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小学人工智能课程的实施与探索—— 以“认识图像识别”为例

作者:教育资源 发布时间:2019-07-12 17:43:20 点击数:445

随着人脸识别、车牌识别等技术在生活中的广泛应用,图像识别技术越来越深入人们的生活。为了帮助小学生更好地了解科技前沿,激发学生对科技的兴趣,培养学生的创新能力,东城区的部分小学已经开设了人工智能课程。课程的开设,让学生慢慢了解到图像识别、语言识别等前沿科学技术。同时,针对不同的学习内容,教师会采用不同的形式开展教学,以确保课堂内容既是学生喜欢的,又是适合学生的。 


图像识别的发展经历了三个阶段:文字识别、数字图像处理与识别、物体识别。文字识别的研究是从1950年开始的,一般是识别字母、数字和符号,从印刷文字识别到手写文字识别,应用非常广泛。本文以“认识图像识别”课堂教学为例,梳理了人工智能前沿科学在小学开展教育教学活动的内容和方法。 


课前分析及目标阐明


1.教学内容分析


本课以“人机类比”的方法,初步介绍了图像识别的大体步骤。图像识别在人工智能中是非常重要的内容,数字识别、人脸识别、指纹识别等都属于它的范畴,它产生的目的是为了让计算机代替人类去处理大量的物理信息。目前,图像识别主要应用在医学、军事、通信等多个领域,本课选用了手写数字识别、车牌识别、人脸识别等贴近学生生活的内容,通过活动让学生初步认识图像识别。


手写数字识别是图像识别领域的一个重要问题,因此,本课选用了“机器如何识别手写数字”作为重点研究内容,由于手写数字的不规范和多样性,使数字识别时所要处理的信息不仅量大,而且复杂。为了达到更好的识别效果,要求识别系统要从大量数据中抽取关键信息进行识别。其中一种方式是先将手写的数字转化为二值图像,再提取特征,进行比对,这种方法与书写的顺序无关,容易识别“补笔画”“自由始终点”的数字或字符。本课向学生介绍的就是这种方法。


手写数字识别的过程主要包括图像预处理、形态学操作、提取特征、特征比对、输出数字等。考虑到小学生的认知特点,教师引导学生将其总结为“获取数据、提取特征、特征比对、输出数字”四个步骤,这个过程在图像识别的应用中基本是通用的。因此,除了手写以外,课堂上还引入了车牌识别、人脸识别等内容,让学生通过不同的内容了解图像识别。


2.学生特征分析


法国教育家卢梭说过:“大自然希望儿童在成人以前就要像儿童的样子,如果我们打乱这个次序,就会造成一些果实早熟,他们长得既不丰满、也不甜美,而且很快就会腐烂。”超越学生心理或生理发展水平的教育会妨碍孩子的成长。作为教师,更要全面了解孩子的情况,进行合理的教学设计。 


本课的授课对象是小学四年级的学生,他们当前正处于大脑发育的关键时期,已经开始从被动学习向主动学习转变,思维能力也处于转折时期,抽象概括、分类、比较和推理能力也开始形成。但是,他们还不能理解很多的抽象事物,更善于根据观察、体验获得的直接感受去认识事物,并且,他们依然拥有孩子爱玩的天性,游戏类的活动往往更能激发他们的参与欲望。因此,本课设计了多个游戏及体验活动,但并不仅仅停留在体验的层面上,要求学生在体验之后,深入剖析问题、尝试针对问题提出可行的解决策略,从而培养学生的思维能力。


学生原本就对图像识别在生活中的应用非常感兴趣,再加上丰富的活动,使他们全身心地参与课堂。在前面的学习中,学生已经具有了一定的基础,他们认识了像素、知道图像是如何编码的、学习了图像的二值化,这些都为学习本课内容奠定了扎实的基础。 


3.教学目标


基于教学内容以及学生特征的分析,本课的教学目标有三个:了解机器识别手写数字的过程;知道手写数字识别、车牌识别、人脸识别等图像识别技术在生活中的应用;能够合理分析图像识别在应用过程中遇到的现象或问题。

图像识别教学过程


大家知道,对于人类来说,理解图像所表达的信息是很容易的,这是人类视觉系统数万年演变进化的结果。但是对于机器,让它理解一张图片上的信息是非常复杂的数据选择和计算比较的过程。依据学生的认知特点,教师在本课中设计了多个活动,其中的“猜数字”“猜猜我是谁”等内容都是让学生先总结出自己是如何识别数字、识别人脸的,从而帮助他们理解机器识别图像的过程。


1.导入——猜数字游戏


机器识别图像的过程和人类大脑理解眼睛所看到的东西的过程是非常相似的,本课以“猜数字”游戏导入,教师先出示被遮住一部分的手写数字图片,慢慢露出整个数字,让学生猜一猜数字是几。游戏结束后,学生说一说自己是怎样猜出来的,通过游戏,激发学生的学习兴趣。


2.新授


(1)排序。学生了解自己猜数字的过程是为总结机器识别数字的过程进行铺垫,教师给学生出示了猜数字的四个步骤,让学生尝试根据自己的理解进行排序。学生很快能够正确完成排序任务。总结出“用眼睛看——提取特征——查找记忆——说出数字”这个过程是自己认出数字的过程。


(2)体验手写数字识别软件。上一个活动结束之后,教师引导学生说一说生活中机器识别手写数字的例子有哪些,接着,让学生体验一个识别手写数字的软件。学生通过体验能够初步感受机器识别数字的过程,知道机器输出的结果是经过比对之后得到的,还能认识到此软件中机器识别的结果不一定完全准确,教师针对这个问题,引发学生思考,机器识别数字的结果不准确时,原因可能是什么呢?


