小學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的普及，人工智能也逐漸進入了中小學的課堂。圖像識別作為人工智能的一個重要發展方向，與人們的生活息息相關，應用范圍也越來越廣泛。本文通過對《小學人工智能科普與教育叢書》系列中《小學人工智能基礎》（上冊）中的“認識圖像識別”案例進行分析，并對此次教學過程進行梳理與反思，總結經驗策略，從而為今后的教學提供有效指導。

【關鍵詞】圖像識別;教學案例

【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、車牌識別等技術在生活中的廣泛應用，圖像識別技術越來越深入人們的生活。為了幫助小學生更好地了解科技前沿，激發學生對科技的興趣，培養學生的創新能力，東城區的部分小學已經開設了人工智能課程。課程的開設，讓學生慢慢了解到圖像識別、語言識別等前沿科學技術。同時，針對不同的學習內容，教師會采用不同的形式開展教學，以確保課堂內容既是學生喜歡的，又是適合學生的。

圖像識別的發展經歷了三個階段：文字識別、數字圖像處理與識別、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、數字和符號，從印刷文字識別到手寫文字識別， 應用非常廣泛。本文以“認識圖像識別”課堂教學為例，梳理了人工智能前沿科學在小學開展教育教學活動的內容和方法。

課前分析及目標闡明

1.教學內容分析

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容，數字識別、人臉識別、指紋識別等都屬于它的范疇，它產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，圖像識別主要應用在醫學、軍事、通信等多個領域，本課選用了手寫數字識別、車牌識別、人臉識別等貼近學生生活的內容，通過活動讓學生初步認識圖像識別。

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

手寫數字識別的過程主要包括圖像預處理、形態學操作、提取特征、特征比對、輸出數字等。考慮到小學生的認知特點，教師引導學生將其總結為“獲取數據、提取特征、特征比對、輸出數字”四個步驟，這個過程在圖像識別的應用中基本是通用的。因此，除了手寫以外，課堂上還引入了車牌識別、人臉識別等內容，讓學生通過不同的內容了解圖像識別。

2.學生特征分析

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。”超越學生心理或生理發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，進行合理的教學設計。

本課的授課對象是小學四年級的學生，他們當前正處于大腦發育的關鍵時期，已經開始從被動學習向主動學習轉變，思維能力也處于轉折時期，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他們的參與欲望。因此，本課設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，從而培養學生的思維能力。

學生原本就對圖像識別在生活中的應用非常感興趣，再加上豐富的活動，使他們全身心地參與課堂。在前面的學習中，學生已經具有了一定的基礎，他們認識了像素、知道圖像是如何編碼的、學習了圖像的二值化，這些都為學習本課內容奠定了扎實的基礎。

3.教學目標

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

圖像識別教學過程

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，這是人類視覺系統數萬年演變進化的結果。但是對于機器，讓它理解一張圖片上的信息是非常復雜的數據選擇和計算比較的過程。依據學生的認知特點，教師在本課中設計了多個活動，其中的“猜數字”“猜猜我是誰”等內容都是讓學生先總結出自己是如何識別數字、識別人臉的，從而幫助他們理解機器識別圖像的過程。

1.導入——猜數字游戲

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“猜數字”游戲導入，教師先出示被遮住一部分的手寫數字圖片，慢慢露出整個數字，讓學生猜一猜數字是幾。游戲結束后，學生說一說自己是怎樣猜出來的，通過游戲，激發學生的學習興趣。

2.新授

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

（2）體驗手寫數字識別軟件。上一個活動結束之后，教師引導學生說一說生活中機器識別手寫數字的例子有哪些，接著，讓學生體驗一個識別手寫數字的軟件。學生通過體驗能夠初步感受機器識別數字的過程，知道機器輸出的結果是經過比對之后得到的，還能認識到此軟件中機器識別的結果不一定完全準確，教師針對這個問題，引發學生思考，機器識別數字的結果不準確時，原因可能是什么呢？

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

（3）體驗車牌識別。生活中比較常見的關于數字識別的應用就是車牌識別，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準備了一張打印出來的車牌，讓學生使用平板電腦上的軟件去識別。車牌上的內容是教師精心設計的，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容都不一樣，促使學生在操作時進行小組討論，思考為什么車牌上的數字模糊、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，對學生進行品德教育，讓學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

此環節，教師設計了兩個活動，對本節課所學內容進行拓展，讓學生更充分地去認識圖像識別。

（1）體驗“猜畫小歌”。“猜畫小歌”是一個人工智能猜畫的小程序，學生可以根據軟件出的題目，進行繪畫，由軟件來猜自己畫的是什么。課堂上，當一位學生在畫畫的時候，全班同學都和他一樣興奮，整個過程，學生的參與度很高。本活動的最后，我引導學生思考“機器為什么能猜出我們畫的畫呢？”讓學生在體驗的同時，要及時發現問題、思考問題，培養學生的思維能力。

（2）“挑戰”人臉識別。在這項活動中，教師并沒有直接讓學生體驗人臉解鎖，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生照片，讓他們猜一猜照片是班里的哪位學生，通過這個游戲，讓學生先體驗自己根據特征識別人臉的過程。接下來，請一位學生現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”這兩個字，是因為學生們在挑戰人臉解鎖這個應用時，他們想知道用什么方法能讓錄入面部信息的那位學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，并根據結果分析原因。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使下，學生們當時就迫不及待地驗證了這個問題，通過驗證，學生們發現雙胞胎是可以互相解鎖手機的。這個“挑戰”的過程，是學生全身心參與的過程，也是啟發學生思考的過程。

本課最后的環節是讓學生談談自己的收獲和感悟，教師及時將學生的發言進行總結，也提出一些問題，如雙胞胎能夠互相解鎖的問題應該怎樣改進呢？在生活中，我們應該怎樣去應用技術等。通過問題，引發學生更深入的思考。本次學習活動雖然結束了，但學生探究人工智能的愿望沒有停止，他們帶著新的思考，期待著下一次的學習內容。

教學反思

總體上看，本課的教學達到了預期的效果，學生參與度高、積極性強，始終體現了以學生為主體的思想。

本課力求讓學生在輕松有趣的學習氛圍中獲得知識，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，讓學生初步了解圖像識別背后的一些原理，激發他們的創新意識。通過討論、分析、總結，讓學生能夠客觀地看待技術發展帶來的兩面性，能夠合理地應用技術。即使本課程開設的時間還不長，但是，在課堂上，90%以上的學生都能認真參與，并且學習熱情高漲，從課堂上學生的狀態和課后的反饋可以得知，學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策略，目的是讓人工智能的教學能夠適應小學生的特點，讓這門課能夠真正在小學開設得有效果、有意義。