基于真實情境的 人工智能項目活動設計與實施

王世達

摘要：人工智能是信息科技課程中的重要教學內容，初中階段的學生，既熟悉身邊的人工智能應用，但又難以深入理解人工智能的原理。本文以“無人超市的實現”項目為例，對如何在初中信息科技課程中創設真實情境、合理設計項目、體現學科核心素養進行了闡述，并通過核心內容的教學實施幫助學生在解決真實問題的過程中真正理解人工智能。

關鍵詞：真實情境;項目設計;人工智能教學

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2022）12-0046-03

人工智能是當今信息技術發展的集中體現，《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》和《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》，均將“人工智能”納入了教學內容。對于初中生來說，人工智能已經滲透到他們生活中的各個方面，但學生對人工智能的科學原理和實現路徑仍不太了解。因此，在教學中有必要基于學生生活中常見的情境，合理設計項目，通過可操作、可實現的項目，讓學生體驗信息技術行業實踐者真實的工作模式和思考方式，從而讓表層的應用與深層次的原理發生聯系，促進學生對人工智能的理解，進而用人工智能去解決不同問題情境中的新問題。

● “無人超市的實現”項目簡介

1.基于真實情境

隨著城市的智能化程度不斷提升，無人超市已經逐步走進日常生活。在項目實施前，教師通過調查問卷了解全年級學生對無人超市的了解情況。

從調查結果不難發現，大部分學生對無人超市、自動收銀有一定的了解，對“無人超市的實現”情境的接受度較高，為后續的項目實施打好了良好的基礎。同時，教師在項目實施前，也要求學生通過尋訪身邊的無人超市或觀看微視頻等方式對無人超市的工作流程進行了解。

2.合理設計項目

根據初中生的特點，本項目選擇了具有機器學習擴展模塊的模塊化編程軟件，幫助學生理解機器學習圖像識別的過程。為了能讓學生完整體驗無人超市的實現過程，項目共設計了6課時的教學內容，如下頁表所示。

在第4課時中，教師指導學生通過對機器學習圖像訓練中的問題進行歸納總結，思考幫助人工智能提高圖像識別率的幾種方法路徑，以便在第5課時中，利用這些路徑幫助學生了解人工智能進行機器學習與訓練的原理，最終理解機器學習。

3.體現學科核心素養

本項目將信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息安全責任四個學科核心素養有機融入項目實施的各個環節，具體如下。

信息意識：學生在日常生活中是否關注了身邊的無人超市及其應用，從中反映學生是否敏銳地感覺到信息的變化;項目完成中不斷思考無人超市背后的原理，體現了自覺、主動地尋求恰當的方式獲取與處理信息的意識。

計算思維：學生通過普通超市手動收銀程序的編寫培養基本的編程能力與計算思維;在從手動收銀到無人超市自動識別收銀的程序改寫過程中，學生能夠體會到一個完整的大的系統是可以分解成一個個小的系統的，并根據實際需要對其中的模塊進行升級更替;在整個學習過程中，學生所經歷的超市收銀原型設計、升級更新需求、編寫無人收銀模塊、調試完善、評價交流等過程，也是運用計算機科學領域的思想方法形成問題解決方案的過程。

數字化學習與創新：學生在學習過程中將使用到模塊化編程中的機器學習模塊、攝像頭等工具，教師也提供了一些無人超市、機器學習的視頻資源，供學生自主學習時選擇使用。

信息社會責任：無人超市是信息技術創新所產生的新觀念和新事物，但在其使用過程中也帶來了一些公共規范和安全問題，在項目實施過程中，學生對此進行了交流與思考。

● 核心內容的教學實施

1.前期準備

在項目的第1、2課時中，學生學習了模塊化編程軟件中的循環與分支，并設計了一個簡單的傳統超市收銀系統程序，程序界面和部分代碼如圖1所示。

在這個傳統的收銀系統中，使用者通過點擊相應的物品，就可以獲知單品的價格，當完成單品價格輸入后，就會自動計算出總價，并出示一張二維碼圖片，作為模擬的付款二維碼。

在第3課時前，教師請學生利用雙休日參觀身邊的無人超市，并在課中通過播放視頻和分析討論，讓學生理解要實現超市的無人化升級改造，核心是要使用人工智能的圖像識別功能完成對貨品的自動識別，從而替代原有手動輸入貨物名稱獲得價格的過程。

2.運用圖像識別

在第4課時中，教師為每組學生都準備了4個物品（香蕉、蘋果、茄子和黃瓜），并提供了如何使用計算機攝像頭和機器學習擴展模塊進行圖像識別訓練的微視頻，要求每組學生任意選擇3個物品的圖像錄入。

