人工智能課程項(xiàng)目式教學(xué)設(shè)計(jì)流程探究

梁平

【摘要】本文基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論、發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)理論和創(chuàng)新教學(xué)方式，論述人工智能課程項(xiàng)目式教學(xué)設(shè)計(jì)框架流程，即基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，根據(jù)學(xué)情教情、教學(xué)資源、教學(xué)目標(biāo)確定課題的項(xiàng)目；根據(jù)發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)理論，通過小組探究和調(diào)研，確定小組項(xiàng)目方案；通過創(chuàng)新教學(xué)方式，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷原理運(yùn)用過程、計(jì)算思維過程和數(shù)字化工具應(yīng)用過程，學(xué)習(xí)新知等，旨在提高課堂教學(xué)質(zhì)量，提升學(xué)生的計(jì)算思維核心素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】人工智能 項(xiàng)目式教學(xué)法 教學(xué)設(shè)計(jì)

【中圖分類號(hào)】G63 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2023）23-0113-04

目前人工智能教育主要依托信息科技課程、機(jī)器人相關(guān)課程，這些課程的性質(zhì)大多是拓展課程、選修模塊，學(xué)生的學(xué)習(xí)是間斷性、短暫的，學(xué)習(xí)內(nèi)容往往是碎片化的，不利于學(xué)生思維能力的發(fā)展，也不利于學(xué)生計(jì)算思維核心素養(yǎng)的提升。人工智能作為一門獨(dú)立的學(xué)科，通過項(xiàng)目式教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生理解、掌握人工智能技術(shù)解決問題的思路和方法，并靈活運(yùn)用在實(shí)際生活和學(xué)習(xí)中，可以提升學(xué)生解決問題的能力，培養(yǎng)他們的數(shù)字化能力與創(chuàng)新能力，讓學(xué)生在編程操作中進(jìn)一步理解人工智能技術(shù)原理，發(fā)展計(jì)算思維核心素養(yǎng)。

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，教學(xué)要以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)知識(shí)的主動(dòng)探索和主動(dòng)發(fā)現(xiàn)，以及對(duì)所學(xué)知識(shí)意義的主動(dòng)建構(gòu)。項(xiàng)目式教學(xué)法是指師生通過共同實(shí)施一個(gè)完整的、真實(shí)的項(xiàng)目而進(jìn)行的教學(xué)活動(dòng)，它是建立在建構(gòu)主義和情景學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)上體現(xiàn)行動(dòng)導(dǎo)向教育理念的教學(xué)方法。項(xiàng)目式教學(xué)將以傳授知識(shí)為主的傳統(tǒng)教學(xué)方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐酝瓿身?xiàng)目、職業(yè)體驗(yàn)和解決問題為主的多維互動(dòng)式教學(xué)方式，其顯著特點(diǎn)是“以項(xiàng)目為主線、教師為引導(dǎo)、學(xué)生為主體”，改變了以往“教師講，學(xué)生聽”的被動(dòng)教學(xué)模式，打造了學(xué)生主動(dòng)參與、自主協(xié)作、探索創(chuàng)新的新型教學(xué)模式。在項(xiàng)目式教學(xué)中，學(xué)生通過完成項(xiàng)目的過程反復(fù)學(xué)習(xí)，培養(yǎng)自身的創(chuàng)新能力、二次研發(fā)能力，從而達(dá)到技能的熟練操作和應(yīng)用。顯然，基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論和項(xiàng)目式教學(xué)的特點(diǎn)，項(xiàng)目式教學(xué)法很好地契合了信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)的總目標(biāo)“樹立正確價(jià)值觀，形成信息意識(shí)；初步具備解決問題的能力，發(fā)展計(jì)算思維；提高數(shù)字化合作與探究能力，發(fā)揚(yáng)創(chuàng)新精神；遵守信息社會(huì)法律法規(guī)，踐行信息社會(huì)責(zé)任”。

一、課題項(xiàng)目的確定

開展項(xiàng)目式教學(xué)的第一步是確定課題項(xiàng)目。課題項(xiàng)目的確定要基于以下幾點(diǎn)。一是學(xué)情分析。確定教學(xué)目標(biāo)前，教師要了解學(xué)生的已有知識(shí)、學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)習(xí)慣、年齡特點(diǎn)等。二是現(xiàn)有教學(xué)資源分析，如教學(xué)硬件和軟件等。三是教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)，即圍繞信息技術(shù)的四個(gè)核心素養(yǎng)確定教學(xué)目標(biāo)。如在《計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)》教學(xué)中，筆者基于以下幾點(diǎn)確定項(xiàng)目，讓學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)逐步形成人工智能時(shí)代必備的品格和關(guān)鍵能力。

