基于活动体验的小学人工智能教学研究——以《图像识别》为例

☉周旺纯

一、人工智能与人工智能教学

21 世纪以来，随着计算机网络、大数据等新技术的飞速发展，伴随着认知科学理论研究的不断深入，人工智能在计算机及生产领域，对人类生产与生活的诸多方面产生着深刻的影响。人工智能涉及的知识范围非常宽广，图像识别是人工智能研究领域的核心问题之一。解决图像识别问题对人脸识别、自动驾驶、机器人等各领域研究都有重要意义。

为抓住人工智能发展的重要机遇，2017 年7 月，国务院印发了《新一代人工智能发展规划》，明确提出要完善人工智能教育体系，拓宽人工智能教育内容，在中小学阶段设置人工智能相关模块并逐步推广人工智能教育。如今人工智能进学校、编程教育进课堂已上升为国家战略。

教育部于2017 年底正式公布了《普通高中信息技术课程标准》，将“人工智能初步”设置为“选择性必修”模块，让学生根据升学、个性化发展需要进行选学，并列为综合素质评价的内容。2022 年4 月，教育部发布了《义务教育信息科技课程标准》，构建了以数据、算法、网络、信息处理、信息安全、人工智能为课程逻辑主线，引导学生理解、体验人工智能，合理选用人工智能，了解人工智能对信息社会发展的作用和挑战，促进学生在数字世界与现实世界中健康成长的课程标准。

二、基于活动体验的人工智能教学

体验是中小学生最基本的学习形式。在知识或技能的学习过程中，只有通过学生的亲身体验才能最终有效完成。体验学习是将学习者置于某些特定情境中，通过给学习者提供直接的感官刺激，并与外界环境进行交互作用，以此来激发个体内在的探究欲望与情感反应，在实践中学习者通过体验、感知、认知、行为等过程的整合统一，构建属于个体自身的个性化知识体系［1］。

人工智能是一门新兴的前沿技术，其教育的要点在于既能够让学生理解其基础知识，掌握其基本技术，又能够在现实生活中灵活应用。这样，既避免了相关知识的碎片化，又能激发学生参与的兴趣。我国人工智能教育的起步虽然较早且有明确的政策引导，但在实践中，仍存在“教学内容分化”等问题：要么“将人工智能某些子领域的模型和理论直接搬到课堂，以技术性知识为主组织教学”；要么“只强调学生的体验，侧重于吸引学生进行简单的动手实践”而忽略儿童对人工智能的重要概念和思想方法的理解［2］。

2022 年版《义务教育信息科技课程标准》指出：“小学低年级注重生活体验；小学中高年级初步学习基本概念和基本原理，并体验其应用。”因此，义务教育信息科技课程中的人工智能教学应强调让学生在活动中体验，既让学生实践，又让学生在活动中理解其概念和方法，例如“智能体”的感知、学习、决策和交互等。

三、人工智能教学的路径设计

经过不断学习与实践，我们探索出基于“活动体验”的人工智能教学路径，即以“感知体验概念构建 实践探究 拓展应用”为主线，采用探究式、体验式和小组合作式开展学习。学生能够直观感受人工智能具体应用，自主探究人类和机器思考并解决问题的过程，动手实践使用图形化编程软件训练模型并解决问题。

（一）人工智能课的学习重点

人工智能课是要让学生真正理解到人工智能是如何来解决问题的。在教学过程中，不可避免地要涉及平台和工具的使用，但这些不应该成为重点学习的内容，只是借助它们实现人工智能。在教学中，可以展示我们生活中最常见的一些应用实例，特别是现在很多小区门口装置的人脸识别设备，引导学生了解人工智能的相关领域。要让学生知道人工智能目前主要的实现方法就是机器学习，也就是通过大量的数据学习，并在学习过程当中发现规律，建立模型。

