探秘圖像識別

文_李　婷／北京第一師范學校附屬小學

教學背景分析

教學內容

北京市東城區骨干教師在高校專家指導下自主開發編寫了區域校本指導用書《小學人工智能基礎》，本課程選自該教材第3單元“機器理解”。課程設計的指導思想來自《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》，關注4個學科核心素養，把握數據、算法、人工智能等6條邏輯主線，充分挖掘課程核心內容，將與圖像識別相關的數據、機器學習等關鍵點進行整合，力求在教學中構建清晰的知識結構框架；通過多個活動開展體驗、合作、探究性學習。結合課程標準，本單元核心內容涉及數據、算法和人工智能等。課程重點聚焦圖像識別技術背后原理的探究。學生的學習方式、思維方式也將為后續的學習提供方法和策略。

學生情況

本課程面向的是小學5年級學生，這個年齡段的孩子被稱為“數字原住民”，對于人工智能的學習有極高的興趣，對于探究活動喜聞樂見。生活中，他們接觸過人工智能的應用，并且對圖像識別已有初步的認識，但對于技術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向抽象邏輯思維主導的質變階段，這是培養學生抽象、分解、建模能力的關鍵時期。因此，本課采取小組合作開展探究的學習方式，讓學生結合自己已有的生活與學習經驗建構新知識。

教學目標及重點、難點

本課的教學目標由信息科技的4個核心素養為抓手展開。

教學目標

● 理解機器通過比對物品的顏色、形狀、紋理等特征進行圖像識別（計算思維）；

● 利用恰當的數字化工具和平臺開展活動，在“合作、交流、質疑與解惑”的過程中，理解數據對機器學習結果的影響（信息意識，計算思維，數字化學習與創新）；

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

教學重點、難點

重點：理解機器通過比對物品的顏色、形狀、紋理等特征進行圖像識別。

難點：理解數據對機器學習結果的影響。

教學準備

● 硬件設備：計算機、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、在線機器學習平臺。

● 活動用具：教師自制盲盒、多個水果、6組特別設計的用具（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）。

教學過程

開盲盒——探究人識別物品的方法

教師準備了3種相同顏色的水果，分別標示為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，這是教師特別設計的問題情境。將3個水果提前放在自制盲盒里（圖1），引導學生根據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水果的顏色，識別結果通過全彩燈顯示出來，得出3種水果均為黃色。

預設：學生根據顏色無法確定水果種類。

線索2：教師用手電筒照亮盲盒內部，使盲盒正面呈現出水果的影子，引導學生根據顏色及形狀2個特征繼續猜一猜（圖2）。

圖2　盲盒中水果的影子

預設：學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，還能從什么特征區分呢？”

預設：學生能說出蘋果和梨表皮上的斑點、紋路等特征不同。

教師打開攝像頭，引導學生仔細觀察2種水果的表皮特征。

教師提問：“我們已經知道了3種水果，你是依據水果的哪些特征猜出來的？”

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

圖3　板書（人們依據顏色、形狀、紋理等特征辨認物品）

設計意圖：通過有趣的開盲盒游戲，導入課程，激發學生學習興趣。通過猜水果的過程，逐步揭示物品的3個特征，引導學生總結“從視覺角度，人能通過觀察物品的顏色、形狀、紋理等特征辨認出一件物品”，為后面探究機器識別圖像的原理作鋪墊。

識別大挑戰——探究機器識別圖像的原理

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，機器可以嗎？這項技術叫什么？

教師出示生活中應用圖像識別技術的圖片，引導學生交流圖片的內容并提問：“你還知道生活中哪些地方應用了圖像識別技術？”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，引導學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，請學生猜測，接著依次出示第2張（圖4b）、第3張（圖4c）圖片，逐步擴大物品的顯示區域，直到呈現出物品的全貌，最終揭曉答案。

圖4　教師按順序出示圖片，引導學生猜物品

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

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

圖5　“識別大挑戰”環節使用的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果。②記下出現頻率較高的錯誤結果，小組討論產生錯誤結果的原因。

學生分別在小組中進行“識別大挑戰”活動，教師巡視指導，引導學生在小組中相互啟發，在拍照時采取一定的策略，盡量凸顯物品的特征。

學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系拍照識別（圖6）。

圖6　學生可能采取的識別蘋果圖案靠墊的策略

學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拍攝，盡量露出杯蓋、杯口和杯把兒（圖7）。

圖7　學生可能采取的識別垃圾桶杯子的策略

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

隨著師生的交流與分享，總結出機器也是根據物品的顏色、形狀、紋理等特征進行識別的。

隨著探究活動的進行，學生的思維也愈發深入，產生新的問題：“除了特征外，還有哪些因素會影響圖像識別的結果呢？”

教師出示1號機器和2號機器在學習杯子這類物品時的訓練數據對比圖（圖8），并提問：“觀察圖片，說一說‘魔方杯子’在1號機器和2號機器中可能出現的識別結果是什么？說一說原因。”

圖8　1號機器（左圖）與2號機器（右圖）的訓練數據

預設1：學生能分析出1號機器針對杯子這個類別的訓練數據中有魔方杯子這樣的數據，因此1號機器能將魔方杯子正確識別為杯子。

預設2：學生能分析出若要準確識別出各種各樣的杯子，那么針對杯子這類物品，訓練數據的種類和數量一定要足夠多。

設計意圖：通過給學生提供“西瓜、西瓜紋路的馬克杯”等這樣的物品，激發學生的好奇心，讓學生帶著問題進行圖像識別的探究，總結機器識別圖像的大致原理；并且通過教師出示的1號、2號機器的對比，知道數據對圖像識別結果的影響，從而有效落實本課的教學重點。

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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