Scratch人體姿態(tài)識別課程設計

主講人：于洪海

于洪海

高級教師，北京市昌平區(qū)城北小學教育集團教導處副主任，連續(xù)多年被評為昌平區(qū)學科帶頭人，承擔的北京市“十三五”教育技術課題已結題，北京市“十四五”教育規(guī)劃課題“集團化辦學背景下雙師課堂教學模式構建與實踐研究”處于開題研究階段，多次參與國家級、市區(qū)級課題研究，近五年承擔區(qū)級以上評優(yōu)課25節(jié)，13篇論文獲市區(qū)級獎勵，多篇論文在國家CN類刊物上發(fā)表。

項目背景

教育部印發(fā)的《義務教育課程方案和課程標準（2022年版）》要求強化學科探究和跨學科實踐，積極開展主題性、項目式、綜合性的教學活動。本課例通過跨學科的主題性教學活動，讓學生多角度、多維度地參與認知與實踐，培養(yǎng)他們綜合運用知識發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，更加全面、系統(tǒng)地提高核心素養(yǎng)。

課時分配

本課教學分為鍵盤、鼠標、視頻（人體姿態(tài)識別）、語音控制角色4個課時，挖掘程序編寫知識間的關聯(lián)性，整合教學知識點，讓學生圍繞控制對象這一主題性問題進行STEM課程的學習。

教學目標

知識與技能：1.結合科學學科“人體對刺激的反應”一課，了解人工智能概念及其在生活中的應用。2.學會利用Scratch人體姿態(tài)識別控制角色。

過程與方法：1.培養(yǎng)學生利用程序解決問題的信息意識，提高他們的計算思維。2.通過Scratch程序?qū)嵺`探究，體驗計算機通過人體姿態(tài)識別控制角色的過程，感受信息科技的快速發(fā)展。

情感態(tài)度與價值觀：感受信息科技給人們生活、學習帶來的便捷與智能，激發(fā)學生對程序設計的探索欲望。

教學重點與難點

教學重點：學會利用Scratch人體姿態(tài)識別控制角色。

教學難點：完成基于Scratch人體姿態(tài)識別的“潛艇大戰(zhàn)”程序設計。

教學過程

一、復習導入

師：同學們，之前我們學習過用哪些方法可以控制潛艇在海底躲避石頭？

生：鍵盤控制、鼠標控制。

師：你覺得還有哪些方法可以控制潛艇呢？（學生討論）

師：是的，我們還可以利用語音、顏色、手勢等來控制，這就需要計算機能夠識別我們的聲音、手勢、表情以及物體的顏色、氣味等。計算機的識別能力就像在模仿人類的大腦功能。之前五年級科學課第一課，我們學習過關于人體對外界的反應——人能夠通過自己的感官感知世界，那么，人體的感官有哪幾種？

生：人體的感官分為視覺、聽覺、嗅覺、味覺和觸覺。

師：計算機也可以模仿人類，擁有這五種感官的功能。計算機通過攝像頭、耳麥等設備捕獲到信息后，經(jīng)過信息處理分析并作出判斷，就可以執(zhí)行人們發(fā)出的指令，這一模擬人類的行為，我們稱為人工智能。

【設計意圖】引入跨學科小學五年級科學學科“人體對刺激的反應”一課的知識，增強學生對人工智能的理解與認識，讓學生感受到很多科學創(chuàng)造都是來源于對自然界的模擬，感覺到新技術就在我們身邊，從而激起學生愛學、樂學信息科技的欲望。

師：今天我們來學習編寫一個計算機通過攝像頭獲取信息，識別人體姿態(tài)來控制角色的程序，并基于此設計一個可以控制潛艇的程序。（板書：人體姿態(tài)識別）

二、學習新知

1.教師演示人體姿態(tài)識別——Scratch“口罩跟隨”程序，激發(fā)學生的好奇心和進一步學習的興趣。

2.教師操作演示程序編寫過程，引導學生學習程序編寫的要點，培養(yǎng)他們的計算思維。

（1）導入角色

師：我們在Scratch編程中，首先要做的就是導入角色。

（2）確定指令

師：如何讓口罩角色在舞臺上跟著鼻子來回的移動，第一步是讓它動起來，這就需要確定運動指令集。

教師在講解運動指令集的過程中讓學生討論并排除不相干指令，選擇所使用的核心指令（如圖1）。

（3）獲取位置

那些視頻識別的程序，往往需要獲取視頻中人物、物體的位置。口罩始終戴在教師的鼻子上，那計算機就需要獲取教師鼻子的位置信息。Scratch中有一個擴展指令集PoseNet，可以進行人體姿態(tài)識別。我們可利用計算機識別人體姿態(tài)來獲取鼻子的位置。

