《靈眸識標(biāo)簽》教學(xué)設(shè)計

吳鑫

● 創(chuàng)新整合點

運用人人通空間APP推送課前自主學(xué)習(xí)任務(wù)單，并使用問卷調(diào)查在線統(tǒng)計，解決了翻轉(zhuǎn)課堂中難以對學(xué)生學(xué)情準(zhǔn)確反饋的痛點。人工智能課堂教學(xué)的內(nèi)容一般容量較大，教師提前獲取反饋信息有利于對難點進行分解，剔除雜亂干擾因素，集中解決核心問題，凸顯學(xué)生主體性。

繪制思維導(dǎo)圖并拍照上傳，幫助學(xué)生理清編程邏輯問題。其中，在存儲云臺航向軸和俯仰軸的教學(xué)中，自然地整合數(shù)學(xué)的數(shù)對知識。

使用平板電腦授課，采用2人一小組使用1臺機器人的方式，從物理結(jié)構(gòu)上促進學(xué)生進行合作學(xué)習(xí)。利用移動設(shè)備進行圖形化操作，既輕便又容易調(diào)試，減少了學(xué)生往返調(diào)試折騰的時間。

● 教材分析

本課取自于人民郵電出版社出版的人工智能普及教材《機甲大師成長指南——用RoboMaster機器人入門人工智能》第9課。本書秉承盧梭“自然教育”和陶行知“教學(xué)做合一”的思想，以第一人稱行文，從兒童的視角和認知模式，觀察新事物，學(xué)習(xí)新知識，練就新本領(lǐng)。書中以編程與操控雙線螺旋結(jié)構(gòu)開展項目式學(xué)習(xí)，旨在培養(yǎng)學(xué)生高階計算思維能力，同時鍛煉他們的臨場實戰(zhàn)能力。《靈眸識標(biāo)簽》內(nèi)容為人工智能圖像識別模塊的第一節(jié)實踐。

● 學(xué)情分析

學(xué)生經(jīng)過三、四年級的信息技術(shù)基礎(chǔ)知識與技能的學(xué)習(xí)鍛煉后，具有一定的動手能力和計算思維，數(shù)學(xué)課上也學(xué)習(xí)了數(shù)對的相關(guān)知識。同時，在生活中初步明確了人類與機器的關(guān)系，能識別計算機系統(tǒng)的簡單智能行為。一部分學(xué)生會使用簡單的編程工具，熟悉其基本的語法規(guī)則，但零距離接觸機器人進行智能化編程較少。對機甲大師機器人，學(xué)生們普遍興趣濃厚，這一方面是因為產(chǎn)品自身的科技魅力，另一方面是因為機甲大師很適合對戰(zhàn)比拼，有強烈的競技體驗。在前置課中，學(xué)生已經(jīng)了解了機甲大師S1機器人的基本功能和基礎(chǔ)編程積木，熟悉了平板電腦互動功能的基本操作步驟。

● 教學(xué)目標(biāo)

知識與技能目標(biāo)：①能夠列舉機甲大師攝像頭識別范圍和對象;②能夠簡述人工智能的圖像識別原理。

過程與方法目標(biāo)：①能夠按照自然語言—思維導(dǎo)圖—程序語言的順序，將思路從自然語言轉(zhuǎn)化為電腦能夠識別的程序語言進行編程;②能夠進行數(shù)對知識遷移，運用函數(shù)和列表編寫程序，實現(xiàn)定點自動擊打視覺標(biāo)簽。

情感態(tài)度與價值觀目標(biāo)：①理性思維：崇尚真知，能解釋或舉例說明基本的科學(xué)原理;②在研究解決問題的過程中，團結(jié)協(xié)作，敢于創(chuàng)造，樂于分享。

● 教學(xué)環(huán)境與準(zhǔn)備

教學(xué)環(huán)境：多媒體網(wǎng)絡(luò)教室、學(xué)生平板電腦、機甲大師S1機器人。

教學(xué)準(zhǔn)備：平板電腦安裝互動課堂和RoboMaster軟件、課前自主學(xué)習(xí)任務(wù)單、課堂學(xué)習(xí)記錄單、紙質(zhì)教材、各組視覺標(biāo)簽、地面視覺標(biāo)簽和比賽場地布置、比賽獲獎證書、備用電池。

