探秘圖像識別

文_李　婷／北京第一師范學校附屬小學

教學過程

訓練新機器——探究數據對機器學習結果的影響

教師出示任務：訓練機器，讓機器能夠準確識別出蘋果和檸檬這2種水果。

教師為學生提供機器學習在線平臺工具，以及多個蘋果和檸檬等水果，引導學生訓練新機器。

教師引導學生首先選擇訓練數據籃子中的紅蘋果和檸檬作為訓練數據，師生緊密協作，分別在紅蘋果和檸檬的上面、底部、側面進行拍攝，從多個角度錄入訓練數據，并分別打上“蘋果”“檸檬”的標簽。

錄入完數據后，引導學生思考：“應該用哪些數據測試學習結果？”

教師在測試數據的籃子中拿出1個黃蘋果并提問：“訓練數據中沒有黃蘋果，如果使用一個黃色的蘋果測試機器學習的結果，機器會將它識別為哪一類呢？”

預設1：黃色的蘋果也很可能被準確識別成“蘋果”（圖9為教師提前測試的結果：黃蘋果與蘋果相似度為99%，與檸檬相似度為1%）。

圖9　測試數據的識別結果示例

預設2：將黃蘋果變換角度，也可能被識別出與“檸檬”這一類別的相似度更高（圖10為教師提前測試的結果：黃蘋果與蘋果相似度為41%，與檸檬相似度為59%）。

圖10　測試數據的識別結果示例

預設3：錄入訓練數據時，也可能會錄入一些不準確的數據，如錄入了學生的手部信息等，師生根據出現的情況進行分析，交流數據對機器學習結果的影響。

教師追問：“機器為什么會出現以上的識別結果呢？如果要保證機器將黃蘋果準確識別為‘蘋果’，應該怎樣改進這臺機器？”

教師引導學生在蘋果這一類中補充錄入黃蘋果的訓練數據，再進行測試。

引導學生思考：“如果有一個蘋果被吃掉了一半，這樣的數據需不需要錄入呢？為什么？”

隨著學生的互相質疑與解惑，總結出數據在圖像識別中的重要作用，進一步完善板書（圖11）。

圖11　進一步完善板書（數據在圖像識別中的重要作用）

教師播放圖像識別技術輔助視障人士的視頻，引導學生交流視頻中是怎樣實現通過技術輔助視障人生活的，并交流圖像識別技術在生活中的作用。

設計意圖：通過機器學習在線平臺，讓學生親身體驗訓練機器的過程，通過反復實驗，以及對測試結果的分析與交流，理解數據對圖像識別結果的重要影響；通過前沿圖像識別技術應用視頻，使學生了解人工智能技術在生活中的重要作用。

教學評價

基于教學目標，本課程采取評價量表的方式，對學生知識掌握、探究思維、活動參與及情感等方面進行多元評價（表1）。

總結與反思

本課程的教學活動設計巧妙，開盲盒活動用3個步驟揭示物品特征?！白R別大挑戰”活動借助6組類別不同但特征相近的物品進行實驗，蘋果圖案的靠墊、垃圾桶形狀的杯子成為思考觸發點。訓練新機器的活動借助在線機器學習平臺，巧妙設計活動過程，創設問題情境和沖突，激發學生深入思考。梯度化的活動設計，不僅增添了教學的趣味性和挑戰性，而且能夠引導學生主動探索知識。

此外，活動設備和用具都經過精心選擇和設計，并通過了多次嚴格測試，確保了教學的有效性。通過這些恰當的數字化工具和平臺，為學生構建了一個自主實驗和探究的環境。在這里，學生能夠不斷嘗試和實驗，并在教師的指導下進行創新思考。這種教學方式不僅顯示了學生的探究思維，還在問題解決過程中促進了知識構建和批判性思維的發展。

當然，課程仍有需要改進的地方。例如，在“識別大挑戰”活動中，可以給學生提供2個或更多圖像識別應用，讓學生比較不同軟件的識別結果，分析數據對識別效果的影響，這將拓寬學生的研究視野，進一步促進思維能力的發展?！?/p>

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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