基于教材分析設(shè)計深度體驗的AI課程

陸雅楠 邱奕盛

【摘 要】信息科技新課標(biāo)將“人工智能與智慧生活”設(shè)為六大主線之一，而2020浙教版教材已涉及人工智能的內(nèi)容。本文分析了該教材人工智能單元的圖像識別課時內(nèi)容，基于新課標(biāo)的要求設(shè)計了以“中草藥圖像分類”為主題的圖像識別項目式學(xué)習(xí)課程“常見中草藥圖像分類小助手”，將AI教育與傳統(tǒng)文化教育相融合，提出了一種人工智能教學(xué)活動設(shè)計新范例。

【關(guān)鍵詞】圖像分類；中草藥識別；AI課程

【中圖分類號】G434? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【論文編號】1671-7384（2023）06-011-03

“人工智能基礎(chǔ)”單元教材分析

根據(jù)2022年教育部頒布的義務(wù)教育階段信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于“人工智能與智慧生活”模塊的要求，初中階段學(xué)生應(yīng)深化人工智能原理認(rèn)識，探索利用人工智能技術(shù)解決問題的過程和方法[1]。2020年版浙江教育出版社八年級下冊教材早已涉及人工智能部分，設(shè)置了一個單元的人工智能基礎(chǔ)模塊，該單元用6節(jié)課介紹了人工智能入門相關(guān)的技術(shù)、人工智能倫理以及一節(jié)項目實踐“設(shè)計智能廚房安防系統(tǒng)”。每節(jié)課均為獨立內(nèi)容，內(nèi)容呈現(xiàn)形式為先介紹抽象概念后具體陳述任務(wù)，這樣的教材內(nèi)容安排容易導(dǎo)致教師在教學(xué)實踐中遇到一定的挑戰(zhàn)，因為學(xué)生往往無法對抽象概念形成深刻的理解[2]。

筆者具體分析了該教材的第13課“圖像識別技術(shù)”，因為圖像識別技術(shù)在日常生活中有廣泛應(yīng)用，且是人工智能技術(shù)入門的基礎(chǔ)任務(wù)之一。其前兩節(jié)介紹了圖像識別技術(shù)的概念及其應(yīng)用，第三小節(jié)講了圖像識別的過程可以分為圖像信息的獲取、預(yù)處理、特征抽取、選擇分類器并識別出圖像，并呈現(xiàn)了一張流程圖。分環(huán)節(jié)具體陳述時舉的“圖像數(shù)字化”的具體案例是二進(jìn)制表示一張黑白圖，“預(yù)處理”呈現(xiàn)的是對一張彩色熊貓圖做處理，“特征提取”給出了人臉特征提取案例和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取圖像特征的抽象流程，“分類和識別”只介紹了圖像分類的概念，最后安排的實踐任務(wù)是從網(wǎng)上搜集動植物的多張圖片，利用人工智能開放平臺進(jìn)行識別。先概念后案例最后實踐的安排雖然有條理，但是第三小節(jié)講解的流程過于抽象且給的例子比較零散、不夠系統(tǒng)，學(xué)生難以理解。

教師開展初中階段人工智能教學(xué)應(yīng)以幫助學(xué)生系統(tǒng)且科學(xué)地建立對AI的認(rèn)知和理解為目的，在教學(xué)中適當(dāng)增加互動體驗活動更有助于學(xué)生理解內(nèi)化概念和原理，體現(xiàn)學(xué)生主體地位，教師還可以通過設(shè)計活動的方式來促進(jìn)學(xué)生的積極參與[3]。如此一來，如何設(shè)計讓學(xué)生獲得更深入地學(xué)習(xí)體驗的AI課程及教學(xué)活動值得探討。教師需要考慮如何設(shè)置有效滿足學(xué)生需求的學(xué)習(xí)目標(biāo)、思考如何設(shè)計豐富多彩的實踐活動和提供適合學(xué)生的學(xué)習(xí)資源。

