駱瑩瑩 現(xiàn)就職于南京師范大學(xué)附屬中學(xué)樹(shù)人學(xué)校力人校區(qū)。一級(jí)教師，江蘇省南京市鼓樓區(qū)學(xué)科帶頭人，南京市鼓樓區(qū)優(yōu)秀青年教師，南京市鼓樓區(qū)先進(jìn)教育工作者，曾獲南京市優(yōu)質(zhì)課評(píng)比一等獎(jiǎng)、南京市教師基本功比賽一等獎(jiǎng)，曾主持省級(jí)課題、市級(jí)個(gè)人課題，負(fù)責(zé)省級(jí)信息技術(shù)教材教參中人工智能板塊的編寫(xiě)等。多年來(lái)一直承擔(dān)信息學(xué)編程社團(tuán)、科技社團(tuán)的工作，所帶學(xué)生分獲全國(guó)各類(lèi)比賽一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)。

教學(xué)背景

本節(jié)為初中人工智能課程中“圖像處理基礎(chǔ)”的第一課，目前沒(méi)有可以直接參考的教材，筆者重點(diǎn)參考了商湯平臺(tái)和高中教材中的相關(guān)內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)初中生的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了新的教學(xué)小程序“找不同”，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，借此幫助學(xué)生理解圖像數(shù)字化存儲(chǔ)方式，通過(guò)圖像相減，簡(jiǎn)單了解數(shù)字圖像處理應(yīng)用，并為后面學(xué)習(xí)圖像數(shù)組等知識(shí)做鋪墊，貼合2022年新課標(biāo)要求。

學(xué)情分析

教學(xué)對(duì)象為八年級(jí)學(xué)生，學(xué)生有一定的程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，對(duì)圖像處理有一定的生活經(jīng)驗(yàn)，但是大部分學(xué)生對(duì)圖像在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)過(guò)程并不了解，所以對(duì)本節(jié)課圖像數(shù)字化的內(nèi)容存在一定的認(rèn)知難度。八年級(jí)學(xué)生愛(ài)動(dòng)手操作，對(duì)圖像的直觀表現(xiàn)有著極大的興趣，因此，本課結(jié)合小程序“找不同”，能用程序直觀地看到圖像數(shù)字的存儲(chǔ)與簡(jiǎn)單處理，使學(xué)生容易并樂(lè)于掌握本課新知。

教學(xué)目標(biāo)

理解二值圖、灰度圖、RGB圖在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)字化存儲(chǔ)（信息意識(shí)、計(jì)算思維）；模仿并實(shí)現(xiàn)“找不同”的小程序，初步了解數(shù)字圖像處理的應(yīng)用（數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、計(jì)算思維）；了解什么是圖像的數(shù)字化及圖像數(shù)字化的過(guò)程（信息意識(shí)）；了解圖像處理是人工智能的技術(shù)之一，能辯證看待人工智能的影響（信息社會(huì)責(zé)任）。

教學(xué)重難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn) 理解圖像數(shù)字化的存儲(chǔ)與過(guò)程；開(kāi)展簡(jiǎn)單圖像處理方法的實(shí)踐，編程實(shí)現(xiàn)“找不同”小程序。

教學(xué)難點(diǎn) 理解圖像數(shù)字矩陣的存儲(chǔ)形式是數(shù)字圖像處理的前提。

教學(xué)過(guò)程

一、游戲?qū)?，引入課題

師：找不同的游戲大家一定都玩過(guò)，請(qǐng)同學(xué)們找出下面兩幅圖的不同點(diǎn)，如圖1。

學(xué)生仔細(xì)觀察，教師展示用計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)找出圖片不同點(diǎn)的效果，如圖2。

師：通過(guò)計(jì)算機(jī)“找不同”程序可以準(zhǔn)確、高效地找到不同之處，其中關(guān)鍵詞subtract表示“相減”，本例中即為實(shí)現(xiàn)兩張圖像的相減。那么，圖像可以相減的前提是什么？

