《人工智能之視覺技術(shù)應(yīng)用》教學(xué)案例

陳寶杰

課程核心素養(yǎng)目標(biāo)

①親身經(jīng)歷項目制作的過程，能夠確立項目需求、厘清項目開發(fā)流程，能夠?qū)栴}分解并逐個突破，能夠靈活地解決問題。（計算思維）

②能夠認(rèn)識字典與列表的嵌套結(jié)構(gòu)，能夠根據(jù)需求對數(shù)據(jù)進行分析并提取出重要的信息。（信息意識）

③能夠使用OpenCV、requests等第三方庫，擴展Python的功能。能夠借助第三方庫的強大功能實現(xiàn)功能的開發(fā)。（數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新）

④在開發(fā)的過程中能夠聯(lián)系生活實際，了解開發(fā)作品的現(xiàn)實意義，產(chǎn)生應(yīng)用信息技術(shù)改變生活、創(chuàng)造生活的自豪感，并產(chǎn)生在信息社會中的個人責(zé)任感、使命感。（信息社會責(zé)任）

學(xué)業(yè)要求

①會閱讀開發(fā)文檔，掌握API調(diào)用的方法，并能夠根據(jù)需求進行平臺的接口調(diào)用。

②綜合運用列表、字典以及程序的三大結(jié)構(gòu)等進行項目的開發(fā)。

③借助OpenCV第三方庫實現(xiàn)視覺技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。

教學(xué)內(nèi)容分析

本課是人教版高一信息技術(shù)必修教材《數(shù)據(jù)與計算》中第四章“走進智能時代”的內(nèi)容。本單元以“視覺技術(shù)應(yīng)用”為主題開展5個課時的活動，使學(xué)生了解人工智能中的主要視覺技術(shù)，如圖像識別、人臉識別、人體識別等技術(shù)，了解其在生活中的相關(guān)應(yīng)用，感受視覺技術(shù)在生活中的應(yīng)用以及對生活產(chǎn)生的積極影響。本課時是單元教學(xué)設(shè)計中的第4課時，學(xué)生親身經(jīng)歷智能工具的開發(fā)過程，通過項目的制作體驗視覺技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。在項目的制作過程中掌握API的調(diào)用方法，并能夠結(jié)合OpenCV實現(xiàn)圖像技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。

學(xué)情分析

學(xué)生在先前的學(xué)習(xí)中掌握了程序的三大結(jié)構(gòu)順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)、for循環(huán)結(jié)構(gòu)，能夠編寫簡單的程序。認(rèn)識了列表、字典等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，會簡單提取列表、字典中的值。有簡單項目開發(fā)的經(jīng)驗，但對于綜合運用的程序還無法駕馭，代碼的靈活使用能力需加強。學(xué)生對人工智能充滿興趣，對視覺應(yīng)用主題比較關(guān)注，愿意進行進一步的挖掘和學(xué)習(xí)。

教學(xué)難點

靈活應(yīng)用API調(diào)用開發(fā)視覺應(yīng)用的項目。

教學(xué)策略

采用項目化學(xué)習(xí)方式，使學(xué)生明確項目需求，突破項目制作的難點，綜合利用所學(xué)的知識進行智能工具的開發(fā)。教師充分發(fā)揮引導(dǎo)作用，為學(xué)生能力的提升搭建支架，幫助學(xué)生建立成功的體驗。

教學(xué)準(zhǔn)備

多媒體網(wǎng)絡(luò)教室、申請的API Key和Secret Key、自學(xué)材料、輔助材料、導(dǎo)學(xué)案等。

教學(xué)過程

1.引入新課

師：計算機視覺技術(shù)是人工智能的一個重要領(lǐng)域。這里的“視”主要是對圖片或視頻的獲取，而“覺”就是對獲取信息的綜合處理。視覺技術(shù)在各個領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用。上節(jié)課我們一起體驗了部分人工智能平臺中的有關(guān)圖像識別、圖像處理、人體識別等在線的智能工具，這些智能工具可以幫助我們解決一些生活中的問題。本節(jié)課我們將編寫程序來實現(xiàn)個性化智能工具的開發(fā)，創(chuàng)造一個屬于我們自己的作品。

