普丹

摘要：本文以校本教材中《基于機(jī)器學(xué)習(xí)的圖像識別》一課的教學(xué)實踐為例，結(jié)合學(xué)科核心素養(yǎng)，發(fā)掘基于真實情境的項目案例，探索在人工智能問題求解的過程中適度探究人工智能原理，發(fā)展計算思維的初中人工智能課程的教學(xué)策略。

關(guān)鍵詞：初中;人工智能;圖像識別;機(jī)器學(xué)習(xí)

中圖分類號：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 論文編號：1674-2117（2022）09-0050-02

近幾年，雖然我國大部分地區(qū)展開了人工智能教育，但有些教師常將人工智能課程與人工智能技術(shù)混為一談，課堂上只是體驗各種人工智能技術(shù)，分享各種人工智能裝備。那么，如何用符合初中生認(rèn)知規(guī)律的方式，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)身邊的人工智能技術(shù)，了解深奧的人工智能原理？如何幫助學(xué)生嘗試用人工智能技術(shù)優(yōu)化學(xué)習(xí)和生活環(huán)境？筆者在教學(xué)中不斷思考，并以《基于機(jī)器學(xué)習(xí)的圖像識別》一課為例進(jìn)行了實踐。

● 教學(xué)目標(biāo)設(shè)計

《基于機(jī)器學(xué)習(xí)的圖像識別》一課的教學(xué)對象為七年級學(xué)生，他們求知欲強，具備一定的學(xué)習(xí)能力及分析問題的能力，能夠在教師引導(dǎo)下進(jìn)行歸納總結(jié)，但認(rèn)知水平有一定差異，部分學(xué)生自制力較弱，注意力難以長時間集中。同時，學(xué)生雖然學(xué)習(xí)過圖形化編程，在生活中也體驗過人工智能軟件或產(chǎn)品，但對人工智能核心技術(shù)知之甚少，再加上數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不足，對算法理解有很大難度。鑒于此，在教學(xué)過程中，教師應(yīng)盡量把人工智能實現(xiàn)的過程可視化，并借助軟件封裝復(fù)雜算法，降低學(xué)習(xí)難度，加強個性化輔導(dǎo)。

根據(jù)信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)，參考新課標(biāo)人工智能初步模塊學(xué)業(yè)要求，結(jié)合學(xué)生實際情況，筆者設(shè)計了如下教學(xué)目標(biāo)：①觀察、體驗生活中的人工智能實例;建立圖像識別的概念，感受科技發(fā)展給生活帶來的改變;②通過猜想、討論以及軟硬結(jié)合的實驗探究活動，了解機(jī)器學(xué)習(xí)的過程;③運用圖形化編程軟件編寫程序，逐步掌握運用圖像識別技術(shù)解決實際問題的方法，樹立運用信息技術(shù)服務(wù)生活的意識;④通過對圖像識別原理及構(gòu)建分類器的過程進(jìn)行反思，思考人工智能的局限性，發(fā)展批判性思維。

● 教學(xué)資源準(zhǔn)備

筆者基于現(xiàn)有資源和學(xué)情，設(shè)計了小投入低成本的普惠型人工智能教學(xué)活動。現(xiàn)階段多款圖形化編程軟件均包含人工智能體驗?zāi)K，筆者通過使用和篩選確定一款編程軟件為載體，添加攝像頭，開展人工智能教學(xué)活動。

● 教學(xué)過程及策略應(yīng)用

在“做中學(xué)”思想的指導(dǎo)下，筆者通過創(chuàng)設(shè)真實的生活情境，設(shè)計探究實踐活動，引導(dǎo)學(xué)生自行建構(gòu)知識的意義。采用圖形化編程的方法降低程序設(shè)計門檻，分層教學(xué)，照顧到各個認(rèn)知層次的學(xué)生。

1.創(chuàng)設(shè)真實情境，培養(yǎng)信息意識

教師運用“體驗智能售貨機(jī)”短視頻，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)生活中的人工智能應(yīng)用，聚焦運用人工智能技術(shù)解決實際問題，并將智能售貨機(jī)貫穿于分析圖像識別原理、編程實現(xiàn)的整個教學(xué)過程，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的信息社會數(shù)字化勝任力。

