《圖像識別初探》教學案例

應筱艷

● 教學內容分析

2017年7月8日，國務院印發《新一代人工智能發展規劃》，提出要在中小學設置人工智能相關課程。2018年世界人工智能大會在上海舉行，未來已來，人工智能將改變學校教育。在此背景下，筆者所在學校開發了“人工智能基礎”這一校本課程，該課程從基礎知識入手，引導學生了解前沿科技，體驗生活中的人工智能應用，并了解基本原理，旨在開展人工智能啟蒙教育。本課是“人工智能基礎”的第2課，是在前一課對人工智能整體感知的基礎上，對圖像識別進行初步探究，主要內容包括圖像識別在生活中的應用，手寫數字的識別，了解圖像識別中的特征提取、分類器和圖像識別的基本流程。

● 學情分析

本課授課對象為七年級學生，他們在小學階段經過四年的信息技術課程學習，具有較好的認知經驗與操作基礎。據問卷調查和訪談可知，大部分學生使用過智能手機，對平板電腦有較高的興趣，有過小組合作學習的經驗。學生對人工智能等新技術比較感興趣，但缺乏系統的學習，認識不夠全面。部分學生知道一些圖像識別的應用，但對圖像識別技術的基本方法與過程不太了解。

● 教學目標

（1）通過觀看視頻和交流討論，了解圖像識別技術在生活中的應用，激發對圖像識別的學習興趣。

（2）通過小組合作探究和在線分享，體驗圖像識別的真實應用，感受利用互聯網和數字化工具進行學習的便利，提高合作學習能力。

（3）通過探究手寫數字識別和手繪簡筆畫識別的過程，了解圖像識別中的特征提取、分類器以及圖像識別的基本流程。

（4）通過對圖像識別技術和具體應用場景相融合的創想活動，感知圖像識別的社會價值，產生進一步學習的意愿。

● 教學重點

圖像識別在生活中的應用，圖像識別的基本流程。主要通過問題引導、活動體驗、分析討論、總結歸納等方式來突破重點。

● 教學難點

圖像識別中的特征提取和分類器。通過案例分析、教師講解、微課視頻等來化解難點。

● 教學資源

根據教學內容和學生實際，在教學資源方面做如下準備：

（1）設備與環境：每組一臺平板電腦、無線網絡、多媒體教室。

（2）學習素材：圖像識別相關的應用、在線學習平臺、小組任務卡。

● 整體思路

本課教學遵循“以生為本”的理念，“以學為主、以導為方”，利用平板電腦作為學習工具，創設情境任務，提供交流平臺，引導學生開展小組合作探究學習，經歷“認識、體驗、探究、創想”的學習過程，在實踐中體驗，在思考中感知，在交流中提升，逐步了解圖像識別的基本流程，創想圖像識別在生活中的應用，不斷提升對人工智能的學習興趣，培養數字化學習的意識與能力。

● 教學過程

1.情境：觀看視頻引出圖像識別

觀看《波士頓動力機器狗》視頻，聚焦視頻中機器狗的導航地圖和避障數據，組織學生進行破冰討論，激發學生對人工智能中的重要領域之一——圖像識別的興趣。學生會提到“高科技”“人工智能”“圖像識別”等詞，自然地引出學習主題。

設計意圖：利用視頻能直觀地感受到科技帶來的視覺沖擊，引發對本課學習主題的興趣。

2.認識：身邊的圖像識別

圖像識別在生活中的應用非常廣泛，教師組織討論，通過問題引導學生思考和尋找生活中哪些場景用到了圖像識別，學生思考并交流分享。通過課堂討論，學生列舉出了人臉識別、電商購物、交通管理、物體識別等圖像識別的應用。

設計意圖：通過出示生活中的圖像識別應用場景圖片，引導學生尋找身邊圖像識別技術的應用，調動已有的認知經驗，為后面的學習做好鋪墊。通過問題引導學生思考，調動學生的認識經驗，使其在交流分享中提升參與積極性。

3.體驗：圖像識別的應用

我們身邊有很多的圖像識別的應用，借助平板電腦可以讓學生進行真實情境的體驗。為了讓學生邊實踐邊思考討論，采用小組合作方式進行體驗。設置不同的情境任務（如圖1），根據不同的任務進行合作探究，尋找適合的圖像識別類APP來解決問題，并利用UMU互動學習平臺，分享成果與感悟，分享二維碼如圖2所示。涉及到的應用有“小猿口算”“形色”“有道翻譯”“CaptionBot”等。組織組間交流分享，了解其他組不同的圖像識別應用與體驗感悟。

設計意圖：以小組為單位，利用平板電腦，帶著問題在真實情境中實踐體驗，了解圖像識別的應用，分享學習成果，感受圖像識別給我們生活帶來的便利。從中觸發思考，培養利用數字化工具進行學習的意識。

