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）。
