小学阶段计算机视觉类人工智能教学实践研究

    宋晓玉

    

    随着《新一代人工智能发展规划》的颁布,社会各行各业开始大力发展人工智能产业。与此同时,教育界也吹响了开展人工智能教育的号角。那么,在新一代人工智能背景下,小学阶段如何开展人工智能教育,培养学生的科技创新意识和能力呢?笔者在开发和实践人工智能课程“让机器‘认识你”的经验基础上,对人工智能的科普、体验、编程、应用等关键环节进行了初步的探索和尝试。

    从广泛应用的“人脸识别”入手

    人工智能作为一门新兴的前沿学科,定位于技术性,它所涉及的机器学习、深度学习、大数据、云计算等专业的学科技术知识,具有综合性和复杂性的特点,学生要理解其中的高深算法和原理有很大的难度。因此,在小学阶段开展人工智能教育,要根据小学生认知水平和学习规律,做到内容浅显易懂,切合实际。在课程设置方面,要遵循人工智能“金字塔”形發展层级——感知、认知、创新的规律,通过丰富的实际体验,让学生感知机器的智能,认知人工智能的原理,创新机器智能的开发。

    在人工智能的研究领域,与小学生生活联系最为密切的就是计算机听觉和计算机视觉。例如,家里的智能手机,可语音对话;私家车上的导航,可语音控制规划路线;小区的门禁系统,可人脸识别控制进出等。这些“伸手可触”的智能生活,对于在小学阶段开展人工智能教育,都是非常好的切入点和体验点。笔者从学生每天进出校门时必经的人脸识别门禁系统入手,引发学生对“机器识人”的思考,展开一系列计算机视觉的教学。

    计算机视觉类人工智能课程的三个层级

    围绕“机器是怎样认识你的”这一问题,笔者从人脸识别、人体识别、图像识别与文字识别四个方面展开教学,让学生感知和认知机器是如何具有“慧眼识万物”的智能,期望让每一个孩子都能了解人工智能,懂得人工智能,甚至能发明创造出智能的设备。具体来说,在开发计算机视觉类人工智能教学时,应循序渐进地从以下三个层级展开。

    1.感知机器“慧眼识万物”的神奇

    对于小学生来说,最重要的就是感受和了解人工智能给生活和学习带来的革新。通过生活中常见的智能应用、AlphaGo的故事、科普小视频、人工智能相关动画片等,让学生对人工智能的应用领域建立起直观的认识,感受智能化生活的神奇。

    2.理解机器“慧眼识万物”的道理

    在学生初步感知“机器能看见万物”的基础上,引导学生进一步思考:机器是怎样看见人脸或者其他物体的。把“人类看世界”与“机器看世界”进行对比和迁移,让学生在认识自己“看世界”的基础上,通过动画视频演示,形象化、具体化、差异化地展示机器识人的道理。例如,在人脸识别方面,人类是通过眼睛获取人脸的五官特征,以外貌识记一个人的,简而言之为“以貌识人”。而机器则是通过摄像头获取人脸的特征值,记录为一串数据,以人脸数据库的形式来识记一个人,简而言之为“以库识人”。从而让学生能理解,虽然机器需要向人类学习智能,但是机器的智能方式与人类的智能方式却又完全不一样。

    3.创作具有简单智能的程序或者设备

    小学人工智能课程不能停留在感知与理解层面,而应在此基础上培养学生的计算思维。目前,学生正在学习的有Mblock、mPython等图形化编程工具,还有实体的Ardiuno套件、掌控板等可外接的编程硬件,我们通过让学生借助图形化编程设计人工智能相关作品,或者更改某些参数来实现人工智能作品,对学生进行编程思维、算法思想的启蒙与渗透。例如,学生可在图形化编程语言中编写一个模拟人脸识别的门禁判断程序,是该校学生,门闸打开可进入,否则不可进入。学生也可在mPython中编程,外接实体掌控板,编写识别人体动作的程序,进行猜拳类互动小游戏。笔者通过在Python中编写调用百度大脑的程序,控制外接摄像头,用来统计班级人数、男女人数、识别人脸戴眼镜与否,统计班级学生的近视率等,让学生进一步感知程序设计与人工智能的高阶应用。在这个过程中,主要让学生思考遇到了问题可以怎么做、如何分步做等,培养学生的计算思维及动手实践能力。

