《人工智能之視覺技術(shù)應(yīng)用》教學(xué)案例

《人工智能之視覺技術(shù)應(yīng)用》教學(xué)案例

課程核心素養(yǎng)目標(biāo)

①親身經(jīng)受項(xiàng)目制作的過程，能夠確立項(xiàng)目需求、厘清項(xiàng)目開發(fā)流程，能夠?qū)栴}分解并逐個(gè)突破，能夠敏捷地解決問題。（計(jì)算思維）

②能夠熟悉字典與列表的嵌套結(jié)構(gòu)，能夠依據(jù)需求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并提取出重要的信息。（信息意識(shí)）

③能夠使用OpenCV、requests等第三方庫，擴(kuò)展Python的功能。能夠借助第三方庫的強(qiáng)大功能實(shí)現(xiàn)功能的開發(fā)。（數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新）

④在開發(fā)的過程中能夠聯(lián)系生活實(shí)際，了解開發(fā)作品的現(xiàn)實(shí)意義，產(chǎn)生應(yīng)用信息技術(shù)轉(zhuǎn)變生活、制造生活的驕傲感，并產(chǎn)生在信息社會(huì)中的個(gè)人責(zé)任感、使命感。（信息社會(huì)責(zé)任）

學(xué)業(yè)要求

①會(huì)閱讀開發(fā)文檔，把握API調(diào)用的方法，并能夠依據(jù)需求進(jìn)行平臺(tái)的接口調(diào)用。

②綜合運(yùn)用列表、字典以及程序的三大結(jié)構(gòu)等進(jìn)行項(xiàng)目的開發(fā)。

③借助OpenCV第三方庫實(shí)現(xiàn)視覺技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。

教學(xué)內(nèi)容分析

本課是人教版高一信息技術(shù)必修教材《數(shù)據(jù)與計(jì)算》中第四章“走進(jìn)智能時(shí)代”的內(nèi)容。本單元以“視覺技術(shù)應(yīng)用”為主題開展5個(gè)課時(shí)的活動(dòng)，使同學(xué)了解人工智能中的主要視覺技術(shù)，如圖像識(shí)別、人臉識(shí)別、人體識(shí)別等技術(shù)，了解其在生活中的相關(guān)應(yīng)用，感受視覺技術(shù)在生活中的應(yīng)用以及對(duì)生活產(chǎn)生的樂觀影響。本課時(shí)是單元教學(xué)設(shè)計(jì)中的第4課時(shí)，同學(xué)親身經(jīng)受智能工具的開發(fā)過程，通過項(xiàng)目的制作體驗(yàn)視覺技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。在項(xiàng)目的制作過程中把握API的調(diào)用方法，并能夠結(jié)合OpenCV實(shí)現(xiàn)圖像技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。

學(xué)情分析

同學(xué)在從前的學(xué)習(xí)中把握了程序的三大結(jié)構(gòu)挨次結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)、for循環(huán)結(jié)構(gòu)，能夠編寫簡潔的程序。熟悉了列表、字典等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，會(huì)簡潔提取列表、字典中的值。有簡潔項(xiàng)目開發(fā)的閱歷，但對(duì)于綜合運(yùn)用的程序還無法駕馭，代碼的敏捷使用力量需加強(qiáng)。同學(xué)對(duì)人工智能布滿愛好，對(duì)視覺應(yīng)用主題比較關(guān)注，情愿進(jìn)行進(jìn)一步的挖掘和學(xué)習(xí)。

教學(xué)難點(diǎn)

敏捷應(yīng)用API調(diào)用開發(fā)視覺應(yīng)用的項(xiàng)目。

教學(xué)策略

采納項(xiàng)目化學(xué)習(xí)方式，使同學(xué)明確項(xiàng)目需求，突破項(xiàng)目制作的難點(diǎn)，綜合利用所學(xué)的學(xué)問進(jìn)行智能工具的開發(fā)。老師充分發(fā)揮引導(dǎo)作用，為同學(xué)力量的提升搭建支架，關(guān)心同學(xué)建立勝利的體驗(yàn)。

教學(xué)預(yù)備

多媒體網(wǎng)絡(luò)教室、申請(qǐng)的APIKey和SecretKey、自學(xué)材料、幫助材料、導(dǎo)學(xué)案等。

教學(xué)過程

1.引入新課

師：計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)是人工智能的一個(gè)重要領(lǐng)域。這里的“視”主要是對(duì)圖片或視頻的獵取，而“覺”就是對(duì)獵取信息的綜合處理。視覺技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用。上節(jié)課我們一起體驗(yàn)了部分人工智能平臺(tái)中的有關(guān)圖像識(shí)別、圖像處理、人體識(shí)別等在線的智能工具，這些智能工具可以關(guān)心我們解決一些生活中的問題。本節(jié)課我們將編寫程序來實(shí)現(xiàn)共性化智能工具的開發(fā)，制造一個(gè)屬于我們自己的作品。