（一）學(xué)情分析。中學(xué)生獨(dú)立意識(shí)增強(qiáng)，表現(xiàn)欲望增強(qiáng)，渴望得到師長的關(guān)心和理解，但也容易因遭受挫折而產(chǎn)生畏難情緒，此階段的學(xué)生已學(xué)習(xí)了人工智能的發(fā)展與應(yīng)用、大數(shù)據(jù)技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，能熟練運(yùn)用暢言智AI平臺(tái)下的AI圖形化編程工具編寫稍復(fù)雜的程序，有動(dòng)手實(shí)踐的愿望。

（二）現(xiàn)有教學(xué)資源。科大訊飛暢言智AI平臺(tái)、帶攝像頭的電腦。

（三）設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)。

1.信息意識(shí)目標(biāo)：①感受計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)給人們帶來的便利；②能列舉計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的主要應(yīng)用場(chǎng)景；③了解計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的發(fā)展。

2.計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力目標(biāo)：①知道計(jì)算機(jī)視覺中圖像的形成和工作流程；②知道計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的原理；③在實(shí)踐活動(dòng)中，能選擇恰當(dāng)?shù)腁I技術(shù)，創(chuàng)作基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的智能作品，體驗(yàn)人臉驗(yàn)證和檢索的區(qū)別，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的遷移和創(chuàng)新。

3.科學(xué)思維目標(biāo)：在探究活動(dòng)中設(shè)計(jì)對(duì)照實(shí)驗(yàn)，通過采集人臉圖像，設(shè)計(jì)表格記錄數(shù)據(jù)，分析得出結(jié)論并評(píng)估，理解影響人臉識(shí)別效果的因素，深化原理認(rèn)知。

4.信息意識(shí)、信息社會(huì)責(zé)任目標(biāo)：討論計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的安全性，能想出防御多類攻擊的技術(shù)手段或策略。

二、小組項(xiàng)目方案的確定

發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)理論是指學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，通過自主閱讀和積極思考，自主發(fā)現(xiàn)和掌握新知識(shí)的一種學(xué)習(xí)理論，包括在學(xué)習(xí)中發(fā)現(xiàn)和在發(fā)現(xiàn)中學(xué)習(xí)。基于發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)理論，教師讓學(xué)生兩人一組進(jìn)行討論，利用圖形化編程工具，設(shè)計(jì)基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的服務(wù)機(jī)器人。學(xué)生先在真實(shí)情境中發(fā)現(xiàn)問題，通過小組合作的方式自主探究學(xué)習(xí)，完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)的初步方案；然后到講臺(tái)上闡述本小組設(shè)計(jì)的項(xiàng)目方案，希望能解決現(xiàn)實(shí)中存在的問題及要達(dá)成的項(xiàng)目目標(biāo)；接著其他同學(xué)可以提出疑問或者建議，師生一起分析方案的優(yōu)缺點(diǎn)，正確評(píng)價(jià)各小組的方案，小組再根據(jù)評(píng)價(jià)，修改完善方案，確定設(shè)計(jì)項(xiàng)目的最終方案。

教學(xué)過程如下。

（一）體驗(yàn)垃圾分類。教師打開微信小程序“垃圾分類”，和學(xué)生一起玩垃圾分類小游戲。這個(gè)過程讓學(xué)生切身體驗(yàn)計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生在“樂中學(xué)”。

（二）提出問題。你身邊還有哪些產(chǎn)品是計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的應(yīng)用？

（三）引導(dǎo)學(xué)生思考。①計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)可以應(yīng)用在什么場(chǎng)景中？②你希望利用什么計(jì)算機(jī)視角技術(shù)實(shí)現(xiàn)什么功能？

教師引導(dǎo)學(xué)生上網(wǎng)查閱資料，進(jìn)行分組選題，分別從智能安全、智能交通、工業(yè)生產(chǎn)、游戲娛樂、體育運(yùn)動(dòng)、醫(yī)療等方面進(jìn)行調(diào)研，知道在哪些場(chǎng)景中運(yùn)用了計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，解決了什么問題，以及有哪些安全隱患（如表1所示）。

（四）分享調(diào)研結(jié)果。各小組通過分享調(diào)研結(jié)果，學(xué)生辯證分析計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的安全性，討論目前存在的風(fēng)險(xiǎn)和相關(guān)防范技術(shù)。

