《姿態檢測運用——趣味AI運動游戲設計》教學設計

創新整合點

①依托真實情境，緊扣新課標要求。采用微項目方式開展教學活動，從真實體驗引入課題，鏈接學生的生活體驗，從用戶需求確定姿態并訓練模型。讓學生在真實問題中經歷原理運用過程和計算思維過程，凸顯學生的主體性，提升了問題解決意識，體現出“科”與“技”并重。

②搭建交互式學習環境。使用平板和投屏功能讓學生體驗和感知AI運動游戲，激發學習動力和已有經驗；利用易加學院為學生提供學習資料和參考，實現個性化學習；在線編程環境為學生驗證和使用人工智能原理提供了極大的便利，降低了學習門檻，提升了學習效率。

③加強多學科聯系，促進學科融合。將姿態檢測技術用于運動類游戲設計不僅要求學生掌握編程和計算機視覺等技術知識，還要求他們理解人體運動學的基本原理，以便設計出既準確又能提升身體活動的游戲。教學中融合人體運動和健康知識，有助于學生認識到技術在促進健康方面的潛力，激發他們開發更多有益于身體健康的創新應用。

教材分析

本課是依據《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》中的“人工智能與智慧社會”模塊編寫的校本課程。本課知識點為“姿態檢測原理”，旨在教授學生如何使用人工智能技術來識別和分析人體的姿態，包括人體骨骼的識別、關節點的定位、運動軌跡的追蹤以及姿態分類等。為了加深學生的理解和運用，筆者引入了學生熟悉的“AI運動”主題，通過“體驗+分析+實踐”相結合的方式，確保學生能夠全面理解并掌握姿態檢測的理論和實踐技能。

學情分析

本課授課對象為小學高年級學生，這個階段的學生思維活躍，能夠進行更復雜的思考，但通常還需要具體的、直觀的信息來輔助理解。因此，教學內容需要與他們的日常經驗相聯系，使用圖像、視頻和互動元素來幫助他們理解抽象概念。在知識儲備上，高年級學生已經具備一定的編程基礎，如變量、循環、條件判斷等。此外，高年級學生也對新奇事物充滿好奇心，對科技和游戲特別感興趣。因此，可以將AI姿態檢測的教學與游戲化學習結合起來，通過設計有趣的游戲和互動活動來提高他們的學習動機。

教學目標

知識與技能目標：能夠理解姿態檢測的基本概念，如人體骨骼、關鍵點等；能夠理解姿態檢測的基本原理，包括圖像處理、特征提取等；能夠根據需求采集并訓練姿態模型；能夠編寫程序實現AI運動游戲效果。

過程與方法目標：能夠通過體驗游戲分析出AI運動的一般過程；能夠從需求出發確定預設姿態；能夠在模型訓練中分析出提升識別準確率的方法。

情感態度與價值觀目標：能夠從用戶需求出發，分析并設計有效的AI運動游戲；關注AI與社會的聯系，能夠思考出AI姿態檢測技術在生活中的更多實際用途，培養學生的創新意識。

教學環境與準備

教學環境：教學平臺（在線圖形化編程平臺）、教學設備（希沃一體機、平板、攝像頭等）、學習平臺（易加學院在線學習平臺）。

教學準備：連接攝像頭、半成品游戲作品、平板上預裝AI游戲、不同身體部位的鍛煉姿態。

教學過程

1.游戲引入

師：你們喜歡哪些運動？如果遇到下雨天怎么做運動？除了常見的運動方式，還使用過哪些設備開展運動？

（學生回答喜歡的運動，說一說下雨天做運動的方法，引出利用“AI運動軟件”進行鍛煉的方法；教師出示AI運動游戲界面喚醒學生記憶，并邀請學生上臺挑戰平板中安裝的幾款AI運動游戲）

師：AI運動類游戲不僅能讓我們的大腦得到鍛煉，還能讓我們的身體更加健康。今天，讓我們一起加入這場智能與運動的盛宴！通過設計一款AI運動類游戲，探索科技與運動的完美結合，同學們，準備好了嗎？

設計意圖：從生活中的AI運動體驗引入，聯系學生的生活經驗，降低學生的認知難度。通過挑戰現有的AI運動游戲，激發學生的學習熱情，并為后續分析AI運動的過程提供認知材料。