2.明確項目需求

師：我們已經(jīng)成立了三個項目組，三個項目分別為“動漫化”“口罩檢測”和“智能菜品識別”。要實現(xiàn)的功能分別為將普通人物動漫化、檢測人是否佩戴口罩、根據(jù)任何一個菜品檢測出菜品的卡路里等。

學(xué)生活動：分析并回答三個項目的本質(zhì)。“動漫化”涉及圖像特效的功能，功能類似生活中“美圖秀秀”一類的AI產(chǎn)品應(yīng)用；“口罩檢測”涉及人臉及人體的檢測功能，一般應(yīng)用于各種實時檢測的場合；“智能菜品識別”涉及圖像識別的功能，應(yīng)用如美食相機等。

設(shè)計意圖：進一步明確項目的需求，以及項目的性質(zhì)及應(yīng)用范圍。明確開發(fā)的項目與生活的聯(lián)系，明晰項目開發(fā)的價值與意義，激發(fā)項目開發(fā)的興趣。

3.項目分析

教師活動：請學(xué)生分析三個項目的共性與不同。

學(xué)生活動：經(jīng)過分析得出三個項目的共性——都是對圖片的檢測，要檢測出需要的信息，涉及很復(fù)雜的算法。但部分人工智能平臺上已經(jīng)能做到這些圖片信息的智能識別。因此，可以使用API接口調(diào)用來獲取圖片的智能識別信息。不同之處是，每個項目都要根據(jù)項目的需求提取出關(guān)鍵信息，并對信息進行開發(fā)和處理，形成適用于一定場景的個性化功能。

教師活動：播放視頻，使學(xué)生了解什么是API調(diào)用。提出問題：你用過的哪些網(wǎng)站有可能使用了API調(diào)用呢？

學(xué)生活動：回答問題，如去哪網(wǎng)買票調(diào)用了12306的接口等。

教師活動：給出API調(diào)用的過程，如圖1所示。

教師總結(jié)API調(diào)用的過程：要實現(xiàn)API的調(diào)用，首先要和開放接口的平臺進行交互，明確我們要提供的內(nèi)容，平臺返回給我們的內(nèi)容，就如我們提供菜單，由服務(wù)員傳遞給廚房，廚房返回給客戶定制的菜肴。服務(wù)員為你服務(wù)的前提是什么？那一定是你坐在這家餐廳里，獲得點菜許可。所以，在獲取服務(wù)之前要獲得訪問的憑證，它就是access_token。它的獲取方式是通過平臺創(chuàng)建應(yīng)用的API Key和Secret Key。

設(shè)計意圖：具體分析項目實現(xiàn)的過程，明確開發(fā)的思路。通過分析三個項目的共性與不同，使學(xué)生了解項目開發(fā)的流程以及實現(xiàn)開發(fā)的關(guān)鍵點即API調(diào)用。對共性的問題進行重點講解，實現(xiàn)重點內(nèi)容的突破。

4.項目開發(fā)

（1）自主學(xué)習(xí)，獲取調(diào)用結(jié)果

教師活動：提供適合學(xué)生學(xué)習(xí)風(fēng)格的自學(xué)材料，包括微課、文檔等。

學(xué)生活動：根據(jù)項目自主選擇進行學(xué)習(xí)并完成API調(diào)用，即根據(jù)教師提供的AK和SK獲取access_token，并通過access_token和本地圖片調(diào)用API獲取返回結(jié)果。

教師活動：巡視，對認(rèn)知有困難的學(xué)生進行幫助。

（2）師生互動，分析json數(shù)據(jù)提取關(guān)鍵信息

師：三個項目組都獲得json數(shù)據(jù)并賦值給了變量res，如何從數(shù)據(jù)中提取你所需要的信息呢？對于一個字典、列表嵌套的數(shù)據(jù)，如何提取出需要的元素呢？數(shù)據(jù)如上頁圖2所示。