2.運用動畫圖解的方法，解決教學(xué)重難點

本節(jié)課的學(xué)習(xí)核心為理解圖像識別原理，分為建立圖像識別概念、探究原理兩部分。

首先，教師運用動畫圖解的方式，呈現(xiàn)人類識別物品的過程，即人通過觀察尋找水果特征，再與腦海中的各種水果特征做對比，找到最接近的一類，做出判斷，輸出結(jié)果。學(xué)生結(jié)合生活經(jīng)驗，類比人類識別物品的過程，分析機(jī)器識別圖像的過程，即獲取圖像→數(shù)據(jù)表示→特征提取→分辨類別。

接著，教師圖解機(jī)器學(xué)習(xí)建立分類器進(jìn)行圖像識別的過程。計算機(jī)從大量數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)，尋找規(guī)律，提取特征，進(jìn)行分類。同樣的事物可以提取出各種不同的特征，以蘋果為例，“紅色、扁圓形、兩端有凹陷、有果柄……”均為其特征，然而“顏色”這一特征可以很好地區(qū)分蘋果和橙子，卻很難區(qū)分出紅蘋果與紅皮球，“兩端有無凹陷和果柄”這一特征則可以有效地區(qū)分二者。通過圖片直觀對比，幫助學(xué)生理清“特征”與“有效特征”的概念區(qū)別，明確特征提取的過程是提取“有效特征”。把這些有效特征聚集在一起形成一個分類器。當(dāng)有圖片輸入時，計算機(jī)就在分類器中尋找最接近的那一類，做出判斷，輸出結(jié)果。這樣，運用動畫圖解的方式直觀地分析特征提取及機(jī)器學(xué)習(xí)過程，突破教學(xué)難點。

3.采用軟件封裝復(fù)雜算法，為學(xué)生適度打開技術(shù)黑匣子

在編程軟件中，機(jī)器學(xué)習(xí)模塊僅需拍攝一定數(shù)量的圖片就能自動提取圖像特征，對圖像進(jìn)行分類。學(xué)生無需了解機(jī)器學(xué)習(xí)的復(fù)雜算法，就能理解圖像識別中提取特征和分類辨別的思想。同時，親自動手構(gòu)建分類器模型，體會特征提取和測試模型過程，不但認(rèn)識了機(jī)器學(xué)習(xí)過程，還進(jìn)一步思考了影響模型性能的因素，進(jìn)而更加深入地理解機(jī)器學(xué)習(xí)的過程。

4.圖形化編程突出人工智能問題求解的過程，發(fā)展計算思維

本節(jié)課落腳點是使用人工智能技術(shù)解決現(xiàn)實生活中的問題，編程模擬搭建智能售貨機(jī)的過程實際上就是表示和實現(xiàn)解決圖像識別問題的算法。建立好的分類器模型在所使用的編程軟件中封裝為三塊積木，教師首先解釋這些積木的用途，隨后對程序進(jìn)行簡要分析，最后學(xué)生編程模擬搭建智能售貨機(jī)。編程過程中采用圖形化編程方法，降低了程序設(shè)計語言的高門檻，營造充分的創(chuàng)造空間，讓學(xué)生在發(fā)揮創(chuàng)意的同時發(fā)展計算思維。

5.合理看待人工智能技術(shù)，樹立正確的人工智能觀

教師設(shè)計總結(jié)反思環(huán)節(jié)，通過層層設(shè)問，如你制作的智能應(yīng)用能準(zhǔn)確識別物品嗎？你制作的智能售貨機(jī)還能銷售其他商品嗎？人工智能是否具有人類智能？引發(fā)學(xué)生對現(xiàn)階段圖像識別技術(shù)的發(fā)展水平、局限性及其本質(zhì)進(jìn)行思考，啟發(fā)學(xué)生辯證地看待技術(shù)革新，理解新技術(shù)并能負(fù)責(zé)任地使用新技術(shù)解決問題，從而培養(yǎng)學(xué)生的信息社會責(zé)任。

6.低廉的裝備降低人工智能課程開發(fā)成本

大部分開展人工智能課程的學(xué)校需要購買昂貴的配套裝備，而本節(jié)課使用的軟件為免費軟件，硬件也僅添加攝像頭，極大地降低了人工智能課程的開發(fā)成本，而低成本裝備是人工智能課程得以實施的物質(zhì)基礎(chǔ)。

本文為陜西省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020年度課題“基于課程融合的初中人工智能教學(xué)實踐研究”（SGH20Y0097）階段性研究成果。