基于教材分析設(shè)計(jì)深度體驗(yàn)的AI課程

【摘要】信息科技新課標(biāo)將“人工智能與智慧生活”設(shè)為六大主線之一，而2020浙教版教材已涉及人工智能的內(nèi)容。本文分析了該教材人工智能單元的圖像識別課時(shí)內(nèi)容，基于新課標(biāo)的要求設(shè)計(jì)了以“中草藥圖像分類”為主題的圖像識別項(xiàng)目式學(xué)習(xí)課程“常見中草藥圖像分類小助手”，將AI教育與傳統(tǒng)文化教育相融合，提出了一種人工智能教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)新范例?！娟P(guān)鍵詞】圖像分類；中草藥識別；AI課程“人工智能基礎(chǔ)”單元教材分析根據(jù)2022年教育部頒布的義務(wù)教育階段信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于“人工智能與智慧生活”模塊的要求，初中階段學(xué)生應(yīng)深化人工智能原理認(rèn)識，探索利用人工智能技術(shù)解決問題的過程和方法[1]。2020年版浙江教育出版社八年級下冊教材早已涉及人工智能部分，設(shè)置了一個(gè)單元的人工智能基礎(chǔ)模塊，該單元用6節(jié)課介紹了人工智能入門相關(guān)的技術(shù)、人工智能倫理以及一節(jié)項(xiàng)目實(shí)踐“設(shè)計(jì)智能廚房安防系統(tǒng)”。每節(jié)課均為獨(dú)立內(nèi)容，內(nèi)容呈現(xiàn)形式為先介紹抽象概念后具體陳述任務(wù)，這樣的教材內(nèi)容安排容易導(dǎo)致教師在教學(xué)實(shí)踐中遇到一定的挑戰(zhàn)，因?yàn)閷W(xué)生往往無法對抽象概念形成深刻的理解[2]。筆者具體分析了該教材的第13課“圖像識別技術(shù)”，因?yàn)閳D像識別技術(shù)在日常生活中有廣泛應(yīng)用，且是人工智能技術(shù)入門的基礎(chǔ)任務(wù)之一。其前兩節(jié)介紹了圖像識別技術(shù)的概念及其應(yīng)用，第三小節(jié)講了圖像識別的過程可以分為圖像信息的獲取、預(yù)處理、特征抽取、選擇分類器并識別出圖像，并呈現(xiàn)了一張流程圖。分環(huán)節(jié)具體陳述時(shí)舉的“圖像數(shù)字化”的具體案例是二進(jìn)制表示一張黑白圖，“預(yù)處理”呈現(xiàn)的是對一張彩色熊貓圖做處理，“特征提取”給出了人臉特征提取案例和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取圖像特征的抽象流程，“分類和識別”只介紹了圖像分類的概念，最后安排的實(shí)踐任務(wù)是從網(wǎng)上搜集動(dòng)植物的多張圖片，利用人工智能開放平臺進(jìn)行識別。先概念后案例最后實(shí)踐的安排雖然有條理，但是第三小節(jié)講解的流程過于抽象且給的例子比較零散、不夠系統(tǒng)，學(xué)生難以理解。教師開展初中階段人工智能教學(xué)應(yīng)以幫助學(xué)生系統(tǒng)且科學(xué)地建立對AI的認(rèn)知和理解為目的，在教學(xué)中適當(dāng)增加互動(dòng)體驗(yàn)活動(dòng)更有助于學(xué)生理解內(nèi)化概念和原理，體現(xiàn)學(xué)生主體地位，教師還可以通過設(shè)計(jì)活動(dòng)的方式來促進(jìn)學(xué)生的積極參與[3]。如此一來，如何設(shè)計(jì)讓學(xué)生獲得更深入地學(xué)習(xí)體驗(yàn)的AI課程及教學(xué)活動(dòng)值得探討。教師需要考慮如何設(shè)置有效滿足學(xué)生需求的學(xué)習(xí)目標(biāo)、思考如何設(shè)計(jì)豐富多彩的實(shí)踐活動(dòng)和提供適合學(xué)生的學(xué)習(xí)資源。“中草藥智能分類”為主題的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)施基于以上分析，筆者對教學(xué)對象做了進(jìn)一步分析。