2.自主探究

（1）分析AI運動過程

師：在AI運動中捕捉了人體的哪些信息？當做出要求的動作后會有什么反應？

生：捕捉了人的姿態、動作；做對動作后有加分、音效等。

師：從體驗者的角度看，AI運動可以分為“攝像頭采集姿態——與預設姿態對比——給出反饋”三大步驟，其中，最關鍵的是第二步中使用的姿態檢測技術。今天，我們來一起學習姿態檢測原理，并設計一款AI運動類游戲。

現在，大家的身份是游戲開發者，對比AI運動的步驟，在開發AI運動游戲時要思考哪些問題呢？

生：姿態怎么采集？怎么預設姿態？怎么給出反饋？（如圖1）

師：接下來讓我們帶著這三個問題來開發自己的AI運動伙伴。（出示課題）

設計意圖：從體驗者的角度利用幾個關鍵問題梳理出AI運動的過程，再從游戲開發者的身份出發，分析開發AI運動游戲時要解決的問題，從而引出本課課題以及學習重點。

（2）活動1：分析客戶需求，確定預設姿態

師：小智的媽媽由于久坐，肩部、頸部和背部經常不舒服，他想開發一款AI運動應用讓媽媽進行鍛煉。如果你是小智，你會怎么做？

生：確定預設姿態，設計游戲效果。

師：從3個部位（肩部、頸部、背部）中選擇1個，并在閱讀易加學院中的資料后確定兩個合適的姿態。

生：每個小組說一說選擇的部位，并做一做選擇的姿態。

設計意圖：鼓勵學生考慮用戶體驗和社會責任，培養他們對技術倫理和社會價值的認識；通過讓學生為小智的媽媽設計一款AI運動應用，激發學生對人工智能技術的興趣；將編程、人體工程學和健康知識相結合，培養學生的創新思維和問題解決能力。

（3）活動2：訓練姿態模型

師：當選擇好姿態后，要識別出用戶的姿態，還需要訓練姿態模型。同學們還記得模型訓練的過程嗎？

生：采集姿態數據，然后通過訓練生成模型。

師：請大家打開“AI訓練工具”，采集姿態數據。要注意修改姿態的名稱，當模型訓練好后，兩個人輪流驗證識別效果。

（展示多個小組的模型，查看識別準確度）在采集姿態數據時，數量取多少張合適？訓練模型時人與攝像頭的距離和使用模型時人與攝像頭的距離是否要保持一致呢？

生：數量在40張左右。如果距離不一致會影響識別效果。或者在采集時拍攝多種距離的照片，這樣在后面使用模型時可以提升準確率。

師：請大家繼續優化采集的數據，提升識別的準確率。

設計意圖：通過實踐操作，理解和掌握進行模型訓練的方法。在實踐后進行小組展示，發現問題并總結出采集數據的注意事項。

（4）揭示姿態檢測原理

師：在采集姿態樣本時，身體上會出現什么（如圖2）？

生：出現了藍色的點。

師：在身體哪些地方會出現點呢？

生：有關節的地方都會出現點。

師：大家能從中總結出姿態檢測的關鍵嗎？

生：識別到人體的關節點，并把點連接成線。當做不同的動作時，多條線會組成不同的姿態。

師：看來同學們已經體會到了姿態檢測的關鍵技術。其實，AI運動就是采用攝像頭動態采集人體骨骼點與運動姿勢，基于這些關鍵點信息，連點成線，連線形成動作。然后通過姿態匹配，實現動作計數或給出狀態反饋。其中用到了數據采集和預處理、特征提取、機器學習等技術，平臺中已經封裝了這些功能，大家在理解的基礎上運用即可。

設計意圖：通過展示采集到的姿態樣本圖片，引導學生觀察并發現人體關節點的標記，從而總結出姿態檢測的基本過程。通過這種互動式教學，讓學生通過直觀體驗和實際操作來理解姿態檢測技術的原理。

3.動手實踐

（1）明確游戲效果

師：按照AI運動游戲開發流程，還需要設計具有趣味性的游戲效果。大家有什么想法？

生：當做了要求的動作后，游戲人物可以移動，還可以加分；游戲人物可以與其他角色互動，做對可以靠近目標；增加計時效果、音效等。

師：老師給大家準備了一個游戲效果，請大家打開半成品文件，觀察游戲界面（如圖3），猜一猜可能的效果。

生：通過姿態控制兔子移動，如果碰到水果則加1分。

師：同學們已經基本猜測到了玩法，再來明確一下。①兔子可以根據不同姿態進行移動，如頭左偏向左移動、頭右偏向右移動。②碰到水果加1分，水果重新出現在其他位置。③限時30秒。

