項目引路、AI賦能、創(chuàng)意無限

王宇涵 張崇珍

摘要：項目化學習是新課程改革過程中倡導的一種新型學習方式、教育理念，其目的是促進學生進行深層學習，實現(xiàn)有意義的學習，助力學生全面可持續(xù)發(fā)展。本文介紹了四個人工智能項目化學習成果，以期為中小學教師的人工智能教育實踐提供更多思路。

關(guān)鍵詞：中小學;人工智能教育;項目化學習

中圖分類號：G434 ?文獻標識碼：A ?論文編號：1674-2117（2022）13-0014-02

項目化學習是在建構(gòu)主義理論、情境認知理論和學習遷移理論的指導下發(fā)展的，強調(diào)以學生為中心，學生通過設(shè)計基于情境的驅(qū)動性問題，主動接受、解釋和加工信息，進而使得真實情境與學科知識產(chǎn)生聯(lián)結(jié)，使得學習者與學習環(huán)境產(chǎn)生深度交互，并實現(xiàn)知識遷移的新型學習方式。

筆者所在的上海人工智能實驗室（以下簡稱“實驗室”），嘗試借助形式多樣的AI科創(chuàng)活動，通過完整的項目化學習實踐過程，引導青少年理解人工智能學科知識并運用多學科知識解決基于真實情境的驅(qū)動問題。

從活動的人工智能項目化學習成果來看，根據(jù)人工智能在項目中的功用分類，可以得學習成果分為“將AI作為研究對象”“將AI作為研究工具”和“將AI作為應(yīng)用技術(shù)”。下面，筆者分別介紹活動中的四個項目成果，希望能為中小學教師的人工智能項目化學習實踐提供更多思路。

● 將AI作為研究對象

“將AI作為研究對象”是指對人工智能算法模型進行改進和優(yōu)化。

項目：基于改進STN的鳥類中細粒度分類算法研究。

該項目將計算機視覺中的細粒度圖像分析作為研究任務(wù)，在CUB200-201數(shù)據(jù)集中將反映動物空間結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵點坐標與空間變換網(wǎng)絡(luò)（Spatial Transformer Network，STN）相融合（如圖1），有效解決了同一鳥類姿態(tài)差異較大而導致識別率下降的問題。實驗結(jié)果表明，該項目加入PoseSTN模塊改進后，在運行時間縮短一半的基礎(chǔ)上，鳥類識別準確率提升了21%。

● 將AI作為研究工具

“將AI作為研究工具”是指中小學生對某一具體真實問題開展理論探究、求證。

項目：黑板反光問題研究。

基于黑板表面在強陽光照射下會產(chǎn)生巨大的反光亮斑，影響教學體驗和教學質(zhì)量，項目團隊通過攝像頭拍攝黑板照片，判斷入射光進入教室的方位。該程序算法首先使用矩形矯正算法獲取黑板的四個頂點（如圖2），經(jīng)過透視變換將黑板的照片矯正成二維正面的矩形圖，然后將該矩形圖分割成100個左右的小方格，并使用自建數(shù)據(jù)集訓練的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將每個小方格分類成“光心”“光暈”和“無光”，得到分類結(jié)果矩陣，再對該矩陣進行減噪處理，最終得到亮斑中心位置。以此為基礎(chǔ)代入教室尺寸數(shù)據(jù)，進行幾何光學計算，就可以得出入射光線的方向以及應(yīng)拉動的窗簾。

● 將AI作為應(yīng)用技術(shù)

“將AI作為應(yīng)用技術(shù)”是指用AI相關(guān)技術(shù)解決真實世界的客觀問題，并將成果應(yīng)用于物理場景案例中。

項目：基于人體姿態(tài)識別和機器學習的武術(shù)教學及評價系統(tǒng)。

武術(shù)教學和評價的標準化和規(guī)范化是學校體育教學中的難點，項目團隊利用人體檢測、人體姿態(tài)識別等技術(shù)，將一整套動作分解為單個基礎(chǔ)動作，并對此進行識別、分類、對比、評價（如圖3）。同時，比較了基于分類規(guī)則和基于機器學習兩種方法，通過實驗結(jié)果證明基于機器學習的分類在準確率、適應(yīng)性方面都有明顯優(yōu)勢。

項目：車輛駕駛視覺輔助系統(tǒng)。

在駕駛車輛時，由于車速過快、駕駛員視力不好、樹枝綠化遮擋、駕駛員開小差、傍晚黃昏夜間光線不足等，駕駛者經(jīng)常會漏看路上的交通標志牌、地面導向標志、紅綠燈、行人、非機動車等，導致駕駛違章，甚至是發(fā)生事故。該項目借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行深度學習，運用卷積算法提取圖像的特征，依靠GPU高效的并行計算架構(gòu)完成實時目標檢測。系統(tǒng)可識別道路交通標志、地面導向標志、機動車、非機動車、行人、交通信號燈等目標，輔助觀察前方道路、被汽車A柱遮擋區(qū)域、轉(zhuǎn)彎和倒車盲區(qū)等位置，彌補夜間視線模糊情況，給予駕駛者適當提示，避免違章，防止事故發(fā)生，提升主動安全。

● 總結(jié)展望

隨著人工智能普及教育的發(fā)展，越來越多的中小學生參與到中小學人工智能項目化學習實踐中，其學科項目化學習成果、學科知識的理解與應(yīng)用能力也得到不斷發(fā)展。后續(xù)，筆者所在團隊會繼續(xù)挖掘、融合更多平臺資源優(yōu)勢，啟發(fā)學生思考真實問題，制訂項目化學習計劃，完成具有個性化、創(chuàng)意性的人工智能項目，為青少年人工智能教育生態(tài)建設(shè)和人才集聚提供良好支撐，為我國選拔和培養(yǎng)人工智能領(lǐng)域的未來人才助力。

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