八年級學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過認(rèn)識人工智能、語音識別等三節(jié)基礎(chǔ)課程且已對該課前兩節(jié)圖像識別和圖像識別技術(shù)的應(yīng)用場景有初步了解。筆者嘗試設(shè)計(jì)了“中草藥智能分類”為主題的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)，選擇上海人工智能實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的XEdu（適用于中小學(xué)的AI教學(xué)開發(fā)工具）作為軟件類教學(xué)資源，引導(dǎo)學(xué)生以完成“圖像分類小助手”為主線，完成一系列豐富實(shí)踐活動(dòng)，并在實(shí)踐活動(dòng)中學(xué)習(xí)圖像識別技術(shù)。同時(shí)筆者結(jié)合新課標(biāo)中“人工智能與智慧社會”模塊對應(yīng)的內(nèi)容要求，進(jìn)行了4課時(shí)的教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)、教學(xué)實(shí)施和反思。學(xué)生在教師的引導(dǎo)下通過小組實(shí)踐和自主探究，達(dá)成以下目標(biāo)：（1）能從現(xiàn)實(shí)生活分類思維遷移到計(jì)算機(jī)圖像分類，使用XEdu完成中草藥圖像分類一般流程并制作簡易中草藥圖像分類小助手，初步掌握運(yùn)用人工智能技術(shù)解決真實(shí)世界問題的基本方法和技術(shù)技能；（2）能借助中小學(xué)AI開發(fā)工具和Python編程基礎(chǔ)完成數(shù)據(jù)預(yù)處理和特征提取、模型訓(xùn)練和推理，理解數(shù)據(jù)、算法以及算力對圖像分類的重要性；（3）能大膽暢想還沒有實(shí)現(xiàn)的更智能鑒別中草藥的方式，嘗試給簡易中草藥圖像分類小助手增加更多功能；（4）感受中草藥的魅力，提升對中草藥文化的學(xué)習(xí)興趣。1.情境導(dǎo)入，明確項(xiàng)目目標(biāo)教師為學(xué)生展示幾款中草藥實(shí)物及圖片，并在各組傳閱實(shí)物，引導(dǎo)學(xué)生思考如何借助信息技術(shù)獲取中草藥名稱。此時(shí)肯定有學(xué)生會想到借用現(xiàn)有技術(shù)，并聯(lián)想到圖像識別的應(yīng)用場景，如植物識別等。教師帶學(xué)生回顧“人工智能”的概念，稱贊學(xué)生們已有運(yùn)用人工智能技術(shù)解決問題的意識，組織學(xué)生借用技術(shù)探究分發(fā)的中草藥，并分享探究結(jié)果。理論上學(xué)生已經(jīng)可以快速了解中草藥的名稱和外觀，但是識別不一定準(zhǔn)確。此時(shí)教師展示教師版中草藥分類小助手，并介紹情境：學(xué)校邀請信息組開發(fā)一款能夠幫助初中生認(rèn)識中草藥的軟件，教師版目前功能比較一般，現(xiàn)在正式邀請各位同學(xué)成為軟件設(shè)計(jì)師，完成幫助初中生認(rèn)識中草藥的軟件。2.項(xiàng)目分析、設(shè)計(jì)和實(shí)施明確項(xiàng)目目標(biāo)的基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生分組分步完成中草藥圖像分類項(xiàng)目?；顒?dòng)一：初步探索人眼如何識別草藥圖像教師補(bǔ)充講解中草藥名稱和功效，簡要介紹中草藥的重要性和用途，啟發(fā)學(xué)生思考人眼如何識別中草藥，要求學(xué)生仔細(xì)觀察分發(fā)的中草藥實(shí)物，啟發(fā)學(xué)生結(jié)合已學(xué)習(xí)過的圖像識別概念自主探究人眼區(qū)分幾種草藥可參照的依據(jù)。教師展示中草藥圖像分類依據(jù)表，學(xué)生發(fā)現(xiàn)均是可以通過肉眼觀察到的內(nèi)容，可以結(jié)合植物本身，借助網(wǎng)絡(luò)搜集相關(guān)信息，豐富中草藥圖像分類依據(jù)表。