探秘圖像識別

文_李　婷／北京第一師范學(xué)校附屬小學(xué)

教學(xué)背景分析

教學(xué)內(nèi)容

北京市東城區(qū)骨干教師在高校專家指導(dǎo)下自主開發(fā)編寫了區(qū)域校本指導(dǎo)用書《小學(xué)人工智能基礎(chǔ)》，本課程選自該教材第3單元“機(jī)器理解”。課程設(shè)計的指導(dǎo)思想來自《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》，關(guān)注4個學(xué)科核心素養(yǎng)，把握數(shù)據(jù)、算法、人工智能等6條邏輯主線，充分挖掘課程核心內(nèi)容，將與圖像識別相關(guān)的數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行整合，力求在教學(xué)中構(gòu)建清晰的知識結(jié)構(gòu)框架；通過多個活動開展體驗(yàn)、合作、探究性學(xué)習(xí)。結(jié)合課程標(biāo)準(zhǔn)，本單元核心內(nèi)容涉及數(shù)據(jù)、算法和人工智能等。課程重點(diǎn)聚焦圖像識別技術(shù)背后原理的探究。學(xué)生的學(xué)習(xí)方式、思維方式也將為后續(xù)的學(xué)習(xí)提供方法和策略。

學(xué)生情況

本課程面向的是小學(xué)5年級學(xué)生，這個年齡段的孩子被稱為“數(shù)字原住民”，對于人工智能的學(xué)習(xí)有極高的興趣，對于探究活動喜聞樂見。生活中，他們接觸過人工智能的應(yīng)用，并且對圖像識別已有初步的認(rèn)識，但對于技術(shù)背后的原理一知半解，缺乏深入的探究；思維上，他們正處于由具體形象思維主導(dǎo)向抽象邏輯思維主導(dǎo)的質(zhì)變階段，這是培養(yǎng)學(xué)生抽象、分解、建模能力的關(guān)鍵時期。因此，本課采取小組合作開展探究的學(xué)習(xí)方式，讓學(xué)生結(jié)合自己已有的生活與學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)建構(gòu)新知識。

教學(xué)目標(biāo)及重點(diǎn)、難點(diǎn)

本課的教學(xué)目標(biāo)由信息科技的4個核心素養(yǎng)為抓手展開。

教學(xué)目標(biāo)

● 理解機(jī)器通過比對物品的顏色、形狀、紋理等特征進(jìn)行圖像識別（計算思維）；

● 利用恰當(dāng)?shù)臄?shù)字化工具和平臺開展活動，在“合作、交流、質(zhì)疑與解惑”的過程中，理解數(shù)據(jù)對機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)果的影響（信息意識，計算思維，數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新）；

● 能夠列舉生活中的圖像識別應(yīng)用，感受人工智能及科技的發(fā)展為人類社會帶來的深遠(yuǎn)影響（信息意識，信息社會責(zé)任）。

教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)

重點(diǎn)：理解機(jī)器通過比對物品的顏色、形狀、紋理等特征進(jìn)行圖像識別。

難點(diǎn)：理解數(shù)據(jù)對機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)果的影響。

教學(xué)準(zhǔn)備

● 硬件設(shè)備：計算機(jī)、攝像頭、平板電腦、顏色傳感器、全彩燈。

● 軟件工具：萬物識別軟件、在線機(jī)器學(xué)習(xí)平臺。

● 活動用具：教師自制盲盒、多個水果、6組特別設(shè)計的用具（西瓜與西瓜紋路的杯子、蘋果與蘋果圖案的靠墊、車輪與車輪圖案的杯子、垃圾桶與垃圾桶樣式的杯子、魔方與魔方樣式的杯子、足球與足球樣式的容器）。

教學(xué)過程

開盲盒——探究人識別物品的方法

教師準(zhǔn)備了3種相同顏色的水果，分別標(biāo)示為1號（梨）、2號（檸檬）和3號（蘋果）。其中，1號和3號從形狀到顏色都非常相似，這是教師特別設(shè)計的問題情境。將3個水果提前放在自制盲盒里（圖1），引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)教師提供的線索猜出水果種類，方能開啟盲盒。

圖1　盲盒中的水果

線索1：教師用顏色傳感器識別盲盒內(nèi)水果的顏色，識別結(jié)果通過全彩燈顯示出來，得出3種水果均為黃色。

預(yù)設(shè)：學(xué)生根據(jù)顏色無法確定水果種類。

線索2：教師用手電筒照亮盲盒內(nèi)部，使盲盒正面呈現(xiàn)出水果的影子，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)顏色及形狀2個特征繼續(xù)猜一猜（圖2）。

圖2　盲盒中水果的影子

預(yù)設(shè)：學(xué)生通過觀察影子形狀能夠推斷出2號水果為檸檬，但1號和3號水果的影子非常相似，學(xué)生可能誤以為都是蘋果。

教師先揭曉答案，并追問：“盲盒中的蘋果和梨顏色識別結(jié)果相同，從形狀上看也有些相似，那么，除了顏色、形狀這2個特征，還能從什么特征區(qū)分呢？”

預(yù)設(shè)：學(xué)生能說出蘋果和梨表皮上的斑點(diǎn)、紋路等特征不同。

教師打開攝像頭，引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察2種水果的表皮特征。

教師提問：“我們已經(jīng)知道了3種水果，你是依據(jù)水果的哪些特征猜出來的？”