（二）人工智能课的问题设计

人工智能课，应当是一个完整的学习过程，让学生在解决问题的过程中学习知识。所设计的问题一定要有明确的指向性，指向学生的最近发展区。以《图像识别》为例，从学生的学习角度来说，需要理解人工智能解决问题的方法，最主要的方法就是机器学习，机器要通过大量的学习，才会有技能。机器学习的过程有输入数据、调用并进行训练，例如猫狗识别，老师分别采集多张猫狗的图片，注明相应的标签后，才能给机器训练。对于学生而言，应懂得其原理，但如果让学生在一节课里为提高识别率，训练大量数据，这肯定不可取，应该减少图片张数，带领学生经历机器学习的完整过程。

（三）人工智能课的情境创设

人工智能课教学情境的创设应建立在学生真实生活经验的基础之上，选择学生耳熟能详、经常接触的应用问题。例如因为新冠肺炎疫情，许多商场进门的地方设置有带摄像头的机器人，当我们进门时，如果没戴口罩，它会提醒大家戴口罩。通过这样的实例导入，学生自然会很感兴趣，也就产生了学习需求。

四、人工智能教学例探

《图像识别》是江苏凤凰科技出版社出版的小学六年级课本《小学信息技术》第23课的内容，主要教学目标为引导学生对图像识别进行初步探究，利用植物识别和动物识别的应用，分析图像识别的基本流程，感受人工智能的便捷和神奇之处。

本课面对的教学对象为小学高年级段的学生，这个年龄段的学生，好奇心强，善于用观察、体验获得的直接感受去认识事物，对生活和学习中一些人工智能产品也有一定的了解，在之前的学习中，已经会运用图形化编程软件创建程序，掌握基本制作流程和设计方法，具有较好的认知经验。

基于活动体验的教学理论，本课设计了四个环节，第一个环节是引入生活中手机智能识别植物的具体应用，贴近学生生活经验，激发学生的兴趣，为了解图像识别的基本概念奠定基础。第二个环节从人是如何识别动物，引导学生分析人类图像识别的过程，之后借助机器学习平台来演示模型的训练、学习和测试，得出机器图像识别的基本过程，通过人机类比解决基本原理的问题。第三环节让学生亲身体验“创趣”学生机器人器材和百度AI 开放平台的智能图像识别应用，进一步探究人工智能，明确百度提供的AI 模型之所以能识别很多的物体，实际上是技术人员为机器训练了大量数据，否则识别率会很低。第四个环节是展望人工智能的未来，激发学生进一步学习人工智能的兴趣。

（一）情境创设，感知智能

通过展示生活中人工智能在图像识别的应用，让学生了解图像识别给生活带来的便捷，从而激发学生的学习兴趣。

例1：

教师事先带来一盆本地区不常见的植物，先让同学们猜想，这究竟是什么植物，它有哪些主要特征。在同学充分猜想的基础上，提出要来验证一下。

教师示范操作：打开手机上的“形色”APP 来识别该植物，拍摄并识别该植物，并将识别结果发送到一体机大屏上。

讨论并小结：用这个方式来识别植物方便吗？这是植物识别，是图像识别技术在生活中的一个应用。

例2：

讨论：自然界里有好多奇妙的植物——开花的、结果的、多彩的……对于不确定、不认识的植物，我们有什么办法可以快速知道？

观看视频并思考以下问题：

（1）使用百度APP 的“识万物”功能，有哪几步操作？

（2）该功能使用什么方式来获取植物的信息？（拍照或上传植物的图片）

（3）这是什么技术？（图像识别）

（二）人机类比，初识智能

机器的图像识别参考了人类图像识别的过程与原理，可通过类比的办法帮助学生学习。学生在自主学习图像识别技术的基本概念，回顾人类识别图像的过程这一基础上，借助机器学习平台来演示模型的训练、学习和测试，最终得出图像识别的基本流程，即：通过对数据进行模型训练，当有新数据输入，提取重要特征并应用分类模型，最终实现识别功能。

例3：

人类具有较强的图像识别能力，但如今我们生活在一个知识爆炸的时代，我们已经无法通过自身识别来满足工作、学习及生活需要。借助智能图像识别，可以帮助我们更快、更准确地获得图片的相关信息。那什么是图像识别呢？