學(xué)生在搜集中草藥信息的過程中亦能了解中草藥，提升對中草藥文化的興趣，并可結(jié)合科學(xué)課標(biāo)中植物本身的內(nèi)容，激發(fā)對中草藥的探索興趣。活動(dòng)二：結(jié)合圖像識別一般流程完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)教師引導(dǎo)學(xué)生寫下自己對圖像識別的理解，順勢再次展示簡易中草藥圖像分類小助手，詢問學(xué)生計(jì)算機(jī)如何完成圖像分類，引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材并查閱資料，了解圖像識別及過程，組織學(xué)生進(jìn)行交流。教師出示課件，展示計(jì)算機(jī)完成圖像識別的一般流程，引導(dǎo)學(xué)生將活動(dòng)一和此流程產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)，結(jié)合實(shí)際場景為學(xué)生講解圖像分類的一般流程和對一張圖像進(jìn)行分類預(yù)測的基本步驟。學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)任務(wù)單進(jìn)行分工，規(guī)劃項(xiàng)目實(shí)施步驟和時(shí)間安排?；顒?dòng)一和活動(dòng)二的聯(lián)動(dòng)，使學(xué)生將抽象的概念和具體經(jīng)驗(yàn)結(jié)合，加深了對圖像識別知識概念的理解，同時(shí)起到了梳理項(xiàng)目流程的作用?；顒?dòng)三：使用XEdu完成中草藥圖像分類模型訓(xùn)練教師引導(dǎo)學(xué)生完成準(zhǔn)備工作：訓(xùn)練中草藥圖像分類模型。教師介紹訓(xùn)練圖像分類模型的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)集和模型的選擇，為學(xué)生展示自采自制的金銀花和蒲公英數(shù)據(jù)集，分發(fā)圖像分類模型訓(xùn)練程序文件，指引學(xué)生完成批量提取HOG特征，選擇SVM算法完成圖像分類模型訓(xùn)練；簡要介紹HOG特征，分發(fā)教師版訓(xùn)練程序。學(xué)生通過實(shí)踐操作鞏固理論知識。學(xué)生使用BaseML提供的批量提取HOG特征的工具進(jìn)行訓(xùn)練數(shù)據(jù)的特征提取。提取特征后，學(xué)生開始選擇適當(dāng)?shù)臋C(jī)器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行模型訓(xùn)練。教師簡要介紹SVM算法，順勢引導(dǎo)學(xué)生在測試上進(jìn)行模型評估，學(xué)生使用模型推理的代碼進(jìn)行模型評估，并在學(xué)習(xí)任務(wù)單上記錄測試集上的準(zhǔn)確率、訓(xùn)練輪次等。教師在拓展部分說明還有更多方式完成更換其他數(shù)據(jù)集、選擇其他算法，讓學(xué)生感受人工智能技術(shù)的高速發(fā)展?；顒?dòng)四：常見中草藥圖像采集和預(yù)處理教師現(xiàn)場拍攝幾張圖片，用圖像分類小助手測試，啟發(fā)學(xué)生再收集一些圖片進(jìn)行分類和識別的驗(yàn)證。此時(shí)學(xué)生能使用自己想到的各種方式去采集數(shù)據(jù)，如借助網(wǎng)絡(luò)搜索、用電腦攝像頭拍攝教師發(fā)的中草藥實(shí)物等。教師分發(fā)圖像數(shù)字化的代碼，學(xué)生體驗(yàn)二進(jìn)制表示黑底白字手寫數(shù)字圖像。在學(xué)生體驗(yàn)數(shù)字化過程中，教師適時(shí)介紹圖像預(yù)處理的作用，出示課件展示圖像預(yù)處理的一般操作和方法，對圖片進(jìn)行預(yù)處理，包括裁剪、縮放、歸一化、增強(qiáng)等操作，引出借用BaseDT庫3行代碼即可完成圖像處理的方法。學(xué)生試用BaseDT庫進(jìn)行圖像預(yù)處理，調(diào)整參數(shù)，觀察輸出不同的變化結(jié)果，分組探究，并記錄在任務(wù)單上?