《圖像識別初探》教學(xué)案例

應(yīng)筱艷

● 教學(xué)內(nèi)容分析

2017年7月8日，國務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，提出要在中小學(xué)設(shè)置人工智能相關(guān)課程。2018年世界人工智能大會在上海舉行，未來已來，人工智能將改變學(xué)校教育。在此背景下，筆者所在學(xué)校開發(fā)了“人工智能基礎(chǔ)”這一校本課程，該課程從基礎(chǔ)知識入手，引導(dǎo)學(xué)生了解前沿科技，體驗(yàn)生活中的人工智能應(yīng)用，并了解基本原理，旨在開展人工智能啟蒙教育。本課是“人工智能基礎(chǔ)”的第2課，是在前一課對人工智能整體感知的基礎(chǔ)上，對圖像識別進(jìn)行初步探究，主要內(nèi)容包括圖像識別在生活中的應(yīng)用，手寫數(shù)字的識別，了解圖像識別中的特征提取、分類器和圖像識別的基本流程。

● 學(xué)情分析

本課授課對象為七年級學(xué)生，他們在小學(xué)階段經(jīng)過四年的信息技術(shù)課程學(xué)習(xí)，具有較好的認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)與操作基礎(chǔ)。據(jù)問卷調(diào)查和訪談可知，大部分學(xué)生使用過智能手機(jī)，對平板電腦有較高的興趣，有過小組合作學(xué)習(xí)的經(jīng)驗(yàn)。學(xué)生對人工智能等新技術(shù)比較感興趣，但缺乏系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，認(rèn)識不夠全面。部分學(xué)生知道一些圖像識別的應(yīng)用，但對圖像識別技術(shù)的基本方法與過程不太了解。

● 教學(xué)目標(biāo)

（1）通過觀看視頻和交流討論，了解圖像識別技術(shù)在生活中的應(yīng)用，激發(fā)對圖像識別的學(xué)習(xí)興趣。

（2）通過小組合作探究和在線分享，體驗(yàn)圖像識別的真實(shí)應(yīng)用，感受利用互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字化工具進(jìn)行學(xué)習(xí)的便利，提高合作學(xué)習(xí)能力。

（3）通過探究手寫數(shù)字識別和手繪簡筆畫識別的過程，了解圖像識別中的特征提取、分類器以及圖像識別的基本流程。

（4）通過對圖像識別技術(shù)和具體應(yīng)用場景相融合的創(chuàng)想活動，感知圖像識別的社會價值，產(chǎn)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)的意愿。

● 教學(xué)重點(diǎn)

圖像識別在生活中的應(yīng)用，圖像識別的基本流程。主要通過問題引導(dǎo)、活動體驗(yàn)、分析討論、總結(jié)歸納等方式來突破重點(diǎn)。

● 教學(xué)難點(diǎn)

圖像識別中的特征提取和分類器。通過案例分析、教師講解、微課視頻等來化解難點(diǎn)。

● 教學(xué)資源

根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生實(shí)際，在教學(xué)資源方面做如下準(zhǔn)備：

（1）設(shè)備與環(huán)境：每組一臺平板電腦、無線網(wǎng)絡(luò)、多媒體教室。

（2）學(xué)習(xí)素材：圖像識別相關(guān)的應(yīng)用、在線學(xué)習(xí)平臺、小組任務(wù)卡。

● 整體思路

本課教學(xué)遵循“以生為本”的理念，“以學(xué)為主、以導(dǎo)為方”，利用平板電腦作為學(xué)習(xí)工具，創(chuàng)設(shè)情境任務(wù)，提供交流平臺，引導(dǎo)學(xué)生開展小組合作探究學(xué)習(xí)，經(jīng)歷“認(rèn)識、體驗(yàn)、探究、創(chuàng)想”的學(xué)習(xí)過程，在實(shí)踐中體驗(yàn)，在思考中感知，在交流中提升，逐步了解圖像識別的基本流程，創(chuàng)想圖像識別在生活中的應(yīng)用，不斷提升對人工智能的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)數(shù)字化學(xué)習(xí)的意識與能力。

● 教學(xué)過程

1.情境：觀看視頻引出圖像識別

觀看《波士頓動力機(jī)器狗》視頻，聚焦視頻中機(jī)器狗的導(dǎo)航地圖和避障數(shù)據(jù)，組織學(xué)生進(jìn)行破冰討論，激發(fā)學(xué)生對人工智能中的重要領(lǐng)域之一——圖像識別的興趣。學(xué)生會提到“高科技”“人工智能”“圖像識別”等詞，自然地引出學(xué)習(xí)主題。