“中草藥智能分類”為主題的項目式學(xué)習(xí)活動設(shè)計與實施

基于以上分析，筆者對教學(xué)對象做了進(jìn)一步分析。八年級學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過認(rèn)識人工智能、語音識別等三節(jié)基礎(chǔ)課程且已對該課前兩節(jié)圖像識別和圖像識別技術(shù)的應(yīng)用場景有初步了解。筆者嘗試設(shè)計了“中草藥智能分類”為主題的項目式學(xué)習(xí)活動，選擇上海人工智能實驗室研發(fā)的XEdu（適用于中小學(xué)的AI教學(xué)開發(fā)工具）作為軟件類教學(xué)資源，引導(dǎo)學(xué)生以完成“圖像分類小助手”為主線，完成一系列豐富實踐活動，并在實踐活動中學(xué)習(xí)圖像識別技術(shù)。同時筆者結(jié)合新課標(biāo)中“人工智能與智慧社會”模塊對應(yīng)的內(nèi)容要求，進(jìn)行了4課時的教學(xué)活動設(shè)計、教學(xué)實施和反思。

學(xué)生在教師的引導(dǎo)下通過小組實踐和自主探究，達(dá)成以下目標(biāo)：（1）能從現(xiàn)實生活分類思維遷移到計算機(jī)圖像分類，使用XEdu完成中草藥圖像分類一般流程并制作簡易中草藥圖像分類小助手，初步掌握運(yùn)用人工智能技術(shù)解決真實世界問題的基本方法和技術(shù)技能；（2）能借助中小學(xué)AI開發(fā)工具和Python編程基礎(chǔ)完成數(shù)據(jù)預(yù)處理和特征提取、模型訓(xùn)練和推理，理解數(shù)據(jù)、算法以及算力對圖像分類的重要性；（3）能大膽暢想還沒有實現(xiàn)的更智能鑒別中草藥的方式，嘗試給簡易中草藥圖像分類小助手增加更多功能；（4）感受中草藥的魅力，提升對中草藥文化的學(xué)習(xí)興趣。

1.情境導(dǎo)入，明確項目目標(biāo)

教師為學(xué)生展示幾款中草藥實物及圖片，并在各組傳閱實物，引導(dǎo)學(xué)生思考如何借助信息技術(shù)獲取中草藥名稱。此時肯定有學(xué)生會想到借用現(xiàn)有技術(shù)，并聯(lián)想到圖像識別的應(yīng)用場景，如植物識別等。教師帶學(xué)生回顧“人工智能”的概念，稱贊學(xué)生們已有運(yùn)用人工智能技術(shù)解決問題的意識，組織學(xué)生借用技術(shù)探究分發(fā)的中草藥，并分享探究結(jié)果。理論上學(xué)生已經(jīng)可以快速了解中草藥的名稱和外觀，但是識別不一定準(zhǔn)確。此時教師展示教師版中草藥分類小助手，并介紹情境：學(xué)校邀請信息組開發(fā)一款能夠幫助初中生認(rèn)識中草藥的軟件，教師版目前功能比較一般，現(xiàn)在正式邀請各位同學(xué)成為軟件設(shè)計師，完成幫助初中生認(rèn)識中草藥的軟件。

2.項目分析、設(shè)計和實施

明確項目目標(biāo)的基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生分組分步完成中草藥圖像分類項目。

活動一：初步探索人眼如何識別草藥圖像

教師補(bǔ)充講解中草藥名稱和功效，簡要介紹中草藥的重要性和用途，啟發(fā)學(xué)生思考人眼如何識別中草藥，要求學(xué)生仔細(xì)觀察分發(fā)的中草藥實物，啟發(fā)學(xué)生結(jié)合已學(xué)習(xí)過的圖像識別概念自主探究人眼區(qū)分幾種草藥可參照的依據(jù)。教師展示中草藥圖像分類依據(jù)表，學(xué)生發(fā)現(xiàn)均是可以通過肉眼觀察到的內(nèi)容，可以結(jié)合植物本身，借助網(wǎng)絡(luò)搜集相關(guān)信息，豐富中草藥圖像分類依據(jù)表。學(xué)生在搜集中草藥信息的過程中亦能了解中草藥，提升對中草藥文化的興趣，并可結(jié)合科學(xué)課標(biāo)中植物本身的內(nèi)容，激發(fā)對中草藥的探索興趣。

