信息技术六年级上册- 粤教B版 AI助力垃圾分类——初探图像识别 （教案）

教学设计
授课题目 《AI助力垃圾分类——初探图像识别》 授课类型 项目式教学
授课教师 授课科目 信息技术
课 时 1课时 授课时间
教学内容分析 图像识别是人工智能的一个重要领域，包含图像分类，它是计算机视觉的核心。图像分类是给定一幅测试图像，利用训练好的分类器判定它所属的类别，而分类器是利用带类别标签的训练数据训练出来的。使用机器学习的方法处理图像分类问题，主要任务是给定一个输入图片，将其指派到一个已知的混合类别中的某一个标签。 本课以设计智能垃圾桶为目标，解决生活中垃圾分类的困惑，在初步认识图像分类的基础上，启发学生通过自主学习探究，进行简单编程后实现AI帮助下的垃圾分类，从而培养学生良好的科学技术应用观。
学情分析 五年级学生具备在教师引导下进行自主探索和归纳总结的能力，具备一定的积木式编程基础和设备操作能力，掌握较多的垃圾分类知识；但对人工智能的了解不多，对人工智能的概念不够明确，对其核心技术和原理缺乏了解，教学难度较大。
教学目标 知识与技能： 1.了解图像分类的概念及其工作流程。 2.了解图像识别技术在生活中的实际应用场景。 过程与方法： 1.通过人识别图像的过程理解计算机识别图像。 2.通过自主学习微课视频的方法，掌握调试机械臂Magician Lite的坐标定位的方法。 3.通过自主探究，了解图像模型训练的方法，体会图像识别技术的原理。 情感态度价值观： 1.在完善智能垃圾桶的过程中，形成环保意识和人工智能智能技术应用意识。
教学重点 掌握图像采集与训练的方法。
教学难点 能够应用机械臂实现垃圾桶的智能分拣功能。
教学方法 任务驱动法、自主探究法、小组合作法
教学过程 教师活动 学生活动 设计思路
创设情景 设立问题 （3min） 1.快问快答：垃圾分类灵魂拷问 创可贴、矿泉水瓶、苹果核……属于什么垃圾呢？ 2.创设情景：垃圾分类的困惑 每人每天产生约1公斤垃圾，深圳每天共产生2.85万吨生活垃圾。如此巨大的垃圾量需要耗费大量的时间和精力，有时分类还不一定准确。 3.设立问题：如何利用人工智能提升垃圾分类的效率。 依托人工智能技术，让计算机代替我们去判断与分类，提升垃圾分类的准确率。 1.回答各种垃圾的分类情况。回顾垃圾分类的方法。 2.从生活出发，发现垃圾分类过程中面临的难题。 3.思考老师问题。 从垃圾分类的难题出发思考和人工智能的结合点。引出对本课的目标。
学习新知 图像分类 （10min） 播放《智能垃圾分类机器人》视频。 思考：智能垃圾分类机器人是怎样工作的呢？ 2.从人垃圾分类的过程类比机器垃圾分类的过程。 人垃圾分类的过程：看到垃圾利用知识经验思考判断垃圾类型 扔到对应的垃圾桶中。 机器垃圾分类的过程：摄像头拍摄判断垃圾类型【图像识别技术】机械臂操作扔垃圾。 3.对于不同的图像，机器人如何做到精准分类呢？ 展示几张不同形态苹果的图片。 人轻而易举地就能判断出这些都是苹果，这是我们长期以来的生活经验决定的。但机器面对这些不一样的苹果照片它是如何进行判断呢？它也需要学习吗？ 介绍AI数据标注师、ImageNet数据集。 4. 图像分类的概念。 图像分类是指计算机等设备接收到一个输入的图像后，输出对该图像内容分类的描述。 总结：接收到一张图片后输出这张图片的类型。 5.图像分类的工作流程。 步骤一：图像采集（拍照扫描等方法）； 步骤二：预处理（去噪、增强对比度，提升图像质量）； 步骤三：特征提取（图像的主要特征：颜色、纹理、形状等等）； 步骤四：图像分类（提取到的特征去数据库中匹配对比完成分类）。 小结：请学生上台排序。 1.观看视频，了解智能垃圾分类机器人的工作流程。 2.类比人垃圾分类的过程，将机器垃圾分类的过程细化。 3.回答教师问题。 了解人工智能精准识别的背后需要AI数据标注师教会AI认识数据，每张图片都会有自己的分类标签。 4.了解图像分类的概念。 5.了解图像分类的工作流程。 从人垃圾分类的过程类比到机器，揭示人工智能图像识别技术的应用概念及工作流程。
自主探究 任务驱动 （20min） 任务总目标：实现机械臂的垃圾分类功能，体会图像采集与训练的过程。 材料清单：越疆机械臂Magician Lite 四大类型的垃圾桶 垃圾小卡片 一个待完善的程序 认识机械臂。 开机键、机械臂解锁键、摄像头、吸盘。 自主探究任务。 任务指引： （1）观看微课视频《机械臂定位视频》，能够改变程序中的机械臂位置： ①摄像机拍摄卡片位置； ②机械臂拾取垃圾卡片位置； ③机械臂投放垃圾桶的位置。 （2）观看微课视频《图像模型训练》，每小组至少分类2种类型的垃圾，并添加至少4张图片。 （3）调试程序直到成功让机械臂完成垃圾分类任务。 探究任务： 1、在图像模型训练过程中，每张垃圾卡片，需要拍摄几张照片？每张照片的方向需要不一样吗？ 2、在图像识别过程中，如果加入手或者其他物体是否会影响检测效果？ 3、 如果是立体的物体，会因为什么原因形成差异很大的图像，给计算机进行准确识别增加难度呢？ 1.认识机械臂的结构。 2.观看微课视频，小组成员协作完成任务，并填写课堂探究报告。 通过微课学习了解如何利用编程解决机械臂的定位抓取释放，实现垃圾的精准投放。
总结提升 开阔视野 （7min） 1.总结图像采集与训练过程的三步骤。 2.辩一辩。探究任务中的三个问题。 ①拍1张图片即可，计算机会自动识别不同方向的同一照片，识别准确率较高。 ②其他物体的加入会影响检测效果。 ③因拍摄角度、光线条件、物体形态等不同会造成图像识别结果的不同。 2.图像识别技术在生活中的应用。 识花软件：形色APP 交通领域中检测车辆数目、逆行情况。 医学领域中的医学影响智能辅助诊断系统。 电子商务领域，拍照搜索。 1.2小组代表分享探究任务问题的答案。 2.了解图像识别技术在生活中的常用例子。 回归真实的垃圾分类，引导孩子思考立体物体的图像采集需要注意哪些方面的问题。 了解更多图像识别的应用，有利于学生在今后的生活中体会人工智能带来的便利。
板书设计 《AI助力垃圾分类——初探图像识别》 图像识别的过程： 图像采集 预处理 特征提取 图像分类 图像采集与训练： 添加 训练 测试
教学反思 1、本课的教学基本达到了预期的效果，学生参与度高、积极性较强，但需要注意的是，体验本身不是目的，引发学生的深度思考才是达到了目的，在探究时尽量保持足够的时间去操作。 2、本堂课渗透的理论知识内容难度相对较大，所以切忌教师讲解过多，着重对学生思维的引导，作为人工智能启蒙课，重在兴趣。力求让学生在轻松有趣的学习氛围中获得知识，但由于个人能力和经验的局限，在专业知识和对课堂设计挖掘深度的把握上有很多不足。