設(shè)計意圖：利用視頻能直觀地感受到科技帶來的視覺沖擊，引發(fā)對本課學(xué)習(xí)主題的興趣。

2.認(rèn)識：身邊的圖像識別

圖像識別在生活中的應(yīng)用非常廣泛，教師組織討論，通過問題引導(dǎo)學(xué)生思考和尋找生活中哪些場景用到了圖像識別，學(xué)生思考并交流分享。通過課堂討論，學(xué)生列舉出了人臉識別、電商購物、交通管理、物體識別等圖像識別的應(yīng)用。

設(shè)計意圖：通過出示生活中的圖像識別應(yīng)用場景圖片，引導(dǎo)學(xué)生尋找身邊圖像識別技術(shù)的應(yīng)用，調(diào)動已有的認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)，為后面的學(xué)習(xí)做好鋪墊。通過問題引導(dǎo)學(xué)生思考，調(diào)動學(xué)生的認(rèn)識經(jīng)驗(yàn)，使其在交流分享中提升參與積極性。

3.體驗(yàn)：圖像識別的應(yīng)用

我們身邊有很多的圖像識別的應(yīng)用，借助平板電腦可以讓學(xué)生進(jìn)行真實(shí)情境的體驗(yàn)。為了讓學(xué)生邊實(shí)踐邊思考討論，采用小組合作方式進(jìn)行體驗(yàn)。設(shè)置不同的情境任務(wù)（如圖1），根據(jù)不同的任務(wù)進(jìn)行合作探究，尋找適合的圖像識別類APP來解決問題，并利用UMU互動學(xué)習(xí)平臺，分享成果與感悟，分享二維碼如圖2所示。涉及到的應(yīng)用有“小猿口算”“形色”“有道翻譯”“CaptionBot”等。組織組間交流分享，了解其他組不同的圖像識別應(yīng)用與體驗(yàn)感悟。

設(shè)計意圖：以小組為單位，利用平板電腦，帶著問題在真實(shí)情境中實(shí)踐體驗(yàn)，了解圖像識別的應(yīng)用，分享學(xué)習(xí)成果，感受圖像識別給我們生活帶來的便利。從中觸發(fā)思考，培養(yǎng)利用數(shù)字化工具進(jìn)行學(xué)習(xí)的意識。

4.探究：圖像識別的流程

對于初中生而言，體驗(yàn)感悟是學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，除此之外還需要引導(dǎo)學(xué)生思考其背后的過程與方法，了解圖像識別的基本流程。

首先，以手寫數(shù)字的識別為例進(jìn)行分析和講解，將機(jī)器學(xué)習(xí)與人類的認(rèn)知相類比，引出圖像識別中的特征提取和分類器，在交流討論中不斷明晰圖像識別的基本流程。手寫數(shù)字識別是人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)中的入門案例，相當(dāng)于編程中的“Hello World”，具有典型性。在課程后續(xù)拓展中可以通過這個實(shí)例進(jìn)行算法和編程的實(shí)踐。實(shí)例講解完之后，再通過機(jī)器自動識別郵編的案例將手寫數(shù)字識別應(yīng)用于生活，拉近理論與生活的距離。

特征提取和分類器是本課的難點(diǎn)，學(xué)生較難理解，通過觀看講解清晰、生動有趣的《AI猜畫小歌》微視頻來了解手繪簡筆畫中的分類器和識別過程。通過微課，學(xué)生清楚地了解到在訓(xùn)練分類器時需要用到大量的圖像數(shù)據(jù)，識別時通過不同的分類器進(jìn)行判斷以分辨類別等原理。在接下來的“快問快答”中設(shè)置與教學(xué)重難點(diǎn)相關(guān)的問題。

設(shè)計意圖：通過問題引導(dǎo)學(xué)生思考，進(jìn)行典型案例分析與講解，幫助學(xué)生了解圖像識別中的特征提取和分類器的概念，化解難點(diǎn)。通過交流討論不斷明晰圖像識別的基本流程，再觀看微視頻進(jìn)一步了解較復(fù)雜的圖像識別的過程，最后用“快問快答”加深理解，并進(jìn)行學(xué)習(xí)的評價和反饋。

5.創(chuàng)想：圖像識別的未來

現(xiàn)在的初中生是未來人工智能的主力軍，為了進(jìn)一步提升認(rèn)知，拓展思維，在課末設(shè)計一個創(chuàng)想活動，把圖像識別與具體場景相融合，對未來應(yīng)用進(jìn)行創(chuàng)想，激發(fā)創(chuàng)新意識，進(jìn)一步探索圖像識別，感悟圖像識別的社會價值。

