教學(xué)背景分析

教學(xué)內(nèi)容

北京市東城區(qū)骨干教師在高校專家指導(dǎo)下自主開發(fā)編寫了區(qū)域校本指導(dǎo)用書《小學(xué)人工智能基礎(chǔ)》，本課程選自該教材第3單元“機(jī)器理解”。課程設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想來自《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》，關(guān)注4個(gè)學(xué)科核心素養(yǎng)，把握數(shù)據(jù)、算法、人工智能等6條邏輯主線，充分挖掘課程核心內(nèi)容，將與圖像識(shí)別相關(guān)的數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行整合，力求在教學(xué)中構(gòu)建清晰的知識(shí)結(jié)構(gòu)框架；通過多個(gè)活動(dòng)開展體驗(yàn)、合作、探究性學(xué)習(xí)。結(jié)合課程標(biāo)準(zhǔn)，本單元核心內(nèi)容涉及數(shù)據(jù)、算法和人工智能等。課程重點(diǎn)聚焦圖像識(shí)別技術(shù)背后原理的探究。學(xué)生的學(xué)習(xí)方式、思維方式也將為后續(xù)的學(xué)習(xí)提供方法和策略。

學(xué)生情況

本課程面向的是小學(xué)5年級(jí)學(xué)生，這個(gè)年齡段的孩子被稱為“數(shù)字原住民”，對(duì)于人工智能的學(xué)習(xí)有極高的興趣，對(duì)于探究活動(dòng)喜聞樂見。生活中，他們接觸過人工智能的應(yīng)用，并且對(duì)圖像識(shí)別已有初步的認(rèn)識(shí)，但對(duì)于技術(shù)背后的原理一知半解，缺乏深入的探究；思維上，他們正處于由具體形象思維主導(dǎo)向抽象邏輯思維主導(dǎo)的質(zhì)變階段，這是培養(yǎng)學(xué)生抽象、分解、建模能力的關(guān)鍵時(shí)期。因此，本課采取小組合作開展探究的學(xué)習(xí)方式，讓學(xué)生結(jié)合自己已有的生活與學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)建構(gòu)新知識(shí)。

教學(xué)目標(biāo)及重點(diǎn)、難點(diǎn)

本課的教學(xué)目標(biāo)由信息科技的4個(gè)核心素養(yǎng)為抓手展開。

教學(xué)目標(biāo)

●理解機(jī)器通過比對(duì)物品的顏色、形狀、紋理等特征進(jìn)行圖像識(shí)別（計(jì)算思維）；

●利用恰當(dāng)?shù)臄?shù)字化工具和平臺(tái)開展活動(dòng)，在“合作、交流、質(zhì)疑與解惑”的過程中，理解數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)果的影響（信息意識(shí)，計(jì)算思維，數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新）；

●能夠列舉生活中的圖像識(shí)別應(yīng)用，感受人工智能及科技的發(fā)展為人類社會(huì)帶來的深遠(yuǎn)影響（信息意識(shí)，信息社會(huì)責(zé)任）。

教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)

重點(diǎn)：理解機(jī)器通過比對(duì)物品的顏色、形狀、紋理等特征進(jìn)行圖像識(shí)別。

難點(diǎn)：理解數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)果的影響。

教學(xué)準(zhǔn)備

●硬件設(shè)備：計(jì)算機(jī)、攝像頭、平板電腦、顏色傳感器、全彩燈。

●軟件工具：萬物識(shí)別軟件、在線機(jī)器學(xué)習(xí)平臺(tái)。

●活動(dòng)用具：教師自制盲盒、多個(gè)水果、6組特別設(shè)計(jì)的用具（西瓜與西瓜紋路的杯子、蘋果與蘋果圖案的靠墊、車輪與車輪圖案的杯子、垃圾桶與6hGhS7ZFBBqPGZNEcn3d08QZyiX6BcPzu0LgPmLwZv4=垃圾桶樣式的杯子、魔方與魔方樣式的杯子、足球與足球樣式的容器）。

教學(xué)過程

開盲盒——探究人識(shí)別物品的方法

教師準(zhǔn)備了3種相同顏色的水果，分別標(biāo)示為1號(hào)（梨）、2號(hào)（檸檬）和3號(hào)（蘋果）。其中，1號(hào)和3號(hào)從形狀到顏色都非常相似，這是教師特別設(shè)計(jì)的問題情境。將3個(gè)水果提前放在自制盲盒里（圖1），引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)教師提供的線索猜出水果種類，方能開啟盲盒。