教師演示添加擴展指令集PoseNet。

（4）變量賦值

首先要確定指令。人體感知指令集共7個指令，我們先編寫一個簡單程序：單擊綠旗開始，打開攝像頭，透明度為0（也就是攝像頭是完全清晰的）。圖2為獲取面部鼻子位置的指令。教師讓學生“讀出”這條指令，并討論是否僅獲取鼻子x軸位置即可。（學生通過操作理解并獲取y軸位置）

其次要給變量賦值。鼻子位置獲取后如何控制口罩呢？即鼻子移動到任何位置，就需要將這個變化的位置值賦值給口罩，成為口罩移動的位置。（把鼻子位置x軸的值給口罩x軸，把鼻子位置y軸值給口罩y軸，這個過程我們稱為變量賦值）

教師演示程序，學生發(fā)現(xiàn)運動只發(fā)生了一次就會停止，教師此時引導出循環(huán)指令的概念（如圖3）。

3.教師出示任務：制作“口罩跟隨”程序。

【設計意圖】教師引導學生了解程序設計的思維過程，培養(yǎng)學生從“目標”實現(xiàn)到指令尋求的逆向思維過程，提升學生自我分析、判斷、選擇的能力，通過板書“程序?qū)崿F(xiàn)過程”加深學生的印象，發(fā)展學生計算思維。

三、實踐鞏固

教師布置實踐任務：人體姿態(tài)識別控制潛艇，制作“潛艇大戰(zhàn)”程序。

學生之前已經(jīng)學習了利用鍵盤、鼠標控制潛艇，將鼠標控制潛艇角色的程序更改為人體姿態(tài)識別控制（如圖4），教師巡視指導。程序?qū)崿F(xiàn)效果如圖5。

四、展示交流

學生展示人體姿態(tài)識別控制的“潛艇大戰(zhàn)”程序。學生間互評“潛艇大戰(zhàn)”程序設計的優(yōu)點和不足，最后教師再進行點評，實現(xiàn)多種評價方式相結合。

【設計意圖】調(diào)動學生學習積極性，通過展示、互評，培養(yǎng)學生分析判斷的能力。

五、課后拓展

學生可繼續(xù)更改“潛艇大戰(zhàn)”的程序設計，如利用手勢、語音控制潛艇的運動。

【設計意圖】激發(fā)學生進一步探究的欲望，有能力并且有持續(xù)深入學習想法的學生能在課下進行深入的鉆研。

實踐反思

1.強化跨學科綜合性教學實踐

本單元圍繞“角色控制”這一主題性問題，融入科學學科中“人體對刺激的反應”一課，讓學生體會到人工智能實際就是計算機模擬人類行為進行識別、判斷的過程。教師通過任務驅(qū)動教學，讓學生多角度、多維度地參與實踐，培養(yǎng)學生綜合運用知識發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

2.有目的地培養(yǎng)學生計算思維

培養(yǎng)學生自我學習和探究的能力。在程序教學中，教師以“導入角色—確定指令—獲取位置—變量賦值”四個步驟講解人體姿態(tài)識別控制角色的實現(xiàn)途徑，讓學生感受如何進行程序設計，有助于培養(yǎng)學生自我學習和探究的能力。

培養(yǎng)學生判斷、選擇指令的思維能力。教師讓學生“讀出”指令，目的是培養(yǎng)學生理解與判斷指令的能力。教師在教學選擇指令集、關鍵指令的過程中，讓學生經(jīng)歷先判斷指令集，再排除、選擇指令的過程，培養(yǎng)他們自我分析、判斷、選擇指令的能力。

專家點評

新課標要求合理優(yōu)化課程設置，開展主題性的教學活動。本課教學屬于Scratch程序編寫中強化跨學科STEM教學實踐之一。本課對角色的控制進行合理的課程安排，挖掘程序編寫知識間的關聯(lián)性，以實例進行“大單元”教學設計，優(yōu)化了課程設置，增強了課程實踐性、科學性。（北京市昌平區(qū)教師進修學校 陳軍）