● 教學(xué)過程

1.創(chuàng)設(shè)激趣，問題引入

師：上節(jié)課，老師給大家介紹了一個機器人伙伴——機甲大師S1。誰認識左邊這張圖（大鍋）是什么？我們的機甲大師也有一只明亮的“眼睛”，這兩種眼睛收集的信號一樣嗎？機甲大師是怎么識別圖像信號的呢？本節(jié)課，我們就以視覺標(biāo)簽為例子，一起來研究研究吧。

學(xué)生活動：對比平塘天眼，分辨無線電信號和圖像信號，明確學(xué)習(xí)主題，思考機甲大師攝像頭是如何識別圖像的。

設(shè)計意圖：環(huán)節(jié)目標(biāo)是復(fù)習(xí)舊知，引發(fā)圖像識別思考。通過圖片對比，判斷機甲大師攝像頭收集的是圖像信號，激發(fā)學(xué)生探究欲望。

2.做中學(xué)練，驗證實效

活動一：課堂檢測

①師：在研究之前，老師要考一考大家是否還記得上節(jié)課學(xué)習(xí)的內(nèi)容。請同學(xué)們完成兩道選擇題。

②講解試題，反饋正確率。

學(xué)生活動：復(fù)習(xí)活動，平板電腦檢測，進行互動課堂在線測試。

設(shè)計意圖：運用教育云平臺進行快速檢測，反饋學(xué)生課前學(xué)習(xí)情況。

活動二：認識S1攝像頭

師：機甲大師擁有一顆F2.4光圈，120度視角的500W像素攝像頭，請同學(xué)們打開RoboMaster軟件或教材第50頁，以視覺標(biāo)簽為例，找一找哪里可以打開機甲大師的圖像識別功能。你還有什么新發(fā)現(xiàn)？

學(xué)生活動：尋找“智能”中開啟視覺識別的模塊，認識視覺識別對象和范圍。

設(shè)計意圖：學(xué)生參考微視頻和電子教材嘗試進行視覺標(biāo)簽識別測試，提供自學(xué)的腳手架。

活動三：編寫視覺標(biāo)簽自動瞄準(zhǔn)程序

師：怎樣讓我們的機甲大師自動瞄準(zhǔn)123視覺標(biāo)簽?zāi)兀?/p>

學(xué)生活動：①小組討論，整理編程思路;②觀看微視頻，嘗試編寫自動瞄準(zhǔn)程序;③測試運行效果，小組匯報自動瞄準(zhǔn)視覺標(biāo)簽程序。

教師巡視指導(dǎo)，指名學(xué)生展示。

設(shè)計意圖：課前有一些學(xué)生已經(jīng)觀看了微視頻，課堂上引導(dǎo)學(xué)生再次觀看微視頻復(fù)習(xí)，嘗試編程實現(xiàn)視覺標(biāo)簽基本擊打功能，如圖1所示。

師：在程序中，機甲大師通過攝像頭識別到視覺標(biāo)簽并瞄準(zhǔn)，這里運用的就是人工智能圖像識別技術(shù)，我們一起來了解其中的秘密。（看微視頻《解密機甲大師圖像識別原理》）

學(xué)生活動：觀看視頻，能初步解釋圖像識別基本原理，用自己的語言解釋圖像識別的基本步驟，理解其中包含的原理，如圖2所示。

設(shè)計意圖：使用多媒體動畫，深入淺出地解釋圖像識別的基本原理，便于學(xué)生理解。

3.拓展提高，優(yōu)化方案

師：在機甲大師青少年挑戰(zhàn)賽中，通過快速、順序地擊打視覺標(biāo)簽可以讓戰(zhàn)隊獲得雙倍攻擊力，那應(yīng)該怎樣修改程序，讓機甲大師快速擊打視覺標(biāo)簽?zāi)兀?/p>