設計意圖：在游戲效果設計環節，鼓勵學生思考如何通過姿態控制游戲角色，以及如何通過互動和獎勵機制增加游戲的吸引力，旨在提高學生的參與度和學習動力，鍛煉他們的創新思維和問題解決能力。通過打開半成品文件并觀察游戲界面，學生能夠直觀地理解游戲的基本玩法和邏輯，有助于他們進一步思考如何優化和創新游戲效果。

（2）活動3：使用模型，實現姿態對比

師：我們先通過流程圖來梳理思路（結合學生回答出示如圖4所示的流程圖）。首先，加載訓練好的模型，并不斷對每幀的姿態進行預測。接下來會預測出幾種結果呢？

生：會有兩種結果。如果做出了第1個動作，兔子往左走，做出另一個動作則往右走。

師：請打開“兔子”角色的程序，將分散的程序按照流程圖進行組合。

學生展示游戲效果，做不同的動作，觀察兔子是否能夠左右移動。教師解決學生遇到的問題，如在對比姿態時要確保程序中的名稱和“模型”中的分類名稱一致。

設計意圖：通過流程圖梳理程序邏輯，學生能夠清晰理解模型加載、姿態預測以及動作控制的完整過程。在實踐活動中強調程序代碼與功能實現之間的直接聯系，同時讓學生認識到關注細節、精確命名的重要性。

4.拓展與小結

師：游戲還可以繼續改進嗎？怎么能更加有趣呢？

生：兔子的速度能夠根據動作的幅度變化、添加碰到水果的音效、增加姿態的種類、豐富兔子的動作……

師：大家思考一下，今天用到的姿態檢測技術還可以運用在哪些地方呢？

生：可以開發訓練軟件供運動員使用；在醫院中可以用作姿態矯正；寫作業時糾正坐姿；用在駕駛艙中檢測司機的駕駛狀態；可以用在家居中，如揮手可以開燈……

師：今天，我們一起體驗了AI游戲，并探索了AI游戲開發的過程和姿態檢測的原理。技術是不斷進步的，AI游戲開發領域也不例外。請保持好奇心，繼續學習，期待大家創造更加智能和引人入勝的游戲體驗。

設計意圖：通過討論游戲改進的方法，理解通過調整參數和增加感官效果來增強用戶體驗。同時，引導學生思考姿態檢測技術在不同場景中的應用潛力，拓寬他們的技術視野。

教學反思

1.立足真實問題，促進原理理解

姿態檢測技術能夠識別和理解圖像或視頻中人體的各種姿勢和動作，其中涉及關鍵點檢測、深度學習算法、大量的數據訓練等知識，這對小學高年級學生來說，難以直接理解和運用。因此，在設計教學活動時，筆者結合姿態檢測的應用情境，選擇貼近學生生活的“運動”主題。在選定主題后，通過體驗幾款AI游戲，讓學生厘清AI運動的基本過程。然后，設計了真實的問題，以“媽媽”的口吻提出問題，調動學生的積極性，并通過三個活動不斷解決關鍵問題，幫助學生更好地理解和運用姿態檢測原理。

2.明確關鍵問題，厘清開發思路

通過體驗者和開發者的兩個角色，讓學生分析AI游戲設計的三個關鍵問題：姿態采集、預設姿態的設定、反饋機制的設計。本課的開發過程即是解決這三個問題的過程。學生會利用攝像頭捕捉人體動作，了解數據收集的重要性和相關要領。預設姿態的設定環節要求學生思考如何根據運動目標設計合理的動作模型。最后，在反饋機制的設計中，學生需要考慮如何通過視覺和聽覺效果有效地激勵用戶，這不僅涉及編程技能，還包括用戶體驗設計的知識。

3.巧設學習支架，達成學習目標

本課為達成學習目標，設計了教學支架，分別是半成品程序和流程圖。首先，本課的游戲從整體上看不復雜，但是考慮到學習重點和難點，沒有讓學生從頭開始編寫程序，而是將學習重點放在姿態檢測功能的實現上，從而促成了教學目標的達成。其次，本課游戲設計的難點位于第三個活動中，因此，先讓學生分析流程圖的內容，并強調條件的表達，讓學生明白程序中的動作名稱要與模型中的動作名稱保持一致，從而化解了編程難度，促成了難點知識的理解。