活动1：自主学习，初识图像识别。

（1）读一读：什么是图像识别？（借助计算机和人工智能技术对图像进行处理、分析和理解，最终识别我们所要研究的对象。）

（2）想一想：计算机视觉模仿了人什么行为？（看）

（3）议一议：我们看到的和计算机看到的图像一样吗？（不一样，计算机看到的是一堆数字。）

活动2：人机类比，了解识别原理。

图像识别技术就是计算机模拟人的眼睛，像人那样观察世界，代替大脑处理各种信息。那么人类究竟是如何识别物体的呢？

教师出示一幅家猫的图片，引导学生思考：

（1）人类识别出“猫”的第一步是“看”，那么究竟要看什么呢？（三角耳朵、胡须、爪子、尾巴……）

（2）在获得了这个动物的特征后，在脑海中如何进行判断？（查找、比对）这些有关动物的知识从哪里获取？（前期的不断学习与积累）

（3）小结人类识别猫的基本步骤，即：我们通过日常学习获得知识，当看到猫时，只要提取它的特征，在脑海中查找比对相同或相类的动物，最终就可以得出结论，这样的过程是人类图像识别的过程。

（4）图像识别能力对于我们来说是自然获得的，但对计算机或其他设备来说却是一项非常艰巨的工作，它是如何识别的？观看视频《人工智能中的图像识别技术》。

思考：

◆机器需要学习吗？谁来帮助机器进行学习？

◆人们在对机器进行模型训练，准备了哪些样本数据？

◆从不认识猫、狗到识别出结果，经历了哪些基本过程？

图像获取－特征提取－查找比对－得出结论。

（三）案例分析，探究智能

在了解图像识别的原理后，应让学生通过搭建平台认识图像识别程序流程，在实践中认识每个控件的作用和意义，体验图像识别模块的神奇之处，培养学生的创新意识和实践能力。学生在组合硬件模块的基础上，编写可以训练并识别新数据的程序，从而激发对人工智能学习的求知欲，为后续利用人工智能技术进行更多应用尝试作铺垫。如果不具有向学生提供硬件平台的条件，也可以让学生通过具有人工智能插件的编程软件来进行探究。

例4：

活动目标：利用“创趣”学生机器人器材和XDing 软件扩展AI功能，搭建脚本，实现智能图像识别。

由以上方差分析可知，在影响草果脱水量的因素中，微波作用时间和微波功率影响显著，物料量影响不显著。三因素及其交互作用对脱水量的影响见图4～图6。

问题提出：小明和小红对一些小区可以刷脸进门很感兴趣，想请大家帮助他们利用人脸照片设计刷脸开门的程序。

（1）注册信息。我们要利用图像确定人员的身份，所以要给这两幅图像各注册一个名字，小组合作完成。

（2）连接“创趣”器材，包括主板、舵等。

（3）搭建脚本，实现舵机转动功能（模拟开门）。

例5：

活动目标：利用Kitten block编程软件扩展模块“人工智能”中的“机器学习”和“视频侦测”插件来进行智能图像识别。

问题提出：现有苹果和梨的若干图片，让我们为机器设计并训练能够识别这两种水果的程序。

①初始化特征提取器。

②依次上传本地水果图片，从这些图片中提取它们的特征。

③提取这些特征到对应的水果分类标签。

（2）修改脚本，训练多张图片。

原来的脚本只能学习少量图片，为了提高识别率，如何让机器学到更多的图？

（3）添加控件，识别水果。

训练完模型后，当有新数据输入时，可以用哪些控件来识别呢？合作完成水果识别。

（四）拓展延伸，展望智能

通过师生交流，总结图像识别的原理，展望图像识别的未来，激励学生学习的兴趣。

例6：

图像识别应用在许多领域有着重要的价值，前景也是不可限量的，人类的生活也将更加离不开图像识别技术。出示图片：3D 试衣镜、人流量检测、疲劳检测、危险动作提醒、车辆识别脸部特效……

例7：

图像识别技术在生活中的应用非常广泛，你能列举一些身边的例子吗？

五、结束语

在小学阶段，应注重将人工智能复杂的工作过程，进行简化、类比，形象生动地向学生进行传授，并利用学生身边的例子来开展教学，激发学生深入探索人工智能的兴趣。在具体教学实施过程中，可采用基于学生真实体验的活动教学，尽可能让学生动手实践，激发学生主动思考的意识。