隨著師生交流，總結(jié)出人們依據(jù)顏色、形狀、紋理等特征辨認(rèn)出一個物品，并初次梳理板書（圖3）。

圖3　板書（人們依據(jù)顏色、形狀、紋理等特征辨認(rèn)物品）

設(shè)計意圖：通過有趣的開盲盒游戲，導(dǎo)入課程，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。通過猜水果的過程，逐步揭示物品的3個特征，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)“從視覺角度，人能通過觀察物品的顏色、形狀、紋理等特征辨認(rèn)出一件物品”，為后面探究機(jī)器識別圖像的原理作鋪墊。

識別大挑戰(zhàn)——探究機(jī)器識別圖像的原理

教師：人可以通過觀察到顏色、形狀、紋理等特征識別出一件物品，機(jī)器可以嗎？這項(xiàng)技術(shù)叫什么？

教師出示生活中應(yīng)用圖像識別技術(shù)的圖片，引導(dǎo)學(xué)生交流圖片的內(nèi)容并提問：“你還知道生活中哪些地方應(yīng)用了圖像識別技術(shù)？”在交流中揭示本課課題“探秘圖像識別”。

教師按順序出示圖片，引導(dǎo)學(xué)生猜一猜圖片中是什么物品。先出示第1張（圖4a）圖片，只顯示了物品的局部，請學(xué)生猜測，接著依次出示第2張（圖4b）、第3張（圖4c）圖片，逐步擴(kuò)大物品的顯示區(qū)域，直到呈現(xiàn)出物品的全貌，最終揭曉答案。

圖4　教師按順序出示圖片，引導(dǎo)學(xué)生猜物品

教師提問：“猜圖的過程中你的答案為什么發(fā)生了變化？機(jī)器能將這些物品準(zhǔn)確識別出來嗎？我們一起探究一下吧！”

教師引導(dǎo)學(xué)生參與“識別大挑戰(zhàn)”活動，并準(zhǔn)備6組類別不同但特征相近的物品，供學(xué)生探究使用（圖5）。

圖5　“識別大挑戰(zhàn)”環(huán)節(jié)使用的6組物品

教師出示活動要求：①使用“萬物識別”軟件，分別識別每組的2種物品，盡可能識別出正確的結(jié)果。②記下出現(xiàn)頻率較高的錯誤結(jié)果，小組討論產(chǎn)生錯誤結(jié)果的原因。

學(xué)生分別在小組中進(jìn)行“識別大挑戰(zhàn)”活動，教師巡視指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生在小組中相互啟發(fā)，在拍照時采取一定的策略，盡量凸顯物品的特征。

學(xué)生可能采取的識別蘋果圖案靠墊的策略：①把靠墊放在自己的頭下面拍照識別；②利用靠墊與人的體積大小關(guān)系拍照識別；③把靠墊放在椅子上拍照識別；④利用真的蘋果與靠墊的體積大小關(guān)系拍照識別（圖6）。

圖6　學(xué)生可能采取的識別蘋果圖案靠墊的策略

學(xué)生可能采取的識別垃圾桶杯子的策略：①俯視角度拍攝，盡量露出杯口和杯把兒；②側(cè)面拍攝，盡量露出杯口和杯把兒；③蓋上杯蓋拍攝，盡量露出杯蓋和杯把兒；④將杯蓋放在杯子一側(cè)拍攝，盡量露出杯蓋、杯口和杯把兒（圖7）。

圖7　學(xué)生可能采取的識別垃圾桶杯子的策略

教師引導(dǎo)各個小組圍繞如下問題進(jìn)行交流：“是否識別出正確結(jié)果？為了識別出正確結(jié)果，你們都采取了哪些策略？出現(xiàn)頻率較高的錯誤結(jié)果是什么？為什么？”

隨著師生的交流與分享，總結(jié)出機(jī)器也是根據(jù)物品的顏色、形狀、紋理等特征進(jìn)行識別的。

隨著探究活動的進(jìn)行，學(xué)生的思維也愈發(fā)深入，產(chǎn)生新的問題：“除了特征外，還有哪些因素會影響圖像識別的結(jié)果呢？”

教師出示1號機(jī)器和2號機(jī)器在學(xué)習(xí)杯子這類物品時的訓(xùn)練數(shù)據(jù)對比圖（圖8），并提問：“觀察圖片，說一說‘魔方杯子’在1號機(jī)器和2號機(jī)器中可能出現(xiàn)的識別結(jié)果是什么？說一說原因。”

圖8　1號機(jī)器（左圖）與2號機(jī)器（右圖）的訓(xùn)練數(shù)據(jù)

預(yù)設(shè)1：學(xué)生能分析出1號機(jī)器針對杯子這個類別的訓(xùn)練數(shù)據(jù)中有魔方杯子這樣的數(shù)據(jù)，因此1號機(jī)器能將魔方杯子正確識別為杯子。

預(yù)設(shè)2：學(xué)生能分析出若要準(zhǔn)確識別出各種各樣的杯子，那么針對杯子這類物品，訓(xùn)練數(shù)據(jù)的種類和數(shù)量一定要足夠多。

設(shè)計意圖：通過給學(xué)生提供“西瓜、西瓜紋路的馬克杯”等這樣的物品，激發(fā)學(xué)生的好奇心，讓學(xué)生帶著問題進(jìn)行圖像識別的探究，總結(jié)機(jī)器識別圖像的大致原理；并且通過教師出示的1號、2號機(jī)器的對比，知道數(shù)據(jù)對圖像識別結(jié)果的影響，從而有效落實(shí)本課的教學(xué)重點(diǎn)。

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來源 | 《中國科技教育》2024-08，文章編輯：畢晨輝

編輯、排版 | 孟想