活動四：編寫快速擊打視覺標(biāo)簽程序

①師：在編程界面中，打開FPV窗口，然后運行前面的程序，觀察狀態(tài)列表，你發(fā)現(xiàn)了什么？怎樣存儲云臺角度？

學(xué)生活動：思考快速擊打視覺標(biāo)簽簡易解決方案。

②教師播放微視頻《函數(shù)知識點介紹》，引導(dǎo)學(xué)生新建列表和函數(shù)進行編程。指名、協(xié)助學(xué)生分析程序邏輯。

學(xué)生活動：

a.通過點頭搖頭形象區(qū)分航向軸和俯仰軸。

b.小組討論，繪制思維導(dǎo)圖，整理編程思路，平板電腦拍照上傳。

c.匯報編程思路，了解程序運行邏輯順序：初始化—識別—存儲—讀取—射擊。

d.完善程序，進行場地測試。

活動五：小組PK賽，體驗自動擊倒視覺標(biāo)簽成功感受

師：看來同學(xué)們已經(jīng)躍躍欲試想互相比一比了。讓我們開展小組PK賽吧！先看比賽效果視頻，了解屏幕上出示的比賽規(guī)則，如圖3所示。

學(xué)生活動：①了解比賽規(guī)則;②小組輪流比賽;③分享成功和失敗經(jīng)驗。

設(shè)計意圖：以競賽真實環(huán)境提出挑戰(zhàn)問題，促進學(xué)生優(yōu)化程序方案。小組討論，手繪思維導(dǎo)圖，通過平板拍照上傳，交給學(xué)生學(xué)習(xí)方法——整理編程中的邏輯，提高計算思維能力。

4.分享總結(jié)，課后迭代

教師小結(jié)：

①反復(fù)出現(xiàn)的語句，可以用函數(shù)來打包調(diào)用。

②變量和列表都可以存儲數(shù)據(jù)，但并不相同，變量像黑匣子，列表更像貪吃蛇。

③云臺俯仰軸和航向軸可以在FPV即時查看。

師：通過這節(jié)課的學(xué)習(xí)，你受到了哪些啟發(fā)？（演示機甲大師賽，快速射擊能量機關(guān)視頻，鼓勵學(xué)生進行人工智能實踐研究）

學(xué)生活動：整理思緒，寫下筆記，分享學(xué)習(xí)收獲，激發(fā)程序迭代設(shè)計。

教師拓展：在生活中，圖像識別的應(yīng)用十分廣泛，如“刷臉”支付、掃碼簽收快遞、圖片中提取文字、手機指紋解鎖等，同學(xué)們可以在課后進一步探究其中的奧秘。給大家布置一道課后練習(xí)題：設(shè)計一個定點擊打程序，在扭腰運動中，自動瞄準(zhǔn)并擊倒1米外1個視覺標(biāo)簽。

設(shè)計意圖：短視頻的播放和布置練習(xí)題可以激發(fā)學(xué)生課后探究欲望，繼續(xù)迭代設(shè)計，不限制思維模式，不限制工具方式，不限制研究時空，培養(yǎng)學(xué)生終身學(xué)習(xí)和泛在學(xué)習(xí)意識。

● 教學(xué)反思

在探索人工智能新課堂教學(xué)的這節(jié)課上，筆者和學(xué)生運用新媒體新技術(shù)做了積極嘗試。

蝶變一，思維過程的可視化。傳統(tǒng)機器人教學(xué)最難以解決的發(fā)散思維推理的過程，現(xiàn)在可以用思維導(dǎo)圖直觀展現(xiàn)出來。學(xué)生用傳統(tǒng)的紙筆繪制思維導(dǎo)圖是一種不插電的編程邏輯的梳理，通過互動課堂軟件拍照上傳，教師可以在云端下載并查看每位學(xué)生的思維分析檔案，及時進行鼓勵、反饋或者針對性輔導(dǎo)。

蝶變二，自主學(xué)習(xí)個性化。傳統(tǒng)機器人教學(xué)對象整體化，進度同步化，教學(xué)碎片化。基于翻轉(zhuǎn)課堂，教師提供課前自主學(xué)習(xí)任務(wù)單和教育云網(wǎng)站，突破了課堂教學(xué)40分鐘的限制，學(xué)生可以自主選擇內(nèi)容，反復(fù)觀看微視頻，通過云空間交流答疑，掃清知識障礙，提出有價值的問題，教師可以聚焦學(xué)生關(guān)注的內(nèi)容，為課堂上進行師生創(chuàng)新實踐提供良好基礎(chǔ)。

蝶變?nèi)瑢W(xué)習(xí)角色多元化。在傳統(tǒng)機器人教學(xué)中，學(xué)生常常被動模仿安裝搭建和程序設(shè)計，而人工智能新課堂，學(xué)生是活動的參與者、技能學(xué)習(xí)者、創(chuàng)新發(fā)明者、工匠打磨者，借助教師提供的互聯(lián)網(wǎng)+資源，如工具軟件、多媒體素材，學(xué)生就能不斷完善，精雕細琢自己的AI作品。