；顒?dòng)五：中草藥圖像特征提取回顧中草藥信息分類表和肉眼識別中草藥分類的依據(jù)，教師引出特征的概念并講解特征的重要性，為學(xué)生分發(fā)特征提取的代碼，帶學(xué)生體驗(yàn)單張圖片提取HOG特征、LBP特征等，觀察特征提取后的輸出結(jié)果。學(xué)生使用這些方法提取同一張圖像的特征，并觀察特征提取后的輸出結(jié)果，在學(xué)習(xí)任務(wù)單記錄不同特征提取方法的表現(xiàn)，最后與活動(dòng)一時(shí)人工搜集和整理的純手工方法進(jìn)行比較，并將訓(xùn)練模型時(shí)批量提取HOG特征的操作和現(xiàn)在的單張圖片提取特征進(jìn)行對照，回顧圖像分類的一般流程?；顒?dòng)六：優(yōu)化中草藥圖像分類小助手系統(tǒng)學(xué)生編寫輸入圖片，對圖片進(jìn)行預(yù)處理、特征提取等操作，再使用活動(dòng)三訓(xùn)練模型進(jìn)行推理的代碼，完成圖像分類。學(xué)生在學(xué)習(xí)任務(wù)單上記錄測試的圖片數(shù)量，識別正確數(shù)量，分析識別不正確的原因。教師給學(xué)生一個(gè)簡易的中草藥圖像分類小助手系統(tǒng)的程序，啟發(fā)學(xué)生分組分析代碼構(gòu)成和可改進(jìn)的點(diǎn)，學(xué)生可以在教師版的代碼基礎(chǔ)上修改和增加，讓這個(gè)系統(tǒng)具備更強(qiáng)的功能，如優(yōu)化輸入輸出交互、換成其他更準(zhǔn)確的模型等。教師適時(shí)提供必要的指導(dǎo)和建議，幫助學(xué)生更好地完成自己的項(xiàng)目。3.成果展示，開展評價(jià)總結(jié)借用班會課，教師安排小型作品交流展示會，設(shè)計(jì)作品評價(jià)表，邀請科學(xué)教師、班主任、學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)等參加交流展示會。評價(jià)表從完整性、科學(xué)性、應(yīng)用等維度進(jìn)行設(shè)計(jì)。在作品交流展示會前，學(xué)生先進(jìn)行自評，教師結(jié)合前幾個(gè)活動(dòng)學(xué)生填寫的任務(wù)單進(jìn)行評價(jià)，鼓勵(lì)學(xué)生多輪優(yōu)化迭代作品，邀請學(xué)生和教師共同填寫課程學(xué)習(xí)評價(jià)表，展示會最后教師做課程總結(jié)。教師運(yùn)用恰當(dāng)方法開展評估，為學(xué)生提供交流展示的機(jī)會，提升學(xué)生的表達(dá)能力和開源意識，注重多種評價(jià)方式結(jié)合并實(shí)施多元主體評價(jià)，起到以評促學(xué)的作用?？偨Y(jié)與反思該節(jié)教材內(nèi)容雖然基礎(chǔ)且實(shí)現(xiàn)工具多，但往往因?yàn)榧夹g(shù)性強(qiáng)使得很多教師設(shè)計(jì)教學(xué)時(shí)障礙重重，也容易成為學(xué)生學(xué)習(xí)的困難點(diǎn)。筆者在教學(xué)設(shè)計(jì)中使用的教學(xué)資源是多方調(diào)研后發(fā)現(xiàn)的較適合中小學(xué)人工智能教育的開發(fā)工具XEdu。XEdu從數(shù)據(jù)預(yù)處理到特征提取，從模型訓(xùn)練到模型推理，使用的代碼充分體現(xiàn)了簡潔性，便于學(xué)生理解。筆者認(rèn)為，開展人工智能教育最重要的是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，讓學(xué)生完成一個(gè)完整的AI應(yīng)用，并能夠解決真實(shí)場景的問題，他們自己就很有成就感。有了學(xué)習(xí)熱情和探索興趣后，學(xué)生就有動(dòng)力去主動(dòng)研究深層理論和學(xué)習(xí)更難的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法，這也是我們教育工作者最愿意看到的。同時(shí)本活動(dòng)結(jié)