當圖像數據錄入完成后，教師讓學生任選一個物品進行檢測，學生會發現計算機對識別的物品都會顯示一個概率值，如學生錄入了香蕉、蘋果、茄子三個物品，選擇茄子進行識別，則與已經錄入的茄子相符概率最高，一般在70%以上，與香蕉相符概率其次，在30%左右，而與蘋果相符概率最低，基本為0;此時，教師要求學生對沒有被錄入的黃瓜進行識別，學生發現其與香蕉相符概率最高，可到達60%左右，其次是茄子，一般在40%左右，而識別為蘋果的概率為0。通過這個環節，不少學生已經猜測到概率值就是人工智能通過圖像識別計算出某種物品的概率，學生也初步建立起兩個觀點：一是人工智能的圖像識別并不是完全100%確定某一物品是什么，而是與已經錄入的物品進行對比，生成一個可能是某種物品的概率，概率數值越高，則越有可能是某種物品;二是被識別物品的概率值與錄入時的形狀、顏色等特征有關，如香蕉、茄子、黃瓜在形狀上都是長條的，而蘋果是圓形的，因此黃瓜基本不可能被判斷為蘋果，但黃瓜的形狀和顏色與香蕉更近似，因此判定為香蕉的概率略高于茄子。

在學生有了初步認識后，教師展示傳統機器學習背后的決策樹原理，從原理層面解答學生的疑問。

在完成了物品錄入后，教師要求學生通過修改程序腳本，將原有收銀系統中的手動輸入計價升級為通過圖像識別后自動報價。部分程序代碼和識別窗口如圖2所示。

在完成程序修改升級后，學生小組進行調試，使用編寫的程序分別識別蘋果、香蕉、茄子，完成價格的累加，最后輸出總價。通過這個活動，學生理解了并不是程序能識別出所有物品，而是需要將超市中所有的物品都通過圖像識別錄入到程序中并通過模型訓練，才能夠讓計算機有能力識別出對應的物品。

在此基礎上，學生進一步調整改進系統，增加了黃瓜的圖像錄入，從而實現了對四個物品的正確識別與總價計算，也進一步鞏固了之前學習的知識與技能。還有的學生嘗試將身邊的文具，如尺、本子等通過圖像識別錄入程序，進一步豐富了無人超市程序中的貨物。

3.理解機器學習

在第5課時中，教師指導學生小組之間互相使用對方的程序識別物品進行結賬，學生發現有些小組的識別率整體較低。教師提問：同樣的四個物品，同樣的程序，為什么不同小組的圖像識別概率有所不同？在現有條件下如何有效提升圖象識別的正確率？

學生圍繞問題開展研究，在對最初錄入的圖像數據進行分析后他們發現，識別率低的小組在固定物品錄入時錄入的物品圖像往往存在一定缺陷，如角度單一、圖像內有學生肢體等其他干擾元素。通過討論，學生重新對物品進行了圖像識別錄入，在錄入過程中，學生思考了各種方法，如在識別物品的后面放上一張A4紙、對物品的各個角度均進行錄入，甚至用雙面膠將物品粘在A4紙上識別從而減少手對圖像錄入的影響……通過實踐，學生明白了人工智能是需要訓練的，物品錄入的圖像樣本越多越豐富，錄入時的圖像越清晰、干擾越少，后續程序的識別成功概率就越高。在此基礎上，教師提出了機器學習的概念以及機器學習的過程，并將學生實踐的過程與機器學習的步驟進行對比。

4.完善與思考

在理解機器學習的原理后，學生小組的改進與完善更有針對性，最終實現了無人超市的升級。在展示與交流中，有的學生提出，在圖像識別過程中要注意自己的人臉信息被采集;有的學生提出，茄子還有圓形的，需要增加茄子的圖像模型;還有的學生提出，真正的無人超市在識別物品使用的是條形碼或二維碼，是否需要增加編碼功能。這些都體現出本項目實施中對學生的信息意識和信息社會責任的培養。

● 結束語

人工智能進入義務教育信息科技課程已是必然趨勢，教師必須在教學設計中針對學生特點，對相關的概念、原理，使用的平臺工具等進行“降維”設計，將日常生活中的人工智能應用轉化為課堂中能夠實施的項目，通過學生熟悉的真實情境，將項目線和知識線有機結合，才能使學生逐步從感性的直觀經驗走向理性的人工智能、抽象概念建構，真正理解人工智能的概念與原理，達到知其然又知其所以然的目的。

參考文獻：

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