線索1：教師用顏色傳感器識(shí)別盲盒內(nèi)水果的顏色，識(shí)別結(jié)果通過全彩燈顯示出來，得出3種水果均為黃色。

預(yù)設(shè)：學(xué)生根據(jù)顏色無法確定水果種類。

線索2：教師用手電筒照亮盲盒內(nèi)部，使盲盒正面呈現(xiàn)出水果的影子，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)顏色及形狀2個(gè)特征繼續(xù)猜一猜（圖2）。

預(yù)設(shè)：學(xué)生通過觀察影子形狀能夠推斷出2號(hào)水果為檸檬，但1號(hào)和3號(hào)水果的影子非常相似，學(xué)生可能誤以為都是蘋果。

教師先揭曉答案，并追問：“盲盒中的蘋果和梨顏色識(shí)別結(jié)果相同，從形狀上看也有些相似，那么，除了顏色、形狀這2個(gè)特征，還能從什么特征區(qū)分呢？”

預(yù)設(shè)：學(xué)生能說出蘋果和梨表皮上的斑點(diǎn)、紋路等特征不同。

教師打開攝像頭，引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察2種水果的表皮特征。

教師提問：“我們已經(jīng)知道了3種水果，你是依據(jù)水果的哪些特征猜出來的？”

隨著師生交流，總結(jié)出人們依據(jù)顏色、形狀、紋理等特征辨認(rèn)出一個(gè)物品，并初次梳理板書（圖3）。

設(shè)計(jì)意圖：通過有趣的開盲盒游戲，導(dǎo)入課程，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。通過猜水果的過程，逐步揭示物品的3個(gè)特征，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)“從視覺角度，人能通過觀察物品的顏色、形狀、紋理等特征辨認(rèn)出一件物品”，為后面探究機(jī)器識(shí)別圖像的原理作鋪墊。

識(shí)別大挑戰(zhàn)——探究機(jī)器識(shí)別圖像的原理

教師：人可以通過觀察到顏色、形狀、紋理等特征識(shí)別出一件物品，機(jī)器可以嗎？這項(xiàng)技術(shù)叫什么？

教師出示生活中應(yīng)用圖像識(shí)別技術(shù)的圖片，引導(dǎo)學(xué)生交流圖片的內(nèi)容并提問：“你還知道生活中哪些地方應(yīng)用了圖像識(shí)別技術(shù)？”

在交流中揭示本課課題“探秘圖像識(shí)別”。

教師按順序出示圖片，引導(dǎo)學(xué)生猜一猜圖片中是什么物品。先出示第1張（圖4a）圖片，只顯示了物品的局部，請學(xué)生猜測，接著依次出示第2張（圖4b）、第3張（圖4c）圖片，逐步擴(kuò)大物品的顯示區(qū)域，直到呈現(xiàn)出物品的全貌，最終揭曉答案。

教師提問：“猜圖的過程中你的答案為什么發(fā)生了變化？機(jī)器能將這些物品準(zhǔn)確識(shí)別出來嗎？我們一起探究一下吧！”

教師引導(dǎo)學(xué)生參與“識(shí)別大挑戰(zhàn)”活動(dòng)，并準(zhǔn)備6組類別不同但特征相近的物品，供學(xué)生探究使用（圖5）。

教師出示活動(dòng)要求：①使用“萬物識(shí)別”

軟件，分別識(shí)別每組的2種物品，盡可能識(shí)別出正確的結(jié)果。②記下出現(xiàn)頻率較高的錯(cuò)誤結(jié)果，小組討論產(chǎn)生錯(cuò)誤結(jié)果的原因。

學(xué)生分別在小組中進(jìn)行“識(shí)別大挑戰(zhàn)”活動(dòng)，教師巡視指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生在小組中相互啟發(fā)，在拍照時(shí)采取一定的策略，盡量凸顯物品的特征。

學(xué)生可能采取的識(shí)別蘋果圖案靠墊的策略：①把靠墊放在自己的頭下面拍照識(shí)別；②利用靠墊與人的體積大小關(guān)系拍照識(shí)別；③把靠墊放在椅子上拍照識(shí)別；④利用真的蘋果與靠墊的體積大小關(guān)系拍照識(shí)別（圖6）。