2.明確項(xiàng)目需求

師：我們已經(jīng)成立了三個(gè)項(xiàng)目組，三個(gè)項(xiàng)目分別為“動(dòng)漫化”“口罩檢測”和“智能菜品識(shí)別”。要實(shí)現(xiàn)的功能分別為將一般人物動(dòng)漫化、檢測人是否佩戴口罩、依據(jù)任何一個(gè)菜品檢測出菜品的卡路里等。

同學(xué)活動(dòng)：分析并回答三個(gè)項(xiàng)目的本質(zhì)。“動(dòng)漫化”涉及圖像特效的功能，功能類似生活中“美圖秀秀”一類的AI產(chǎn)品應(yīng)用；“口罩檢測”涉及人臉及人體的檢測功能，一般應(yīng)用于各種實(shí)時(shí)檢測的場合；“智能菜品識(shí)別”涉及圖像識(shí)別的功能，應(yīng)用如美食相機(jī)等。

設(shè)計(jì)意圖：進(jìn)一步明確項(xiàng)目的需求，以及項(xiàng)目的性質(zhì)及應(yīng)用范圍。明確開發(fā)的項(xiàng)目與生活的聯(lián)系，明晰項(xiàng)目開發(fā)的價(jià)值與意義，激發(fā)項(xiàng)目開發(fā)的愛好。

3.項(xiàng)目分析

老師活動(dòng)：請(qǐng)同學(xué)分析三個(gè)項(xiàng)目的共性與不同。

同學(xué)活動(dòng)：經(jīng)過分析得出三個(gè)項(xiàng)目的共性——都是對(duì)圖片的檢測，要檢測出需要的信息，涉及很簡單的算法。但部分人工智能平臺(tái)上已經(jīng)能做到這些圖片信息的智能識(shí)別。因此，可以使用API接口調(diào)用來獵取圖片的智能識(shí)別信息。不同之處是，每個(gè)項(xiàng)目都要依據(jù)項(xiàng)目的需求提取出關(guān)鍵信息，并對(duì)信息進(jìn)行開發(fā)和處理，形成適用于肯定場景的共性化功能。

老師活動(dòng)：播放視頻，使同學(xué)了解什么是API調(diào)用。提出問題：你用過的哪些網(wǎng)站有可能使用了API調(diào)用呢？

同學(xué)活動(dòng)：回答問題，如去哪網(wǎng)買票調(diào)用了12306的接口等。

老師活動(dòng)：給出API調(diào)用的過程，如圖1所示。

老師總結(jié)API調(diào)用的過程：要實(shí)現(xiàn)API的調(diào)用，首先要和開放接口的平臺(tái)進(jìn)行交互，明確我們要供應(yīng)的內(nèi)容，平臺(tái)返回給我們的內(nèi)容，就如我們供應(yīng)菜單，由服務(wù)員傳遞給廚房，廚房返回給客戶定制的菜肴。服務(wù)員為你服務(wù)的前提是什么？那肯定是你坐在這家餐廳里，獲得點(diǎn)菜許可。所以，在獵取服務(wù)之前要獲得訪問的憑證，它就是access_token。它的獵取方式是通過平臺(tái)創(chuàng)建應(yīng)用的APIKey和SecretKey。

設(shè)計(jì)意圖：詳細(xì)分析項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的過程，明確開發(fā)的思路。通過分析三個(gè)項(xiàng)目的共性與不同，使同學(xué)了解項(xiàng)目開發(fā)的流程以及實(shí)現(xiàn)開發(fā)的關(guān)鍵點(diǎn)即API調(diào)用。對(duì)共性的問題進(jìn)行重點(diǎn)講解，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)內(nèi)容的突破。

4.項(xiàng)目開發(fā)

（1）自主學(xué)習(xí)，獵取調(diào)用結(jié)果

老師活動(dòng)：供應(yīng)適合同學(xué)學(xué)習(xí)風(fēng)格的自學(xué)材料，包括微課、文檔等。

同學(xué)活動(dòng)：依據(jù)項(xiàng)目自主選擇進(jìn)行學(xué)習(xí)并完成API調(diào)用，即依據(jù)老師供應(yīng)的AK和SK獵取access_token，并通過access_token和本地圖片調(diào)用API獵取返回結(jié)果。