活動二：結(jié)合圖像識別一般流程完成項目設(shè)計

教師引導(dǎo)學(xué)生寫下自己對圖像識別的理解，順勢再次展示簡易中草藥圖像分類小助手，詢問學(xué)生計算機(jī)如何完成圖像分類，引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材并查閱資料，了解圖像識別及過程，組織學(xué)生進(jìn)行交流。教師出示課件，展示計算機(jī)完成圖像識別的一般流程，引導(dǎo)學(xué)生將活動一和此流程產(chǎn)生聯(lián)動，結(jié)合實際場景為學(xué)生講解圖像分類的一般流程和對一張圖像進(jìn)行分類預(yù)測的基本步驟。學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)任務(wù)單進(jìn)行分工，規(guī)劃項目實施步驟和時間安排。活動一和活動二的聯(lián)動，使學(xué)生將抽象的概念和具體經(jīng)驗結(jié)合，加深了對圖像識別知識概念的理解，同時起到了梳理項目流程的作用。

活動三：使用XEdu完成中草藥圖像分類模型訓(xùn)練

教師引導(dǎo)學(xué)生完成準(zhǔn)備工作：訓(xùn)練中草藥圖像分類模型。教師介紹訓(xùn)練圖像分類模型的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)集和模型的選擇，為學(xué)生展示自采自制的金銀花和蒲公英數(shù)據(jù)集，分發(fā)圖像分類模型訓(xùn)練程序文件，指引學(xué)生完成批量提取HOG特征，選擇SVM算法完成圖像分類模型訓(xùn)練；簡要介紹HOG特征，分發(fā)教師版訓(xùn)練程序。學(xué)生通過實踐操作鞏固理論知識。學(xué)生使用BaseML提供的批量提取HOG特征的工具進(jìn)行訓(xùn)練數(shù)據(jù)的特征提取。提取特征后，學(xué)生開始選擇適當(dāng)?shù)臋C(jī)器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行模型訓(xùn)練。教師簡要介紹SVM算法，順勢引導(dǎo)學(xué)生在測試上進(jìn)行模型評估，學(xué)生使用模型推理的代碼進(jìn)行模型評估，并在學(xué)習(xí)任務(wù)單上記錄測試集上的準(zhǔn)確率、訓(xùn)練輪次等。教師在拓展部分說明還有更多方式完成更換其他數(shù)據(jù)集、選擇其他算法，讓學(xué)生感受人工智能技術(shù)的高速發(fā)展。

活動四：常見中草藥圖像采集和預(yù)處理

教師現(xiàn)場拍攝幾張圖片，用圖像分類小助手測試，啟發(fā)學(xué)生再收集一些圖片進(jìn)行分類和識別的驗證。此時學(xué)生能使用自己想到的各種方式去采集數(shù)據(jù)，如借助網(wǎng)絡(luò)搜索、用電腦攝像頭拍攝教師發(fā)的中草藥實物等。

教師分發(fā)圖像數(shù)字化的代碼，學(xué)生體驗二進(jìn)制表示黑底白字手寫數(shù)字圖像。在學(xué)生體驗數(shù)字化過程中，教師適時介紹圖像預(yù)處理的作用，出示課件展示圖像預(yù)處理的一般操作和方法，對圖片進(jìn)行預(yù)處理，包括裁剪、縮放、歸一化、增強(qiáng)等操作，引出借用BaseDT庫3行代碼即可完成圖像處理的方法。學(xué)生試用BaseDT庫進(jìn)行圖像預(yù)處理，調(diào)整參數(shù)，觀察輸出不同的變化結(jié)果，分組探究，并記錄在任務(wù)單上。

活動五：中草藥圖像特征提取

回顧中草藥信息分類表和肉眼識別中草藥分類的依據(jù)，教師引出特征的概念并講解特征的重要性，為學(xué)生分發(fā)特征提取的代碼，帶學(xué)生體驗單張圖片提取HOG特征、LBP特征等，觀察特征提取后的輸出結(jié)果。學(xué)生使用這些方法提取同一張圖像的特征，并觀察特征提取后的輸出結(jié)果，在學(xué)習(xí)任務(wù)單記錄不同特征提取方法的表現(xiàn)，最后與活動一時人工搜集和整理的純手工方法進(jìn)行比較，并將訓(xùn)練模型時批量提取HOG特征的操作和現(xiàn)在的單張圖片提取特征進(jìn)行對照，回顧圖像分類的一般流程。

活動六：優(yōu)化中草藥圖像分類小助手系統(tǒng)