學(xué)生可能采取的識(shí)別垃圾桶杯子的策略：①俯視角度拍攝，盡量露出杯口和杯把兒；②側(cè)面拍攝，盡量露出杯口和杯把兒；③蓋上杯蓋拍攝，盡量露出杯蓋和杯把兒；④將杯蓋放在杯子一側(cè)拍攝，盡量露出杯蓋、杯口和杯把兒（圖7）。

教師引導(dǎo)各個(gè)小組圍繞如下問題進(jìn)行交流：“是否識(shí)別出正確結(jié)果？為了識(shí)別出正確結(jié)果，你們都采取了哪些策略？出現(xiàn)頻率較高的錯(cuò)誤結(jié)果是什么？為什么？”

隨著師生的交流與分享，總結(jié)出機(jī)器也是根據(jù)物品的顏色、形狀、紋理等特征進(jìn)行識(shí)別的。

隨著探究活動(dòng)的進(jìn)行，學(xué)生的思維也愈發(fā)深入，產(chǎn)生新的問題：“除了特征外，還有哪些因素會(huì)影響圖像識(shí)別的結(jié)果呢？”

教師出示1號(hào)機(jī)器和2號(hào)機(jī)器在學(xué)習(xí)杯子這類物品時(shí)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)對(duì)比圖（圖8），并提問：“觀察圖片，說一說‘魔方杯子’在1號(hào)機(jī)器和2號(hào)機(jī)器中可能出現(xiàn)的識(shí)別結(jié)果是什么？說一說原因。”

預(yù)設(shè)1：學(xué)生能分析出1號(hào)機(jī)器針對(duì)杯子這個(gè)類別的訓(xùn)練數(shù)據(jù)中有魔方杯子這樣的數(shù)據(jù)，因此1號(hào)機(jī)器能將魔方杯子正確識(shí)別為杯子。

預(yù)設(shè)2：學(xué)生能分析出若要準(zhǔn)確識(shí)別出各種各樣的杯子，那么針對(duì)杯子這類物品，訓(xùn)練數(shù)據(jù)的種類和數(shù)量一定要足夠多。

設(shè)計(jì)意圖：通過給學(xué)生提供“西瓜、西瓜紋路的馬克杯”等這樣的物品，激發(fā)學(xué)生的好奇心，讓學(xué)生帶著問題進(jìn)行圖像識(shí)別的探究，總結(jié)機(jī)器識(shí)別圖像的大致原理；并且通過教師出示的1號(hào)、2號(hào)機(jī)器的對(duì)比，知道數(shù)據(jù)對(duì)圖像識(shí)別結(jié)果的影響，從而有效落實(shí)本課的教學(xué)重點(diǎn)。

訓(xùn)練新機(jī)器——探究數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)果的影響

教師出示任務(wù)：訓(xùn)練機(jī)器，讓機(jī)器能夠準(zhǔn)確識(shí)別出蘋果和檸檬這2種水果。

教師為學(xué)生提供機(jī)器學(xué)習(xí)在線平臺(tái)工具，以及多個(gè)蘋果和檸檬等水果，引導(dǎo)學(xué)生訓(xùn)練新機(jī)器。

教師引導(dǎo)學(xué)生首先選擇訓(xùn)練數(shù)據(jù)籃子中的紅蘋果和檸檬作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，師生緊密協(xié)作，分別在紅蘋果和檸檬的上面、底部、側(cè)面進(jìn)行拍攝，從多個(gè)角度錄入訓(xùn)練數(shù)據(jù)，并分別打上“蘋果”“檸檬”的標(biāo)簽。

錄入完數(shù)據(jù)后，引導(dǎo)學(xué)生思考：“應(yīng)該用哪些數(shù)據(jù)測試學(xué)習(xí)結(jié)果？”

教師在測試數(shù)據(jù)的籃子中拿出1個(gè)黃蘋果并提問：“訓(xùn)練數(shù)據(jù)中沒有黃蘋果，如果使用一個(gè)黃色的蘋果測試機(jī)器學(xué)習(xí)的結(jié)果，機(jī)器會(huì)將它識(shí)別為哪一類呢？”

預(yù)設(shè)1：黃色的蘋果也很可能被準(zhǔn)確識(shí)別成“蘋果”（圖9為教師提前測試的結(jié)果：黃蘋果與蘋果相似度為99%，與檸檬相似度為1%）。