4.探究：圖像識別的流程

對于初中生而言，體驗感悟是學習的基礎，除此之外還需要引導學生思考其背后的過程與方法，了解圖像識別的基本流程。

首先，以手寫數字的識別為例進行分析和講解，將機器學習與人類的認知相類比，引出圖像識別中的特征提取和分類器，在交流討論中不斷明晰圖像識別的基本流程。手寫數字識別是人工智能機器學習中的入門案例，相當于編程中的“Hello World”，具有典型性。在課程后續拓展中可以通過這個實例進行算法和編程的實踐。實例講解完之后，再通過機器自動識別郵編的案例將手寫數字識別應用于生活，拉近理論與生活的距離。

特征提取和分類器是本課的難點，學生較難理解，通過觀看講解清晰、生動有趣的《AI猜畫小歌》微視頻來了解手繪簡筆畫中的分類器和識別過程。通過微課，學生清楚地了解到在訓練分類器時需要用到大量的圖像數據，識別時通過不同的分類器進行判斷以分辨類別等原理。在接下來的“快問快答”中設置與教學重難點相關的問題。

設計意圖：通過問題引導學生思考，進行典型案例分析與講解，幫助學生了解圖像識別中的特征提取和分類器的概念，化解難點。通過交流討論不斷明晰圖像識別的基本流程，再觀看微視頻進一步了解較復雜的圖像識別的過程，最后用“快問快答”加深理解，并進行學習的評價和反饋。

5.創想：圖像識別的未來

現在的初中生是未來人工智能的主力軍，為了進一步提升認知，拓展思維，在課末設計一個創想活動，把圖像識別與具體場景相融合，對未來應用進行創想，激發創新意識，進一步探索圖像識別，感悟圖像識別的社會價值。

設計意圖：引導學生創想圖像識別在生活中的應用場景，拓展思維，提升情感。

● 教學反思

人工智能話題備受關注，在國家層面和學校層面都已經引起了廣泛的關注，很多中小學校已經在校本課程中探索人工智能課程的開發和實施。本次賽后的四節說課展示中有三節都是人工智能相關課題，足見其炙手可熱的程度。具有敏感度的信息技術教師已經開始主動探索這一新領域，大家都在摸索中前行。

由于個人能力和經驗的局限，筆者在專業知識和對課題挖掘深度的把握上不免有些心有余而力不足。所幸在備課和磨課期間得到了團隊的助力和業內專家的指點，才得以撥云見日，完成這節課。雖仍有遺憾，但筆者堅信人工智能課程是應時而生，探索教學是順勢而為。一線教師唯有敢于嘗試，勇于探索，才能讓人工智能這一連接未來的課程真正在中小學實施。

本課在關注課程內容的同時，也關注學生的信息技術核心素養：基于真實情境，利用圖像識別解決生活、學習中的實際問題，增強信息意識。將移動終端作為學習工具，借助微課等學習資源，利用互動平臺在線分享，培養學生數字化學習的意識和能力。

點 評

本課在第五屆全國初中信息技術優質課展評活動中榮獲特等獎。從教學內容的選擇來看，本課“從基礎知識入手，引導學生了解前沿科技，體驗生活中的人工智能應用，并了解基本原理，旨在開展人工智能啟蒙教育”。主體內容屬于人工智能范疇。2017年7月8日，國務院印發《新一代人工智能發展規劃》，提出要在中小學設置人工智能相關課程；在2017年12月頒布的高中信息技術新課標中，信息技術學科增加了人工智能模塊。由此可見，人工智能進入中小學學習序列勢在必行。因此，本課選題新穎，符合時代的發展需要，也能吸引學生的興趣。

從教學過程的設置來看，本課從設置觀看視頻引出圖像識別情境入手，引發學生對本課學習的興趣；然后通過出示生活中的圖像識別應用場景圖片，引導學生尋找身邊圖像識別技術的應用，從而認識圖像識別的案例；再設置不同的任務尋找適合的圖像識別類APP來解決問題，從而體驗圖像識別的應用；在體驗的基礎上，通過問題引導學生思考，進行典型案例分析與講解，幫助學生了解圖像識別中的特征提取和分類器的概念；最后，引導學生創想圖像識別在生活中的應用場景，拓展思維，提升情感。教學過程既有貼近學生生活的體驗活動，又有理論知識的學習分享；既涉及目前廣泛使用的人工智能技術，又能考慮到人工智能技術的發展性，設置合理，層層遞進。從教學資源來看，本課使用了平板電腦、無線網絡、學習平臺、學習用APP等技術手段，是信息技術服務于信息技術課堂的有益嘗試。從教學效果來看，學生興趣盎然，經歷“認識、體驗、探究、創想”的學習過程，在實踐中體驗，在思考中感知，在交流中提升，很好地達成了所設定的教學目標?？梢哉f本課為在初中進行人工智能教學做了一個有益的嘗試。