初中人工智能课程教学初探

普丹

摘要：本文以校本教材中《基于机器学习的图像识别》一课的教学实践为例，结合学科核心素养，发掘基于真实情境的项目案例，探索在人工智能问题求解的过程中适度探究人工智能原理，发展计算思维的初中人工智能课程的教学策略。

关键词：初中;人工智能;图像识别;机器学习

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2022）09-0050-02

近几年，虽然我国大部分地区展开了人工智能教育，但有些教师常将人工智能课程与人工智能技术混为一谈，课堂上只是体验各种人工智能技术，分享各种人工智能装备。那么，如何用符合初中生认知规律的方式，引导学生发现身边的人工智能技术，了解深奥的人工智能原理？如何帮助学生尝试用人工智能技术优化学习和生活环境？笔者在教学中不断思考，并以《基于机器学习的图像识别》一课为例进行了实践。

● 教学目标设计

《基于机器学习的图像识别》一课的教学对象为七年级学生，他们求知欲强，具备一定的学习能力及分析问题的能力，能够在教师引导下进行归纳总结，但认知水平有一定差异，部分学生自制力较弱，注意力难以长时间集中。同时，学生虽然学习过图形化编程，在生活中也体验过人工智能软件或产品，但对人工智能核心技术知之甚少，再加上数学基础不足，对算法理解有很大难度。鉴于此，在教学过程中，教师应尽量把人工智能实现的过程可视化，并借助软件封装复杂算法，降低学习难度，加强个性化辅导。

根据信息技术学科核心素养，参考新课标人工智能初步模块学业要求，结合学生实际情况，笔者设计了如下教学目标：①观察、体验生活中的人工智能实例;建立图像识别的概念，感受科技发展给生活带来的改变;②通过猜想、讨论以及软硬结合的实验探究活动，了解机器学习的过程;③运用图形化编程软件编写程序，逐步掌握运用图像识别技术解决实际问题的方法，树立运用信息技术服务生活的意识;④通过对图像识别原理及构建分类器的过程进行反思，思考人工智能的局限性，发展批判性思维。

● 教学资源准备

笔者基于现有资源和学情，设计了小投入低成本的普惠型人工智能教学活动。现阶段多款图形化编程软件均包含人工智能体验模块，笔者通过使用和筛选确定一款编程软件为载体，添加摄像头，开展人工智能教学活动。

● 教学过程及策略应用

在“做中学”思想的指导下，笔者通过创设真实的生活情境，设计探究实践活动，引导学生自行建构知识的意义。采用图形化编程的方法降低程序设计门槛，分层教学，照顾到各个认知层次的学生。

1.创设真实情境，培养信息意识

教师运用“体验智能售货机”短视频，引导学生发现生活中的人工智能应用，聚焦运用人工智能技术解决实际问题，并将智能售货机贯穿于分析图像识别原理、编程实现的整个教学过程，进而培养学生的信息社会数字化胜任力。

2.運用动画图解的方法，解决教学重难点

本节课的学习核心为理解图像识别原理，分为建立图像识别概念、探究原理两部分。

首先，教师运用动画图解的方式，呈现人类识别物品的过程，即人通过观察寻找水果特征，再与脑海中的各种水果特征做对比，找到最接近的一类，做出判断，输出结果。学生结合生活经验，类比人类识别物品的过程，分析机器识别图像的过程，即获取图像→数据表示→特征提取→分辨类别。

接着，教师图解机器学习建立分类器进行图像识别的过程。计算机从大量数据中学习，寻找规律，提取特征，进行分类。同样的事物可以提取出各种不同的特征，以苹果为例，“红色、扁圆形、两端有凹陷、有果柄……”均为其特征，然而“颜色”这一特征可以很好地区分苹果和橙子，却很难区分出红苹果与红皮球，“两端有无凹陷和果柄”这一特征则可以有效地区分二者。通过图片直观对比，帮助学生理清“特征”与“有效特征”的概念区别，明确特征提取的过程是提取“有效特征”。把这些有效特征聚集在一起形成一个分类器。当有图片输入时，计算机就在分类器中寻找最接近的那一类，做出判断，输出结果。这样，运用动画图解的方式直观地分析特征提取及机器学习过程，突破教学难点。

3.采用软件封装复杂算法，为学生适度打开技术黑匣子

在编程软件中，机器学习模块仅需拍摄一定数量的图片就能自动提取图像特征，对图像进行分类。学生无需了解机器学习的复杂算法，就能理解图像识别中提取特征和分类辨别的思想。同时，亲自动手构建分类器模型，体会特征提取和测试模型过程，不但认识了机器学习过程，还进一步思考了影响模型性能的因素，进而更加深入地理解机器学习的过程。

4.图形化编程突出人工智能问题求解的过程，发展计算思维

本节课落脚点是使用人工智能技术解决现实生活中的问题，编程模拟搭建智能售货机的过程实际上就是表示和实现解决图像识别问题的算法。建立好的分类器模型在所使用的编程软件中封装为三块积木，教师首先解释这些积木的用途，随后对程序进行简要分析，最后学生编程模拟搭建智能售货机。编程过程中采用图形化编程方法，降低了程序设计语言的高门槛，营造充分的创造空间，让学生在发挥创意的同时发展计算思维。

5.合理看待人工智能技术，树立正确的人工智能观

教师设计总结反思环节，通过层层设问，如你制作的智能应用能准确识别物品吗？你制作的智能售货机还能销售其他商品吗？人工智能是否具有人类智能？引发学生对现阶段图像识别技术的发展水平、局限性及其本质进行思考，启发学生辩证地看待技术革新，理解新技术并能负责任地使用新技术解决问题，从而培养学生的信息社会责任。

6.低廉的装备降低人工智能课程开发成本

大部分开展人工智能课程的学校需要购买昂贵的配套装备，而本节课使用的软件为免费软件，硬件也仅添加摄像头，极大地降低了人工智能课程的开发成本，而低成本装备是人工智能课程得以实施的物质基础。

本文为陕西省教育科学“十三五”规划2020年度课题“基于课程融合的初中人工智能教学实践研究”（SGH20Y0097）阶段性研究成果。