跨学科融合案例开发探索

廖培城

[摘要]未来全球化的发展，物联网、人工智能等技术在生活中的应用，逐渐改变了我们的生活方式和生产方式，未来对人才的需求必然是综合性、高素质的复合型人才。这就要求我们在教学中注重培养学生解决问题的能力，注重培养学生创新精神和实践能力。当前的课程大部分偏向于单学科知识，如何在教学中落实学科融合，培养学生解决问题的能力和综合素养，是我们面临的一个亟待解决的问题。本论文以“基于人工智能的中医草药识别系统开发”为例，引导学生关注社会热点，利用知識解决问题，探索跨学科融合教学的方法，为跨学科融合案例开发提供经验和借鉴。

[关键词]跨学科融合;人工智能;中医草药识别;Python

当今世界是一个技术变革的时代，从互联网、物联网、人工智能到智能制造，这一切都在改变我们的生活方式和生产方式。如何培养面向未来的新型人才，提高学生的科学探究能力、创新能力和解决复杂问题的能力，已经成为各国共同面临的时代课题。2017年国务院关于印发《新一代人工智能发展规划的通知》中提出要开展跨学科探索性研究，推动人工智能与神经科学、认知科学、量子科学、心理学、数学、经济学、社会学等相关基础学科的交叉融合。2016年国务院发布的《全民科学素质行动计划纲要实施方案（2016—2020年）》鼓励开展科学创新与技术实践的跨学科探究内容，同时规范学生综合素质评价机制，促进学生创新精神和实践能力的发展。基于此，我校开展了一系列跨学科的融合教学，以培养学生核心素养为目标，探索多学科融合的方法和途径。

一、项目开展背景

中医药作为我国优秀传统文化，不仅需要传承，而且需要与时俱进地发扬。在教育部关于印发《中华优秀传统文化进中小学课程教材指南》的通知文件中，明确指出反映中华优秀传统文化主要载体形式包括传统医药等古代科技成就。中医药是目前我国中小学在优秀传统文化的传承中一个非常重要的内容，很多学校开设了中草药课程或者相关的实践活动;中医药专家应邀来校开展与中医药文化教育主题有关的活动。一些地方还加强了中医文化校外活动场所的建设，开展了多种形式的实践活动，引导学生继承和发扬包括中医文化在内的优秀传统文化，增强民族文化和价值观的自信心。

自2019年新型冠状病毒疫情爆发以来，中医药在这一次的抗击疫情过程中发挥了重要作用，在抗击疫情的不同阶段都取得了显著成效，赢得了患者赞誉和群众好评，也得到了中国许多企业专家及权威专业人士的认可与肯定。

此背景下，为传承中医药文化，我校创客社团开展了中医药相关的跨学科学习系列活动，在东莞市植物园的中草药园参观学习过程中，很难快速记住众多的中草药，为让学生能够更好地认识中草药的相关知识，结合今年我校初二年级信息技术课程开展的Python课程，加上创客社团学生开展的人工智能课程相关知识，指导学生开展“基于人工智能的中医草药识别系统开发”项目式学习，在学习人工智能的基础上，开发出“中医草药识别系统”，辅助学生更好的学习中草药知识。

二、课程总目标

1.通过开展参观东莞市植物园的中草药园综合实践活动，让学生了解本地有哪些中草药以及中草药的作用等知识。

2.学生通过教师讲解介绍、自主阅读和探究式学习了解人工智能图像识别原理，了解图像识别技术的过程。

3.通过案例的制作，学生能够掌握Python库的安装方法和在程序应用中的调用方法。能够根据程序需要，安装用到的Python库。

4.了解百度AI开放平台的“图像识别”功能，并能运用json库对返回来的数据进行解析，得到图片的分析结果。

5.能够运用webbrower库打开“A+医学百科网站”，了解更多中草药相关知识。

6.能运用pyttsx3库对识别结果进行发音，通过自主探究、学习了解语音合成相关技术和原理。

7.在项目学习过程中，培养学生自主学习能力、团队合作能力，通过对中医药的进一步了解，感受我国中医文化的魅力，加强学生的民族自豪感。学生通过多元评价和自我反思，能够培养学生创造能力、创新精神。