    人工智能课程“让机器‘认识你”教学实践

    1.课程设计

    教学从计算机的视觉研究入手,围绕“机器是如何认识你”的核心问题,完成对人工智能的感知、体验、创新三个层级的学习,如下图所示。

    2.教学内容

    前两节课属于人工智能的科普感知,旨在从认知层面让学生初步感受人工智能在生活中的广泛应用。第1课《疫情好帮手——人工智能》,从抗击2020年新冠肺炎疫情出发,给学生展示了疫情期间使用的人工智能技术,如在人员密集的机场、火车站等用到的AI测温仪、利用百度地图慧眼实施大数据分析人口流向、疫情实时大数据报告,以及智能机器人辅助医疗诊断和治疗等。让学生对使用人工智能抗击疫情有全面和深刻的认识,激发学生学习的热情和兴趣。第2课《初识人工智能的三大应用》,则回归到人们的日常生活,从语言、图像和娱乐三方面,展示了人工智能的广泛应用,并由此引出人工智能的概念和研究范畴。

    第3课到第6课,着重学习人工智能的计算机视觉,以第二人称的口吻授课,把学生直接带入学习的核心问题“机器是如何认识你”的,分别从机器能“看见”你的面容——人脸识别、机器能“欣赏”你的身形——人体识别、机器能“看懂”你的文字——文字识别、机器能“识别”你的校卡——图像识别四个方面展开计算视觉的学习,以课堂AI体验+原理讲授的方式进行。课堂上直接给学生拍照采集人脸照片,给手写文字、卡片、手势等拍照,上传到手机“百度AI体验中心”,通过手机投屏展示结果,让学生得到充分的AI体验。另外,笔者尝试调用百度大脑,在Python中编写了API接口的程序控制外接摄像头,让摄像头能智能化地统计班级人数、男女生人数、戴眼镜人数,从而实现轻松解决统计班级近视率的问题。在理解人脸识别的原理时,联系学生每天进出校门时人脸识别门禁系统的切身体验,注重人类学习与机器学习的对比、人类视觉与机器视觉的迁移,让学生对计算机视觉既有现象又有本质上的认识和理解。

    最后两节课,则是学习人工智能的实践编程课和创作课,第7课《模拟门禁系统小程序——Scratch编程》,让学生利用图形化编程语言编写一个小程序,模拟学校门口的人脸识别门禁系统。第8课《掌控板上猜拳小游戏——mPython编程+掌控板》,在mPython中编程,外接实体掌控板,编写识别人体动作的程序,进行猜拳类互动小游戏。

    3.教学效果及反思

    在这8节课的探索中,学生课堂参与度非常高,学习的热情高涨。在课堂上教师利用动画视频形象地讲解人脸识别的原理时,由于学生有进出校门必经人脸识别门禁系统的经验,也很容易理解和接受。在实践环节,学生利用图形化编程语言编程、掌控板+mPython编程开发小程序,目前正在进行中,相信学生一定会脑洞大开。笔者也尝试利用Python编程调用百度大脑,使得外接摄像头具有识别人脸属性的能力,从而轻松解决身边的问题——统计班级近视率,但是由于受到API接口免费调用的人数和次数限制,每次识别最多10人。

    结束语

    实践证明,在小学阶段按照人工智能的三个层级——感知、认知、创新的规律来开发课程,既遵循人工智能的学科规律,又符合小学生的认知规律。该课程主要是在研究计算机视觉,同样的学习方式也适用于计算机听觉、自然语言系统、专家推荐系统等人工智能领域的教学。学生在充分感知和认知人工智能的基础上,进行编程实践,甚至是创作出智能化的作品,科技创新意识和能力都能得到锻炼和提升,符合当下国家对人才培养的需求。

    基金项目:广东省教育科学“十三五”规划课题“‘五度六环人工智能教育启蒙课程的构建与实施”(课题编号:2020YQJK234)。

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