學(xué)生活動：結(jié)合先前列表類型數(shù)據(jù)中提取元素以及字典類型數(shù)據(jù)中提取元素的方法，思考如何提取出需要的信息。

教師活動：通過電子白板的蒙層擦除效果，和學(xué)生一起分析提取出的數(shù)據(jù)，逐漸出示答案（如圖3）。

學(xué)生活動：根據(jù)教師提供的范例，明確提取方法，并思考所在項目要提取哪些元素。

（3）資料輔助，實現(xiàn)項目進一步開發(fā)

師：請同學(xué)們明確下一步的開發(fā)目標(biāo)，根據(jù)所作的規(guī)劃，繼續(xù)作品的開發(fā)。（教師提供“輔助資料”協(xié)助學(xué)生進行開發(fā)，如消耗卡路里的途徑——做家務(wù)、跑步、走路之間的換算，使用OpenCV進行圖像的顯示、拼合方法等，拼合圖片的代碼如圖4所示。

（4）功能拓展，實現(xiàn)攝像頭實時獲取圖像

師：同學(xué)們可以對項目進行改造，實現(xiàn)由本地圖片到攝像頭實時獲取圖片的轉(zhuǎn)變，使你的項目更加智能化。

學(xué)生活動：參考用OpenCV打開攝像頭的程序代碼，并對已編寫的程序進行加工，將識別本地圖片升級為打開攝像頭獲取現(xiàn)場圖片并進行識別。利用OpenCV打開攝像頭的參考程序如圖5所示。

設(shè)計意圖：學(xué)生通過三個活動即API調(diào)用、信息提取與開發(fā)、圖像實時獲取來完成整個項目的開發(fā)，利用視覺技術(shù)實現(xiàn)作品的開發(fā)。教師給學(xué)生提供了自學(xué)資源、輔助資料等幫助學(xué)生突破重難點，拓寬開發(fā)思路，并在適當(dāng)?shù)臅r候幫助學(xué)生跨越知識障礙。同時，學(xué)生要在項目實施的過程中填寫過程記錄及自我評價。

5.展示與總結(jié)

（1）展示交流

學(xué)生活動：三個項目組分別展示自己的項目代碼以及實現(xiàn)的功能。下面以三個作品進行舉例。

動漫化組——通過編寫代碼實現(xiàn)了打開攝像頭拍攝人物圖像，并能夠?qū)θ宋镞M行動漫化的處理，了解自己動漫化的樣子。

口罩識別組——編寫代碼打開攝像頭對戴口罩情況進行識別，并對沒有戴口罩的同學(xué)進行溫馨提示：請做好安全防疫，對個人和社會負(fù)責(zé)。

菜品識別組——編寫代碼打開攝像頭對菜品進行識別，由于課堂不具備條件，以打印的圖片代之。識別之后會告知用戶菜品熱量是多少，需要跑步多少公里才能消耗掉。提示人們注意飲食健康。

教師活動：對學(xué)生作品進行點評，引導(dǎo)學(xué)生進行反思和總結(jié)。

（2）師生總結(jié)

師：同學(xué)們通過自己的努力能夠開發(fā)出一個完整的作品值得表揚。對于視覺技術(shù)的利用和開發(fā)，本節(jié)課學(xué)習(xí)的知識只是冰山一角。我們還可以學(xué)習(xí)更多的知識來改造我們的生活，使我們的生活更加便利、更加智能、更加美好。

設(shè)計意圖：教師對學(xué)生的表現(xiàn)進行總結(jié)和鼓勵，提升學(xué)生的自我效能感。

教學(xué)反思

人工智能的視覺技術(shù)有很多，筆者以圖像作為切入點進行整體的單元設(shè)計。整個單元采取微觀、宏觀、應(yīng)用和評價的線路，即像素—圖像—圖像特征識別—應(yīng)用開發(fā)—應(yīng)用擴展。首先，通過調(diào)用OpenCV第三方庫的程序編寫，了解最小圖像單位像素，能夠編寫程序?qū)ο袼剡M行修改，進而了解圖像的模式等知識。其次，了解機器學(xué)習(xí)機制，了解對圖像特征的提取和識別過程。在圖像識別的基礎(chǔ)上了解圖像相關(guān)的應(yīng)用。最后，學(xué)生動手開發(fā)智能工具解決生活中的問題，并繼續(xù)了解更多視覺技術(shù)的擴展應(yīng)用。

