夠適應(yīng)小學(xué)生的特點，讓這門課能夠真正在小學(xué)開設(shè)得有效果、有意義。