初中人工智能課程教學初探

普丹

摘要：本文以校本教材中《基于機器學習的圖像識別》一課的教學實踐為例，結合學科核心素養，發掘基于真實情境的項目案例，探索在人工智能問題求解的過程中適度探究人工智能原理，發展計算思維的初中人工智能課程的教學策略。

關鍵詞：初中;人工智能;圖像識別;機器學習

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2022）09-0050-02

近幾年，雖然我國大部分地區展開了人工智能教育，但有些教師常將人工智能課程與人工智能技術混為一談，課堂上只是體驗各種人工智能技術，分享各種人工智能裝備。那么，如何用符合初中生認知規律的方式，引導學生發現身邊的人工智能技術，了解深奧的人工智能原理？如何幫助學生嘗試用人工智能技術優化學習和生活環境？筆者在教學中不斷思考，并以《基于機器學習的圖像識別》一課為例進行了實踐。

● 教學目標設計

《基于機器學習的圖像識別》一課的教學對象為七年級學生，他們求知欲強，具備一定的學習能力及分析問題的能力，能夠在教師引導下進行歸納總結，但認知水平有一定差異，部分學生自制力較弱，注意力難以長時間集中。同時，學生雖然學習過圖形化編程，在生活中也體驗過人工智能軟件或產品，但對人工智能核心技術知之甚少，再加上數學基礎不足，對算法理解有很大難度。鑒于此，在教學過程中，教師應盡量把人工智能實現的過程可視化，并借助軟件封裝復雜算法，降低學習難度，加強個性化輔導。

根據信息技術學科核心素養，參考新課標人工智能初步模塊學業要求，結合學生實際情況，筆者設計了如下教學目標：①觀察、體驗生活中的人工智能實例;建立圖像識別的概念，感受科技發展給生活帶來的改變;②通過猜想、討論以及軟硬結合的實驗探究活動，了解機器學習的過程;③運用圖形化編程軟件編寫程序，逐步掌握運用圖像識別技術解決實際問題的方法，樹立運用信息技術服務生活的意識;④通過對圖像識別原理及構建分類器的過程進行反思，思考人工智能的局限性，發展批判性思維。

● 教學資源準備

筆者基于現有資源和學情，設計了小投入低成本的普惠型人工智能教學活動。現階段多款圖形化編程軟件均包含人工智能體驗模塊，筆者通過使用和篩選確定一款編程軟件為載體，添加攝像頭，開展人工智能教學活動。

● 教學過程及策略應用

在“做中學”思想的指導下，筆者通過創設真實的生活情境，設計探究實踐活動，引導學生自行建構知識的意義。采用圖形化編程的方法降低程序設計門檻，分層教學，照顧到各個認知層次的學生。

1.創設真實情境，培養信息意識

教師運用“體驗智能售貨機”短視頻，引導學生發現生活中的人工智能應用，聚焦運用人工智能技術解決實際問題，并將智能售貨機貫穿于分析圖像識別原理、編程實現的整個教學過程，進而培養學生的信息社會數字化勝任力。

2.運用動畫圖解的方法，解決教學重難點

本節課的學習核心為理解圖像識別原理，分為建立圖像識別概念、探究原理兩部分。

首先，教師運用動畫圖解的方式，呈現人類識別物品的過程，即人通過觀察尋找水果特征，再與腦海中的各種水果特征做對比，找到最接近的一類，做出判斷，輸出結果。學生結合生活經驗，類比人類識別物品的過程，分析機器識別圖像的過程，即獲取圖像→數據表示→特征提取→分辨類別。

接著，教師圖解機器學習建立分類器進行圖像識別的過程。計算機從大量數據中學習，尋找規律，提取特征，進行分類。同樣的事物可以提取出各種不同的特征，以蘋果為例，“紅色、扁圓形、兩端有凹陷、有果柄……”均為其特征，然而“顏色”這一特征可以很好地區分蘋果和橙子，卻很難區分出紅蘋果與紅皮球，“兩端有無凹陷和果柄”這一特征則可以有效地區分二者。通過圖片直觀對比，幫助學生理清“特征”與“有效特征”的概念區別，明確特征提取的過程是提取“有效特征”。把這些有效特征聚集在一起形成一個分類器。當有圖片輸入時，計算機就在分類器中尋找最接近的那一類，做出判斷，輸出結果。這樣，運用動畫圖解的方式直觀地分析特征提取及機器學習過程，突破教學難點。

3.采用軟件封裝復雜算法，為學生適度打開技術黑匣子

在編程軟件中，機器學習模塊僅需拍攝一定數量的圖片就能自動提取圖像特征，對圖像進行分類。學生無需了解機器學習的復雜算法，就能理解圖像識別中提取特征和分類辨別的思想。同時，親自動手構建分類器模型，體會特征提取和測試模型過程，不但認識了機器學習過程，還進一步思考了影響模型性能的因素，進而更加深入地理解機器學習的過程。

4.圖形化編程突出人工智能問題求解的過程，發展計算思維

本節課落腳點是使用人工智能技術解決現實生活中的問題，編程模擬搭建智能售貨機的過程實際上就是表示和實現解決圖像識別問題的算法。建立好的分類器模型在所使用的編程軟件中封裝為三塊積木，教師首先解釋這些積木的用途，隨后對程序進行簡要分析，最后學生編程模擬搭建智能售貨機。編程過程中采用圖形化編程方法，降低了程序設計語言的高門檻，營造充分的創造空間，讓學生在發揮創意的同時發展計算思維。

5.合理看待人工智能技術，樹立正確的人工智能觀

教師設計總結反思環節，通過層層設問，如你制作的智能應用能準確識別物品嗎？你制作的智能售貨機還能銷售其他商品嗎？人工智能是否具有人類智能？引發學生對現階段圖像識別技術的發展水平、局限性及其本質進行思考，啟發學生辯證地看待技術革新，理解新技術并能負責任地使用新技術解決問題，從而培養學生的信息社會責任。

6.低廉的裝備降低人工智能課程開發成本

大部分開展人工智能課程的學校需要購買昂貴的配套裝備，而本節課使用的軟件為免費軟件，硬件也僅添加攝像頭，極大地降低了人工智能課程的開發成本，而低成本裝備是人工智能課程得以實施的物質基礎。

本文為陜西省教育科學“十三五”規劃2020年度課題“基于課程融合的初中人工智能教學實踐研究”（SGH20Y0097）階段性研究成果。