教师出示图片,请学生们观察并说一说发现了什么,教师向学生介绍图片上的内容是机器识别数字时获取到的数据,请学生先思考,机器会怎样提取特征呢?然后请学生用笔描画出数字 “1”和“0”的分界线,观察描画完的结果。学生通过观察、思考和操作了解了机器究竟是怎样从大量数据中提取数字特征的,并总结出机器识别手写数字的步骤为“获取数据——提取特征——特征比对——输出数字”,这也是本节课的教学重点。


(3)体验车牌识别。生活中比较常见的关于数字识别的应用就是车牌识别,当然车牌识别也包含文字识别,但是文字识别和数字识别的原理是相似的。因此,在课堂上,教师给每个小组的同学准备了一张打印出来的车牌,让学生使用平板电脑上的软件去识别。车牌上的内容是教师精心设计的,有的车牌字迹很模糊,有的划痕明显,还有的只有“老年代步车”这样的文字,由于每个小组的车牌内容都不一样,促使学生在操作时进行小组讨论,思考为什么车牌上的数字模糊、有划痕,还能被识别出来,通过讨论和分享加深对图像识别的理解。教师也及时抓住契机,对学生进行品德教育,让学生清楚地知道任何时候都不能存有侥幸心理,使用不符合要求的车牌。


3.拓展


此环节,教师设计了两个活动,对本节课所学内容进行拓展,让学生更充分地去认识图像识别。


(1)体验“猜画小歌”。“猜画小歌”是一个人工智能猜画的小程序,学生可以根据软件出的题目,进行绘画,由软件来猜自己画的是什么。课堂上,当一位学生在画画的时候,全班同学都和他一样兴奋,整个过程,学生的参与度很高。本活动的最后,我引导学生思考“机器为什么能猜出我们画的画呢?”让学生在体验的同时,要及时发现问题、思考问题,培养学生的思维能力。


(2)“挑战”人脸识别。在这项活动中,教师并没有直接让学生体验人脸解锁,而是先玩了一个“猜猜我是谁”的游戏,教师出示只露出眼睛的学生照片,让他们猜一猜照片是班里的哪位学生,通过这个游戏,让学生先体验自己根据特征识别人脸的过程。接下来,请一位学生现场向教师的手机中录入自己的脸部信息,完成之后,马上验证能否解锁手机。这个活动之所以用“挑战”这两个字,是因为学生们在挑战人脸解锁这个应用时,他们想知道用什么方法能让录入面部信息的那位学生解不开教师的手机,如让他做鬼脸或戴上墨镜、口罩之后再去解锁手机,并根据结果分析原因。特别巧的是,在上课的班级中,有一对双胞胎,这激起了学生很强烈的好奇心,他们想知道双胞胎能不能互相解锁手机呢?在好奇心和求知欲的驱使下,学生们当时就迫不及待地验证了这个问题,通过验证,学生们发现双胞胎是可以互相解锁手机的。这个“挑战”的过程,是学生全身心参与的过程,也是启发学生思考的过程。


本课最后的环节是让学生谈谈自己的收获和感悟,教师及时将学生的发言进行总结,也提出一些问题,如双胞胎能够互相解锁的问题应该怎样改进呢?在生活中,我们应该怎样去应用技术等。通过问题,引发学生更深入的思考。本次学习活动虽然结束了,但学生探究人工智能的愿望没有停止,他们带着新的思考,期待着下一次的学习内容。

教学反思


总体上看,本课的教学达到了预期的效果,学生参与度高、积极性强,始终体现了以学生为主体的思想。


本课力求让学生在轻松有趣的学习氛围中获得知识,主要讲授的是图像识别的大致过程以及它在生活中的重要作用,让学生初步了解图像识别背后的一些原理,激发他们的创新意识。通过讨论、分析、总结,让学生能够客观地看待技术发展带来的两面性,能够合理地应用技术。即使本课程开设的时间还不长,但是,在课堂上, 90%以上的学生都能认真参与,并且学习热情高涨,从课堂上学生的状态和课后的反馈可以得知,学生的收获是非常大的。本课中,教师之所以采用活动式的教学策略,目的是让人工智能的教学能够适应小学生的特点,让这门课能够真正在小学开设得有效果、有意义。


作者单位 | 北京市第一师范学校附属小学

内容来源 | 《中小学信息技术教育》杂志2019年第7/8期《小学人工智能课程的实施与探索—— 以“认识图像识别”为例》一文