預(yù)設(shè)2：將黃蘋果變換角度，也可能被識(shí)別出與“檸檬”這一類別的相似度更高（圖10為教師提前測試的結(jié)果：黃蘋果與蘋果相似度為41%，與檸檬相似度為59%）。

預(yù)設(shè)3：錄入訓(xùn)練數(shù)據(jù)時(shí)，也可能會(huì)錄入一些不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，如錄入了學(xué)生的手部信息等，師生根據(jù)出現(xiàn)的情況進(jìn)行分析，交流數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)果的影響。

教師追問：“機(jī)器為什么會(huì)出現(xiàn)以上的識(shí)別結(jié)果呢？如果要保證機(jī)器將黃蘋果準(zhǔn)確識(shí)別為‘蘋果’，應(yīng)該怎樣改進(jìn)這臺(tái)機(jī)器？”

教師引導(dǎo)學(xué)生在蘋果這一類中補(bǔ)充錄入黃蘋果的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，再進(jìn)行測試。

引導(dǎo)學(xué)生思考：“如果有一個(gè)蘋果被吃掉了一半，這樣的數(shù)據(jù)需不需要錄入呢？為什么？”

隨著學(xué)生的互相質(zhì)疑與解惑，總結(jié)出數(shù)據(jù)在圖像識(shí)別中的重要作用，進(jìn)一步完善板書（圖11）。

教師播放圖像識(shí)別技術(shù)輔助視障人士的視頻，引導(dǎo)學(xué)生交流視頻中是怎樣實(shí)現(xiàn)通過技術(shù)輔助視障人生活的，并交流圖像識(shí)別技術(shù)在生活中的作用。

設(shè)計(jì)意圖：通過機(jī)器學(xué)習(xí)在線平臺(tái)，讓學(xué)生親身體驗(yàn)訓(xùn)練機(jī)器的過程，通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，以及對(duì)測試結(jié)果的分析與交流，理解數(shù)據(jù)對(duì)圖像識(shí)別結(jié)果的重要影響；通過前沿圖像識(shí)別技術(shù)應(yīng)用視頻，使學(xué)生了解人工智能技術(shù)在生活中的重要作用。

教學(xué)評(píng)價(jià)

基于教學(xué)目標(biāo)，本課程采取評(píng)價(jià)量表的方式，對(duì)學(xué)生知識(shí)掌握、探究思維、活動(dòng)參與及情感等方面進(jìn)行多元評(píng)價(jià)（表1）。

總結(jié)與反思

本課程的教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)巧妙，開盲盒活動(dòng)用3個(gè)步驟揭示物品特征。“識(shí)別大挑戰(zhàn)”活動(dòng)借助6組類別不同但特征相近的物品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，蘋果圖案的靠墊、垃圾桶形狀的杯子成為思考觸發(fā)點(diǎn)。訓(xùn)練新機(jī)器的活動(dòng)借助在線機(jī)器學(xué)習(xí)平臺(tái)，巧妙設(shè)計(jì)活動(dòng)過程，創(chuàng)設(shè)問題情境和沖突，激發(fā)學(xué)生深入思考。梯度化的活動(dòng)設(shè)計(jì)，不僅增添了教學(xué)的趣味性和挑戰(zhàn)性，而且能夠引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)探索知識(shí)。

此外，活動(dòng)設(shè)備和用具都經(jīng)過精心選擇和設(shè)計(jì)，并通過了多次嚴(yán)格測試，確保了教學(xué)的有效性。通過這些恰當(dāng)?shù)臄?shù)字化工具和平臺(tái)，為學(xué)生構(gòu)建了一個(gè)自主實(shí)驗(yàn)和探究的環(huán)境。在這里，學(xué)生能夠不斷嘗試和實(shí)驗(yàn)，并在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行創(chuàng)新思考。這種教學(xué)方式不僅顯示了學(xué)生的探究思維，還在問題解決過程中促進(jìn)了知識(shí)構(gòu)建和批判性思維的發(fā)展。

當(dāng)然，課程仍有需要改進(jìn)的地方。例如，在“識(shí)別大挑戰(zhàn)”活動(dòng)中，可以給學(xué)生提供2個(gè)或更多圖像識(shí)別應(yīng)用，讓學(xué)生比較不同軟件的識(shí)別結(jié)果，分析數(shù)據(jù)對(duì)識(shí)別效果的影響，這將拓寬學(xué)生的研究視野，進(jìn)一步促進(jìn)思維能力的發(fā)展。