三、教学指导建议与评价方式

（一）教学指导建议

由于项目相对较难，课程要求学生需要具备一定的专业知识，特别是对技术的掌握，建议团队进行合作完成。

1.课程开始前

（1）通过调查问卷，了解学生掌握人工智能基础的知识水平、Python编程知识、中草药的相关知识。

（2）根据学情、学生自身需求，指导学生自由组队。

（3）学生提前注册好百度账号备用。

2.课程进行中

利用导学案引导学生通过头脑风暴、提取信息、讨论决策、合作探究来循序渐进地完成本课程的项目的设计。

（二）评价方式

本课程在评价中注重对学生的过程性评价，对学生的学习过程形成全记录，包括人工智能基础知识、Python编程知识的掌握，采用项目分享、同学自评、互评等多内容、多角度的评价方式评价学生的学习成果，并形成学生学习档案袋，建立学生学习数据，对学生进行学习全过程的记录和评估。每一节课程侧重的方面不同，因此针对每一节课程都设计了评价的指标，通过学生自评、学生之间互评、教师评价等方法来综合评价学生学习效果。

四、课程实施过程

（一）项目导入与问题提出

在参观东莞植物园中草药园的实践活动中，我们虽然认识了一些中草药的名称和形态，一旦没有显示植物名称，我们对一些常见的中草药还是叫不出名字，更不用说能够说出它们的药理价值。面对这样的问题，我们能否制作一个中草药识别系统，只要导入要识别的中草药图片，就能够告诉我们是哪种草药，并能够打开相关的网站，让我们进一步了解该草药的药理价值。

（二）问题分析，了解人工智能图形识别原理，体验AI开放平台“植物识别”功能

问题分析：想要通过图片让电脑识别出图片的内容，可以应用人工智能的图形识别功能。人工智能“图像识别”技术是当前人工智能领域的一个重要的技术，让计算机能够通过分析图片信息，告诉人们图片的内容。图像识别技术图像分析的过程可分为信息采集、预处理、特征提取与选择、分类器设计和分类决策等几个步驟。有了人工智能图像识别技术，我们就可以快速方便地识别出图片的内容。

百度AI开放平台“植物识别”功能，是我们当前接触到的简单方便、易用的人工智能功能，通过调用该接口，可以制作、开发出基于“植物识别”的各种人工智能应用。

学生通过平台体验“植物识别”功能，感受利用人工智能的“植物识别”功能分析图片，了解百度平台识别出来的结果。在该平台上导入图片之后，可以直接查看到分析结果，在Response返回结果中，看到最终返回的结果，有识别到的植物名称，还有相对应的一个识别比例，该结果将是我们后期在调用百度API接口之后需要查看的一个结果。

（三）中医草药系统设计开发

系统开发：系统的开发基于Python进行，通过调用相关的库和百度API接口来完成。该部分重点在于库文件的调用，由于部分程序内容相对较难，可以由老师提供，对于库的安装和API接口的调用，可以由学生自主探究完成，教师给与适当的指导。

（四）项目分享，技术应用

团队分享项目制作成果，并给大家介绍在项目创作的过程中遇到的问题以及问题的解决方案，通过项目分享，增强学生自信，培养学生团队精神。

技术应用：百度API的接口调用方法基本上是相同的，建议同学们在掌握了“植物识别”功能的接口调用之后，也能够应用该技术，能够把百度AI开放平台的其他人工智能功能应用到其他项目的开发中去。

五、实践效果及反思

参考《中小学人工智能课程开发标准（试行）》，课程在设计上面应该考虑到课程的综合性和实践性，人工智能课程的实施，需要融合多学科的知识，通过教学设计创新，开展诸如观察、体验、模拟、实践等多形式的项目化学习活动，努力提升学生对所学内容的整体理解与横纵迁移。本课程在设计上面考虑了课程的综合性和实践性，以中医为切入点，引导学生利用人工智能知识，解决生活中遇到的问题，并在掌握知识之后，把知识迁移，用于解决新的问题。通过课程的实施，能让学生了解并掌握百度AI开放平台接口的调用、Python库的应用以及语音合成等功能的应用，并能够把这些功能应用到项目的开发中去，通过项目的学习，开发制作，能让学生很好地掌握人工智能的基础知识，锻炼了协作能力、语言表达能力。

跨学科学习给常规教学带来了新的学习模式，更带来学习的创新。教师在课程设计中，围绕课标的相关标准，结合学科特点、当地特色、社会热点和学生生活中遇到的问题，融合创新，设计出更多适合自己学生的多学科融合课程。学生通过跨学科课程的学习，在解决问题的过程中，掌握多学科的知识点，并鼓励学生将掌握的知识用于解决新的问题。

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