（五）教師總結(jié)。教師和學(xué)生一起總結(jié)目前計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)存在的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、隱私問題、防御措施和相關(guān)法律法規(guī)。然后與學(xué)生一起解讀《個(gè)人信息保護(hù)法》第二十六條條款：在公共場(chǎng)所安裝圖像采集、個(gè)人身份識(shí)別設(shè)備，應(yīng)當(dāng)為維護(hù)公共安全所必需，遵守國家有關(guān)規(guī)定，并設(shè)置顯著的提示標(biāo)識(shí)。所收集的個(gè)人圖像、身份識(shí)別信息只能用于維護(hù)公共安全，不得用于其他（取得個(gè)人單獨(dú)同意的除外）。通過解讀條款讓學(xué)生養(yǎng)成風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知，增強(qiáng)安全意識(shí)和法律意識(shí)，維護(hù)個(gè)人和他人隱私；學(xué)生正確認(rèn)識(shí)人臉識(shí)別技術(shù)對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生的影響，形成積極的態(tài)度和正確的價(jià)值觀。

（六）確定主題。各小組從項(xiàng)目主題的背景、項(xiàng)目主題的目的、項(xiàng)目主題的意義等三方面確定本小組設(shè)計(jì)項(xiàng)目的主題。

三、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的學(xué)習(xí)流程

教師通過創(chuàng)新教學(xué)方式，以真實(shí)問題或項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)學(xué)生經(jīng)歷原理運(yùn)用過程、計(jì)算思維過程和數(shù)字化工具應(yīng)用過程，并通過建構(gòu)完善的知識(shí)體系，提升學(xué)生的問題解決能力。在這一過程中，教師應(yīng)注重真實(shí)情境的創(chuàng)設(shè)，引入多元化數(shù)字資源，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度，并支持學(xué)生在數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境下進(jìn)行自我規(guī)劃、自我管理和自我評(píng)價(jià)，鼓勵(lì)“做中學(xué)”“用中學(xué)”“創(chuàng)中學(xué)”，凸顯學(xué)生的主體性。

小組成員根據(jù)設(shè)計(jì)的項(xiàng)目方案展開討論，分析需要用到的人工智能技術(shù)。教師要引導(dǎo)學(xué)生通過利用已有的教學(xué)資源發(fā)現(xiàn)問題，理解人類視覺和計(jì)算機(jī)視覺的形成過程；通過實(shí)驗(yàn)探究，理解計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的工作原理，并體驗(yàn)計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的工作流程，加深對(duì)核心概念特征提取和特征模型的理解，進(jìn)而解決難點(diǎn)，突破重點(diǎn)。

教學(xué)設(shè)計(jì)流程如下。

（一）通過分析人類視覺的形成過程（物體→眼睛→大腦），對(duì)比得出計(jì)算機(jī)視覺的形成過程（物體→攝像頭→計(jì)算機(jī)）。

（二）了解計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的工作流程及影響計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)識(shí)別效果的因素。

1.學(xué)生通過登錄暢言智AI平臺(tái)，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)中心，選擇“驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)”下的“認(rèn)識(shí)圖像”實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)了解在計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像檢測(cè)、分類等一系列應(yīng)用之前，首先需要將圖像數(shù)字化，并根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景提取相應(yīng)特征。

2.學(xué)生接著選擇“驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)”下的“圖像分類應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)，理解圖像分類是指計(jì)算機(jī)接收到輸入的圖像后，輸出對(duì)圖像內(nèi)容分類的描述。圖像分類的依據(jù)是圖像的特征，包括顏色、紋理和形狀等。圖像分類屬于模型識(shí)別，即按照事物的特征將物體分為不同的類型，一個(gè)類型即為一個(gè)模型。

3.鼓勵(lì)學(xué)生努力學(xué)習(xí)，深入探索，攻克難題。在“圖像分類應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行自主探究視覺識(shí)別的影響因素。暢言智能AI平臺(tái)實(shí)驗(yàn)中心提供了視覺技術(shù)中的“人臉識(shí)別”技術(shù)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可以通過驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，了解哪些因素會(huì)影響識(shí)別效果。教師提問：“哪些因素會(huì)影響計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的識(shí)別效果？”學(xué)生通過猜想—假設(shè)—設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)—分析論證—評(píng)估交流等，總結(jié)出影響因素——光照、遮擋、表情、角度、距離、背景。學(xué)生選取影響因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，驗(yàn)證猜想，并分析原因。如，其中一組學(xué)生選擇“角度”對(duì)人臉識(shí)別效果的影響，進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)“偏轉(zhuǎn)角度對(duì)物體識(shí)別效果的影響結(jié)果為人臉匹配的相似度隨偏差角度的增大而減小”（如表2所示）。

（三）通過登錄暢言智能AI的“實(shí)驗(yàn)中心→感知實(shí)驗(yàn)→視覺技術(shù)原理”，幫助學(xué)生理解視覺技術(shù)原理為采集圖像→提取特征→模型訓(xùn)練→模型輸出。