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)想圖像識別在生活中的應(yīng)用場景，拓展思維，提升情感。

● 教學(xué)反思

人工智能話題備受關(guān)注，在國家層面和學(xué)校層面都已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注，很多中小學(xué)校已經(jīng)在校本課程中探索人工智能課程的開發(fā)和實(shí)施。本次賽后的四節(jié)說課展示中有三節(jié)都是人工智能相關(guān)課題，足見其炙手可熱的程度。具有敏感度的信息技術(shù)教師已經(jīng)開始主動探索這一新領(lǐng)域，大家都在摸索中前行。

由于個人能力和經(jīng)驗(yàn)的局限，筆者在專業(yè)知識和對課題挖掘深度的把握上不免有些心有余而力不足。所幸在備課和磨課期間得到了團(tuán)隊(duì)的助力和業(yè)內(nèi)專家的指點(diǎn)，才得以撥云見日，完成這節(jié)課。雖仍有遺憾，但筆者堅(jiān)信人工智能課程是應(yīng)時而生，探索教學(xué)是順勢而為。一線教師唯有敢于嘗試，勇于探索，才能讓人工智能這一連接未來的課程真正在中小學(xué)實(shí)施。

本課在關(guān)注課程內(nèi)容的同時，也關(guān)注學(xué)生的信息技術(shù)核心素養(yǎng)：基于真實(shí)情境，利用圖像識別解決生活、學(xué)習(xí)中的實(shí)際問題，增強(qiáng)信息意識。將移動終端作為學(xué)習(xí)工具，借助微課等學(xué)習(xí)資源，利用互動平臺在線分享，培養(yǎng)學(xué)生數(shù)字化學(xué)習(xí)的意識和能力。

點(diǎn) 評

本課在第五屆全國初中信息技術(shù)優(yōu)質(zhì)課展評活動中榮獲特等獎。從教學(xué)內(nèi)容的選擇來看，本課“從基礎(chǔ)知識入手，引導(dǎo)學(xué)生了解前沿科技，體驗(yàn)生活中的人工智能應(yīng)用，并了解基本原理，旨在開展人工智能啟蒙教育”。主體內(nèi)容屬于人工智能范疇。2017年7月8日，國務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，提出要在中小學(xué)設(shè)置人工智能相關(guān)課程；在2017年12月頒布的高中信息技術(shù)新課標(biāo)中，信息技術(shù)學(xué)科增加了人工智能模塊。由此可見，人工智能進(jìn)入中小學(xué)學(xué)習(xí)序列勢在必行。因此，本課選題新穎，符合時代的發(fā)展需要，也能吸引學(xué)生的興趣。

從教學(xué)過程的設(shè)置來看，本課從設(shè)置觀看視頻引出圖像識別情境入手，引發(fā)學(xué)生對本課學(xué)習(xí)的興趣；然后通過出示生活中的圖像識別應(yīng)用場景圖片，引導(dǎo)學(xué)生尋找身邊圖像識別技術(shù)的應(yīng)用，從而認(rèn)識圖像識別的案例；再設(shè)置不同的任務(wù)尋找適合的圖像識別類APP來解決問題，從而體驗(yàn)圖像識別的應(yīng)用；在體驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過問題引導(dǎo)學(xué)生思考，進(jìn)行典型案例分析與講解，幫助學(xué)生了解圖像識別中的特征提取和分類器的概念；最后，引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)想圖像識別在生活中的應(yīng)用場景，拓展思維，提升情感。教學(xué)過程既有貼近學(xué)生生活的體驗(yàn)活動，又有理論知識的學(xué)習(xí)分享；既涉及目前廣泛使用的人工智能技術(shù)，又能考慮到人工智能技術(shù)的發(fā)展性，設(shè)置合理，層層遞進(jìn)。從教學(xué)資源來看，本課使用了平板電腦、無線網(wǎng)絡(luò)、學(xué)習(xí)平臺、學(xué)習(xí)用APP等技術(shù)手段，是信息技術(shù)服務(wù)于信息技術(shù)課堂的有益嘗試。從教學(xué)效果來看，學(xué)生興趣盎然，經(jīng)歷“認(rèn)識、體驗(yàn)、探究、創(chuàng)想”的學(xué)習(xí)過程，在實(shí)踐中體驗(yàn)，在思考中感知，在交流中提升，很好地達(dá)成了所設(shè)定的教學(xué)目標(biāo)。可以說本課為在初中進(jìn)行人工智能教學(xué)做了一個有益的嘗試。