《灵眸识标签》教学设计

吴鑫

● 创新整合点

运用人人通空间APP推送課前自主学习任务单，并使用问卷调查在线统计，解决了翻转课堂中难以对学生学情准确反馈的痛点。人工智能课堂教学的内容一般容量较大，教师提前获取反馈信息有利于对难点进行分解，剔除杂乱干扰因素，集中解决核心问题，凸显学生主体性。

绘制思维导图并拍照上传，帮助学生理清编程逻辑问题。其中，在存储云台航向轴和俯仰轴的教学中，自然地整合数学的数对知识。

使用平板电脑授课，采用2人一小组使用1台机器人的方式，从物理结构上促进学生进行合作学习。利用移动设备进行图形化操作，既轻便又容易调试，减少了学生往返调试折腾的时间。

● 教材分析

本课取自于人民邮电出版社出版的人工智能普及教材《机甲大师成长指南——用RoboMaster机器人入门人工智能》第9课。本书秉承卢梭“自然教育”和陶行知“教学做合一”的思想，以第一人称行文，从儿童的视角和认知模式，观察新事物，学习新知识，练就新本领。书中以编程与操控双线螺旋结构开展项目式学习，旨在培养学生高阶计算思维能力，同时锻炼他们的临场实战能力。《灵眸识标签》内容为人工智能图像识别模块的第一节实践。

● 学情分析

学生经过三、四年级的信息技术基础知识与技能的学习锻炼后，具有一定的动手能力和计算思维，数学课上也学习了数对的相关知识。同时，在生活中初步明确了人类与机器的关系，能识别计算机系统的简单智能行为。一部分学生会使用简单的编程工具，熟悉其基本的语法规则，但零距离接触机器人进行智能化编程较少。对机甲大师机器人，学生们普遍兴趣浓厚，这一方面是因为产品自身的科技魅力，另一方面是因为机甲大师很适合对战比拼，有强烈的竞技体验。在前置课中，学生已经了解了机甲大师S1机器人的基本功能和基础编程积木，熟悉了平板电脑互动功能的基本操作步骤。

● 教学目标

知识与技能目标：①能够列举机甲大师摄像头识别范围和对象;②能够简述人工智能的图像识别原理。

过程与方法目标：①能够按照自然语言—思维导图—程序语言的顺序，将思路从自然语言转化为电脑能够识别的程序语言进行编程;②能够进行数对知识迁移，运用函数和列表编写程序，实现定点自动击打视觉标签。

情感态度与价值观目标：①理性思维：崇尚真知，能解释或举例说明基本的科学原理;②在研究解决问题的过程中，团结协作，敢于创造，乐于分享。

● 教学环境与准备

教学环境：多媒体网络教室、学生平板电脑、机甲大师S1机器人。

教学准备：平板电脑安装互动课堂和RoboMaster软件、课前自主学习任务单、课堂学习记录单、纸质教材、各组视觉标签、地面视觉标签和比赛场地布置、比赛获奖证书、备用电池。

● 教学过程

1.创设激趣，问题引入

师：上节课，老师给大家介绍了一个机器人伙伴——机甲大师S1。谁认识左边这张图（大锅）是什么？我们的机甲大师也有一只明亮的“眼睛”，这两种眼睛收集的信号一样吗？机甲大师是怎么识别图像信号的呢？本节课，我们就以视觉标签为例子，一起来研究研究吧。

学生活动：对比平塘天眼，分辨无线电信号和图像信号，明确学习主题，思考机甲大师摄像头是如何识别图像的。

设计意图：环节目标是复习旧知，引发图像识别思考。通过图片对比，判断机甲大师摄像头收集的是图像信号，激发学生探究欲望。

2.做中学练，验证实效

活动一：课堂检测

①师：在研究之前，老师要考一考大家是否还记得上节课学习的内容。请同学们完成两道选择题。

②讲解试题，反馈正确率。

学生活动：复习活动，平板电脑检测，进行互动课堂在线测试。

设计意图：运用教育云平台进行快速检测，反馈学生课前学习情况。

活动二：认识S1摄像头

师：机甲大师拥有一颗F2.4光圈，120度视角的500W像素摄像头，请同学们打开RoboMaster软件或教材第50页，以视觉标签为例，找一找哪里可以打开机甲大师的图像识别功能。你还有什么新发现？