學(xué)生編寫輸入圖片，對圖片進(jìn)行預(yù)處理、特征提取等操作，再使用活動三訓(xùn)練模型進(jìn)行推理的代碼，完成圖像分類。學(xué)生在學(xué)習(xí)任務(wù)單上記錄測試的圖片數(shù)量，識別正確數(shù)量，分析識別不正確的原因。教師給學(xué)生一個簡易的中草藥圖像分類小助手系統(tǒng)的程序，啟發(fā)學(xué)生分組分析代碼構(gòu)成和可改進(jìn)的點，學(xué)生可以在教師版的代碼基礎(chǔ)上修改和增加，讓這個系統(tǒng)具備更強(qiáng)的功能，如優(yōu)化輸入輸出交互、換成其他更準(zhǔn)確的模型等。教師適時提供必要的指導(dǎo)和建議，幫助學(xué)生更好地完成自己的項目。

3.成果展示，開展評價總結(jié)

借用班會課，教師安排小型作品交流展示會，設(shè)計作品評價表，邀請科學(xué)教師、班主任、學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)等參加交流展示會。評價表從完整性、科學(xué)性、應(yīng)用等維度進(jìn)行設(shè)計。在作品交流展示會前，學(xué)生先進(jìn)行自評，教師結(jié)合前幾個活動學(xué)生填寫的任務(wù)單進(jìn)行評價，鼓勵學(xué)生多輪優(yōu)化迭代作品，邀請學(xué)生和教師共同填寫課程學(xué)習(xí)評價表，展示會最后教師做課程總結(jié)。

教師運(yùn)用恰當(dāng)方法開展評估，為學(xué)生提供交流展示的機(jī)會，提升學(xué)生的表達(dá)能力和開源意識，注重多種評價方式結(jié)合并實施多元主體評價，起到以評促學(xué)的作用。

總結(jié)與反思

該節(jié)教材內(nèi)容雖然基礎(chǔ)且實現(xiàn)工具多，但往往因為技術(shù)性強(qiáng)使得很多教師設(shè)計教學(xué)時障礙重重，也容易成為學(xué)生學(xué)習(xí)的困難點。筆者在教學(xué)設(shè)計中使用的教學(xué)資源是多方調(diào)研后發(fā)現(xiàn)的較適合中小學(xué)人工智能教育的開發(fā)工具XEdu。XEdu從數(shù)據(jù)預(yù)處理到特征提取，從模型訓(xùn)練到模型推理，使用的代碼充分體現(xiàn)了簡潔性，便于學(xué)生理解。

筆者認(rèn)為，開展人工智能教育最重要的是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，讓學(xué)生完成一個完整的AI應(yīng)用，并能夠解決真實場景的問題，他們自己就很有成就感。有了學(xué)習(xí)熱情和探索興趣后，學(xué)生就有動力去主動研究深層理論和學(xué)習(xí)更難的技術(shù)實現(xiàn)方法，這也是我們教育工作者最愿意看到的。同時本活動結(jié)合中草藥識別主題，為活動增添一定趣味性，學(xué)生在學(xué)習(xí)AI技術(shù)的同時也感受了中草藥文化的魅力。實施過程中，筆者也發(fā)現(xiàn)其實本課程對于一部分信息素養(yǎng)薄弱的學(xué)生仍然稍顯困難，如學(xué)生對指定路徑等操作有困難或是對模型、數(shù)據(jù)等名詞毫無概念，此課程對他們?nèi)暂^有挑戰(zhàn)。因此本課程對一些信息科技教學(xué)開展步伐較小的初中學(xué)校的可復(fù)制性較低，后續(xù)筆者將總結(jié)經(jīng)驗，針對本課程設(shè)計前置知識科普和技能提升的教學(xué)活動，研發(fā)從人工智能入門到進(jìn)階的全套項目式學(xué)習(xí)課程。

參考文獻(xiàn)

陳衛(wèi)軍，項婉.“科”“技”并重的初中人工智能教學(xué)實踐——以“機(jī)中生智——AI對對聯(lián)”一課為例[J]. 中小學(xué)信息技術(shù)教育，2023（4）： 47-50.

李艷，孫丹，杜娟，魏雄鷹. 大概念視角下初中“人工智能基礎(chǔ)”單元設(shè)計及應(yīng)用策略探索[J]. 現(xiàn)代遠(yuǎn)距離教育，2021（4）： 35-47.

李曉曉，謝忠新. 初中人工智能課程逆向教學(xué)設(shè)計與實踐——以“機(jī)器學(xué)習(xí)”初始課為例[J]. 中小學(xué)信息技術(shù)教育，2022（5）： 66-70.