老師活動(dòng)：巡察，對(duì)認(rèn)知有困難的同學(xué)進(jìn)行關(guān)心。

（2）師生互動(dòng)，分析json數(shù)據(jù)提取關(guān)鍵信息

師：三個(gè)項(xiàng)目組都獲得json數(shù)據(jù)并賦值給了變量res，如何從數(shù)據(jù)中提取你所需要的信息呢？對(duì)于一個(gè)字典、列表嵌套的數(shù)據(jù)，如何提取出需要的元素呢？數(shù)據(jù)如上頁圖2所示。

同學(xué)活動(dòng)：結(jié)合從前列表類型數(shù)據(jù)中提取元素以及字典類型數(shù)據(jù)中提取元素的方法，思索如何提取出需要的信息。

老師活動(dòng)：通過電子白板的蒙層擦除效果，和同學(xué)一起分析提取出的數(shù)據(jù)，漸漸出示答案（如圖3）。

同學(xué)活動(dòng)：依據(jù)老師供應(yīng)的范例，明確提取方法，并思索所在項(xiàng)目要提取哪些元素。

（3）資料幫助，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目進(jìn)一步開發(fā)

師：請(qǐng)同學(xué)們明確下一步的開發(fā)目標(biāo)，依據(jù)所作的規(guī)劃，連續(xù)作品的開發(fā)。（老師供應(yīng)“幫助資料”幫助同學(xué)進(jìn)行開發(fā)，如消耗卡路里的途徑——做家務(wù)、跑步、走路之間的換算，使用OpenCV進(jìn)行圖像的顯示、拼合方法等，拼合圖片的代碼如圖4所示。

（4）功能拓展，實(shí)現(xiàn)攝像頭實(shí)時(shí)獵取圖像

師：同學(xué)們可以對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)由本地圖片到攝像頭實(shí)時(shí)獵取圖片的轉(zhuǎn)變，使你的項(xiàng)目更加智能化。

同學(xué)活動(dòng)：參考用OpenCV打開攝像頭的程序代碼，并對(duì)已編寫的程序進(jìn)行加工，將識(shí)別本地圖片升級(jí)為打開攝像頭獵取現(xiàn)場圖片并進(jìn)行識(shí)別。利用OpenCV打開攝像頭的參考程序如圖5所示。

設(shè)計(jì)意圖：同學(xué)通過三個(gè)活動(dòng)即API調(diào)用、信息提取與開發(fā)、圖像實(shí)時(shí)獵取來完成整個(gè)項(xiàng)目的開發(fā)，利用視覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)作品的開發(fā)。老師給同學(xué)供應(yīng)了自學(xué)資源、幫助資料等關(guān)心同學(xué)突破重難點(diǎn)，拓寬開發(fā)思路，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候關(guān)心同學(xué)跨越學(xué)問障礙。同時(shí)，同學(xué)要在項(xiàng)目實(shí)施的過程中填寫過程記錄及自我評(píng)價(jià)。

5.展現(xiàn)與總結(jié)

（1）展現(xiàn)溝通

同學(xué)活動(dòng)：三個(gè)項(xiàng)目組分別展現(xiàn)自己的項(xiàng)目代碼以及實(shí)現(xiàn)的功能。下面以三個(gè)作品進(jìn)行舉例。

動(dòng)漫化組——通過編寫代碼實(shí)現(xiàn)了打開攝像頭拍攝人物圖像，并能夠?qū)θ宋镞M(jìn)行動(dòng)漫化的處理，了解自己動(dòng)漫化的樣子。

口罩識(shí)別組——編寫代碼打開攝像頭對(duì)戴口罩狀況進(jìn)行識(shí)別，并對(duì)沒有戴口罩的同學(xué)進(jìn)行溫馨提示：請(qǐng)做好平安防疫，對(duì)個(gè)人和社會(huì)負(fù)責(zé)。

菜品識(shí)別組——編寫代碼打開攝像頭對(duì)菜品進(jìn)行識(shí)別，由于課堂不具備條件，以打印的圖片代之。識(shí)別之后會(huì)告知用戶菜品熱量是多少，需要跑步多少公里才能消耗掉。提示人們留意飲食健康。

老師活動(dòng)：對(duì)同學(xué)作品進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，引導(dǎo)同學(xué)進(jìn)行反思和總結(jié)。

（2）師生總結(jié)