学生活动：寻找“智能”中开启视觉识别的模块，认识视觉识别对象和范围。

设计意图：学生参考微视频和电子教材尝试进行视觉标签识别测试，提供自学的脚手架。

活动三：编写视觉标签自动瞄准程序

师：怎样让我们的机甲大师自动瞄准123视觉标签呢？

学生活动：①小组讨论，整理编程思路;②观看微视频，尝试编写自动瞄准程序;③测试运行效果，小组汇报自动瞄准视觉标签程序。

教师巡视指导，指名学生展示。

设计意图：课前有一些学生已经观看了微视频，课堂上引导学生再次观看微视频复习，尝试编程实现视觉标签基本击打功能，如图1所示。

师：在程序中，机甲大师通过摄像头识别到视觉标签并瞄准，这里运用的就是人工智能图像识别技术，我们一起来了解其中的秘密。（看微视频《解密机甲大师图像识别原理》）

学生活动：观看视频，能初步解释图像识别基本原理，用自己的语言解释图像识别的基本步骤，理解其中包含的原理，如图2所示。

设计意图：使用多媒体动画，深入浅出地解释图像识别的基本原理，便于学生理解。

3.拓展提高，优化方案

师：在机甲大师青少年挑战赛中，通过快速、顺序地击打视觉标签可以让战队获得双倍攻击力，那应该怎样修改程序，让机甲大师快速击打视觉标签呢？

活动四：编写快速击打视觉标签程序

①师：在编程界面中，打开FPV窗口，然后运行前面的程序，观察状态列表，你发现了什么？怎样存储云台角度？

学生活动：思考快速击打视觉标签简易解决方案。

②教师播放微视频《函数知识点介绍》，引导学生新建列表和函数进行编程。指名、协助学生分析程序逻辑。

学生活动：

a.通过点头摇头形象区分航向轴和俯仰轴。

b.小组讨论，绘制思维导图，整理编程思路，平板电脑拍照上传。

c.汇报编程思路，了解程序运行逻辑顺序：初始化—识别—存储—读取—射击。

d.完善程序，进行场地测试。

活动五：小组PK赛，體验自动击倒视觉标签成功感受

师：看来同学们已经跃跃欲试想互相比一比了。让我们开展小组PK赛吧！先看比赛效果视频，了解屏幕上出示的比赛规则，如图3所示。

学生活动：①了解比赛规则;②小组轮流比赛;③分享成功和失败经验。

设计意图：以竞赛真实环境提出挑战问题，促进学生优化程序方案。小组讨论，手绘思维导图，通过平板拍照上传，交给学生学习方法——整理编程中的逻辑，提高计算思维能力。

4.分享总结，课后迭代

教师小结：

①反复出现的语句，可以用函数来打包调用。

②变量和列表都可以存储数据，但并不相同，变量像黑匣子，列表更像贪吃蛇。

③云台俯仰轴和航向轴可以在FPV即时查看。

师：通过这节课的学习，你受到了哪些启发？（演示机甲大师赛，快速射击能量机关视频，鼓励学生进行人工智能实践研究）

学生活动：整理思绪，写下笔记，分享学习收获，激发程序迭代设计。

教师拓展：在生活中，图像识别的应用十分广泛，如“刷脸”支付、扫码签收快递、图片中提取文字、手机指纹解锁等，同学们可以在课后进一步探究其中的奥秘。给大家布置一道课后练习题：设计一个定点击打程序，在扭腰运动中，自动瞄准并击倒1米外1个视觉标签。

设计意图：短视频的播放和布置练习题可以激发学生课后探究欲望，继续迭代设计，不限制思维模式，不限制工具方式，不限制研究时空，培养学生终身学习和泛在学习意识。

● 教学反思

在探索人工智能新课堂教学的这节课上，笔者和学生运用新媒体新技术做了积极尝试。

蝶变一，思维过程的可视化。传统机器人教学最难以解决的发散思维推理的过程，现在可以用思维导图直观展现出来。学生用传统的纸笔绘制思维导图是一种不插电的编程逻辑的梳理，通过互动课堂软件拍照上传，教师可以在云端下载并查看每位学生的思维分析档案，及时进行鼓励、反馈或者针对性辅导。

蝶变二，自主学习个性化。传统机器人教学对象整体化，进度同步化，教学碎片化。基于翻转课堂，教师提供课前自主学习任务单和教育云网站，突破了课堂教学40分钟的限制，学生可以自主选择内容，反复观看微视频，通过云空间交流答疑，扫清知识障碍，提出有价值的问题，教师可以聚焦学生关注的内容，为课堂上进行师生创新实践提供良好基础。

蝶变三，学习角色多元化。在传统机器人教学中，学生常常被动模仿安装搭建和程序设计，而人工智能新课堂，学生是活动的参与者、技能学习者、创新发明者、工匠打磨者，借助教师提供的互联网+资源，如工具软件、多媒体素材，学生就能不断完善，精雕细琢自己的AI作品。