本節(jié)課要求學(xué)生動手開發(fā)智能工具，體現(xiàn)視覺技術(shù)在生活中的應(yīng)用。學(xué)生根據(jù)自己的興趣共確立了三個項目組，分別涉及對圖像的識別、圖像的特效處理、人體特征的識別等。對于圖像的識別等結(jié)果可以借助人工智能平臺，通過API調(diào)用獲取，并對數(shù)據(jù)進行分析，提取出需要的信息進一步開發(fā)和利用。雖然三個項目功能各不相同，但調(diào)用方法是一樣的，因此，筆者將共性的問題提出來，并引導(dǎo)學(xué)生逐步掌握調(diào)用的方法，以便后續(xù)在進行其他程序開發(fā)時實現(xiàn)知識的遷移。本課以項目為引領(lǐng)，注重學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的成就感和使命感，使學(xué)生樹立起技術(shù)服務(wù)生活、技術(shù)創(chuàng)造美好生活的理念。

點? 評

《人工智能之視覺技術(shù)應(yīng)用》是以項目制作的形式開展的一節(jié)課。學(xué)生體驗項目制作的過程，并綜合運用所學(xué)知識開發(fā)出和視覺相關(guān)的應(yīng)用。這節(jié)課做到了以下幾點：

1.情境創(chuàng)設(shè)源于生活

在信息技術(shù)學(xué)科教學(xué)中要關(guān)注學(xué)生核心素養(yǎng)的養(yǎng)成，要將知識轉(zhuǎn)變?yōu)樗仞B(yǎng)和智慧。所以，在課堂中教師要注重聯(lián)系學(xué)生的生活，將學(xué)習(xí)融入到實際問題的解決中。本節(jié)課的項目主題都是學(xué)生感興趣的，也是生活中常見的，學(xué)生可以融入自己的思想進行創(chuàng)造，讓學(xué)習(xí)來源于生活又用于生活，在問題解決中提升核心素養(yǎng)。

2.項目式學(xué)習(xí)促進學(xué)生發(fā)展

項目式學(xué)習(xí)能夠?qū)崿F(xiàn)以學(xué)生為中心的發(fā)展理念，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新精神。在項目式學(xué)習(xí)的過程中，執(zhí)教教師發(fā)揮了引導(dǎo)的作用，給學(xué)生提供學(xué)習(xí)的支架，包括微課、方法引導(dǎo)、思維引領(lǐng)等。這種方式能夠讓學(xué)生有更多的主動性，在過程中也會培養(yǎng)學(xué)生的合作能力、思辨能力、交流能力等，能夠落實立德樹人的理念，促進學(xué)生的全面發(fā)展。

3.注重學(xué)生高階思維的培養(yǎng)

高階思維是指發(fā)生在較高認(rèn)知水平層次上的心智活動或認(rèn)知能力，其更強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、問題解決能力以及批判性思維能力。高階思維區(qū)別于對知識死記硬背的能力，強調(diào)理解和運用知識，并實現(xiàn)知識的遷移。本節(jié)課教師注重學(xué)生的問題解決能力，學(xué)生能夠根據(jù)項目靈活地提取和綜合運用所學(xué)知識進行作品開發(fā)。教師不僅注重方法的引導(dǎo)，為學(xué)生知識的遷移做準(zhǔn)備，更注重學(xué)生能力的培養(yǎng)和提升，在問題情境下，提升學(xué)生的問題解決能力和創(chuàng)新能力。

（點評人：北京市密云區(qū)教師研修學(xué)院 于芳）