師：同學(xué)們通過自己的努力能夠開發(fā)出一個(gè)完整的作品值得表揚(yáng)。對(duì)于視覺技術(shù)的利用和開發(fā)，本節(jié)課學(xué)習(xí)的學(xué)問只是冰山一角。我們還可以學(xué)習(xí)更多的學(xué)問來改造我們的生活，使我們的生活更加便利、更加智能、更加美妙。

設(shè)計(jì)意圖：老師對(duì)同學(xué)的表現(xiàn)進(jìn)行總結(jié)和鼓舞，提升同學(xué)的自我效能感。

教學(xué)反思

人工智能的視覺技術(shù)有許多，筆者以圖像作為切入點(diǎn)進(jìn)行整體的單元設(shè)計(jì)。整個(gè)單元實(shí)行微觀、宏觀、應(yīng)用和評(píng)價(jià)的線路，即像素—圖像—圖像特征識(shí)別—應(yīng)用開發(fā)—應(yīng)用擴(kuò)展。首先，通過調(diào)用OpenCV第三方庫的程序編寫，了解最小圖像單位像素，能夠編寫程序?qū)ο袼剡M(jìn)行修改，進(jìn)而了解圖像的模式等學(xué)問。其次，了解機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)制，了解對(duì)圖像特征的提取和識(shí)別過程。在圖像識(shí)別的基礎(chǔ)上了解圖像相關(guān)的應(yīng)用。最終，同學(xué)動(dòng)手開發(fā)智能工具解決生活中的問題，并連續(xù)了解更多視覺技術(shù)的擴(kuò)展應(yīng)用。

本節(jié)課要求同學(xué)動(dòng)手開發(fā)智能工具，體現(xiàn)視覺技術(shù)在生活中的應(yīng)用。同學(xué)依據(jù)自己的愛好共確立了三個(gè)項(xiàng)目組，分別涉及對(duì)圖像的識(shí)別、圖像的特效處理、人體特征的識(shí)別等。對(duì)于圖像的識(shí)別等結(jié)果可以借助人工智能平臺(tái)，通過API調(diào)用獵取，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提取出需要的信息進(jìn)一步開發(fā)和利用。雖然三個(gè)項(xiàng)目功能各不相同，但調(diào)用方法是一樣的，因此，筆者將共性的問題提出來，并引導(dǎo)同學(xué)逐步把握調(diào)用的方法，以便后續(xù)在進(jìn)行其他程序開發(fā)時(shí)實(shí)現(xiàn)學(xué)問的遷移。本課以項(xiàng)目為引領(lǐng)，注意同學(xué)核心素養(yǎng)的培育，激發(fā)同學(xué)學(xué)習(xí)的成就感和使命感，使同學(xué)樹立起技術(shù)服務(wù)生活、技術(shù)制造美妙生活的理念。

點(diǎn)

評(píng)

《人工智能之視覺技術(shù)應(yīng)用》是以項(xiàng)目制作的形式開展的一節(jié)課。同學(xué)體驗(yàn)項(xiàng)目制作的過程，并綜合運(yùn)用所學(xué)學(xué)問開發(fā)出和視覺相關(guān)的應(yīng)用。這節(jié)課做到了以下幾點(diǎn)：

1.情境創(chuàng)設(shè)源于生活

在信息技術(shù)學(xué)科教學(xué)中要關(guān)注同學(xué)核心素養(yǎng)的養(yǎng)成，要將學(xué)問轉(zhuǎn)變?yōu)樗仞B(yǎng)和才智。所以，在課堂中老師要注意聯(lián)系同學(xué)的生活，將學(xué)習(xí)融入到實(shí)際問題的解決中。本節(jié)課的項(xiàng)目主題都是同學(xué)感愛好的，也是生活中常見的，同學(xué)可以融入自己的思想進(jìn)行制造，讓學(xué)習(xí)來源于生活又用于生活，在問題解決中提升核心素養(yǎng)。

2.項(xiàng)目式學(xué)習(xí)促進(jìn)同學(xué)進(jìn)展

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)能夠?qū)崿F(xiàn)以同學(xué)為中心的進(jìn)展理念，培育同學(xué)的實(shí)踐力量和創(chuàng)新精神。在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的過程中，執(zhí)教老師發(fā)揮了引導(dǎo)的作用，給同學(xué)供應(yīng)學(xué)習(xí)的支架，包括微課、方法引導(dǎo)、思維引領(lǐng)等。這種方式能夠讓同學(xué)有更多的主動(dòng)性，在過程中也會(huì)培育同學(xué)的合作力量、思辨力量、溝通力量等，能夠落實(shí)立德樹人的理念，促進(jìn)同學(xué)的全面進(jìn)展。

3.注意同學(xué)高階思維的培育