（四）引導(dǎo)學(xué)生對(duì)智能檢票系統(tǒng)進(jìn)行分析。

教師介紹工作流程，讓學(xué)生嘗試用自然語言描述智能檢票的識(shí)別過程；講解流程圖繪制方法，包含框圖的分類和使用、框圖的布局等；引導(dǎo)學(xué)生將自然語言轉(zhuǎn)換為流程圖，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到人工智能的核心是特征提取和特征模型；通過分析智能檢票系統(tǒng)的工作流程，進(jìn)一步幫助學(xué)生了解計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)應(yīng)用的人工智能核心是特征提取與特征模型（如圖1所示）。

（五）啟發(fā)學(xué)生思考：計(jì)算機(jī)區(qū)分不同的人臉時(shí)，提取的是人臉的什么特征？

分組探究人臉識(shí)別的過程。打開登錄暢言智能AI，通過播放實(shí)驗(yàn)中心→人臉識(shí)別的原理，了解人臉識(shí)別技術(shù)的原理，結(jié)合驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)→人臉識(shí)別，加深對(duì)人臉特征提取的理解，并體會(huì)人臉驗(yàn)證和人臉檢索的區(qū)別。最后通過歸納講解，突破重點(diǎn)——特征模型訓(xùn)練和特征模型測(cè)試與輸出的過程。

學(xué)生小組嘗試用流程圖描繪如何實(shí)現(xiàn)刷臉解鎖。人臉特征模型訓(xùn)練過程（注冊(cè)）：采集圖像→人臉檢測(cè)→特征提取→模型訓(xùn)練；人臉特征模型測(cè)試過程（驗(yàn)證）：采集圖像→人臉檢測(cè)→特征提取→模型測(cè)試→解鎖手機(jī)。

（六）通過小組合作，利用暢言智能AI平臺(tái)完成垃圾分類的圖像特征模型的訓(xùn)練和測(cè)試。

四、項(xiàng)目應(yīng)用實(shí)踐

有了前面知識(shí)的鋪墊，教師此時(shí)可讓學(xué)生將項(xiàng)目分解成小項(xiàng)目，然后進(jìn)行項(xiàng)目的應(yīng)用實(shí)踐，即設(shè)計(jì)項(xiàng)目方案→設(shè)計(jì)算法→編寫程序→調(diào)試優(yōu)化。學(xué)生在體驗(yàn)計(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用、了解計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的原理后，完成垃圾分類機(jī)器人的模型訓(xùn)練，學(xué)習(xí)并掌握?qǐng)D形化編程中與計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)相關(guān)的AI技能模塊（文字識(shí)別、物體識(shí)別、人臉識(shí)別），同時(shí)進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐探索。例如，學(xué)生小組在探索項(xiàng)目“自動(dòng)售貨機(jī)器人的開發(fā)”時(shí)，提出以下問題：①商品可以選擇物體識(shí)別或語音識(shí)別，如何選擇？②識(shí)別前需要訓(xùn)練模型嗎？③如何實(shí)現(xiàn)價(jià)格總和？如此將思維可視化，把復(fù)雜的大問題分解為簡單的小問題，通過解決各個(gè)小問題，實(shí)現(xiàn)整體問題的解決。學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐，小組合作探究，對(duì)問題進(jìn)行抽象建模，設(shè)計(jì)算法，形成解決方案，訓(xùn)練計(jì)算思維。教師巡堂指導(dǎo)，幫助學(xué)生解決小組合作過程中的疑問，并及時(shí)對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新點(diǎn)給予肯定和獎(jiǎng)勵(lì)。

五、總結(jié)、評(píng)價(jià)

教師組織學(xué)生進(jìn)行成果交流，由學(xué)生分享設(shè)計(jì)思路、展示作品，其他同學(xué)進(jìn)行交流發(fā)言，暢談體驗(yàn)感受。最后，教師總結(jié)發(fā)言，引導(dǎo)學(xué)生突破難點(diǎn)，讓學(xué)生在思維碰撞中體驗(yàn)成功的喜悅。

筆者根據(jù)項(xiàng)目主題的選擇、程序的實(shí)現(xiàn)和實(shí)踐過程等三個(gè)方面設(shè)計(jì)了活動(dòng)評(píng)價(jià)表（如表3所示），對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

總之，在人工智能課程教學(xué)中采用項(xiàng)目式教學(xué)，以培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)為目標(biāo)，力求將人工智能的發(fā)展、技術(shù)理論、應(yīng)用成果以生動(dòng)的形態(tài)展現(xiàn)在學(xué)生面前，通過平臺(tái)實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生理解人工智能技術(shù)的原理，讓學(xué)生學(xué)會(huì)創(chuàng)造性地運(yùn)用人工智能技術(shù)解決生活實(shí)踐問題，形成科學(xué)的認(rèn)知，掌握必備的倫理原則，從而高效地使用人工智能技術(shù)。

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