學(xué)生思考并討論。

教師解答：因?yàn)閳D像在計(jì)算機(jī)內(nèi)部是以數(shù)字的形式保存的，即圖像的數(shù)字化。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)小游戲?qū)?，活躍課堂氛圍，引起學(xué)生興趣、引入新課內(nèi)容，并為后續(xù)內(nèi)容做鋪墊。

二、圖像的數(shù)字化

1.二值圖像的數(shù)字化

師：二值圖像即黑白圖像，每個(gè)像素點(diǎn)均為黑色或者白色，一般用來(lái)描述字符圖像，其優(yōu)點(diǎn)是占用空間少。那么二值圖像在計(jì)算機(jī)內(nèi)部是如何存儲(chǔ)的呢？我們先將問(wèn)題簡(jiǎn)化——截取蜘蛛的左半邊爪子，并縮小為10×10像素，如圖3。

然后利用imread()函數(shù)讀入本地圖像。再運(yùn)行程序，輸出內(nèi)部存儲(chǔ)結(jié)果，如圖4。

學(xué)生上機(jī)實(shí)踐，教師巡視指導(dǎo)。

教師總結(jié)：輸出結(jié)果是一個(gè)10行10列的數(shù)字矩陣，可知二值圖像在計(jì)算機(jī)內(nèi)部是一個(gè)二維的數(shù)字矩陣，其中，黑色像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)值為0，白色像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)值為255。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生觀察思考二值圖像在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)方式，即數(shù)字矩陣，理解Python程序中圖像處理庫(kù)讀入圖像、打印圖像數(shù)值函數(shù)的使用方法，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。

2.灰度圖像的數(shù)字化

師：我們的世界不是只有黑和白，從黑到白還有中間過(guò)渡的灰色，下面我們繼續(xù)研究灰度圖像的數(shù)字化?；叶葓D像是指只包含不同明暗，不包含任何彩色的圖像。

同樣將問(wèn)題簡(jiǎn)化為10×10的灰度圖蜘蛛爪，利用程序讀入灰度蜘蛛爪圖像，如圖5。

學(xué)生預(yù)測(cè)灰度圖像的數(shù)字化形式，教師運(yùn)行程序，驗(yàn)證學(xué)生猜想并得出結(jié)論：輸出結(jié)果是一個(gè)10行10列的數(shù)字矩陣，純白色的像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)數(shù)值255，純黑色的像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)數(shù)值0，灰度像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)數(shù)值范圍是0~255，可知灰度圖在計(jì)算機(jī)內(nèi)部也是一個(gè)二維的數(shù)字矩陣。

打開(kāi)“找不同”小程序，教師引導(dǎo)學(xué)生一起揭秘：兩幅圖片的不同，體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部就是數(shù)字矩陣的不同。所以用程序找出兩幅圖片的不同就是將兩個(gè)數(shù)字矩陣相減，方法是對(duì)應(yīng)位相減，因此兩幅圖像的大小需要完全一致。兩個(gè)數(shù)字矩陣相減的結(jié)果還是一個(gè)數(shù)字矩陣，即對(duì)應(yīng)著一幅新的圖像。而且相同的值相減得0（黑色），不同的值相減得0~255（灰白色）。

師：將下面這組圖片（如圖6）相減后，程序能找到不同的地方嗎？如果不能，你可以試試調(diào)整圖片的讀入方式（提示：將程序中“，0”去掉），想想看原因是什么呢？

學(xué)生操作實(shí)踐。教師展示學(xué)生作業(yè)并反饋：彩色圖片包含的數(shù)據(jù)信息更豐富，是三維數(shù)字矩陣，單一矩陣無(wú)法計(jì)算。

設(shè)計(jì)意圖：從二值圖像過(guò)渡到灰度圖像，學(xué)生非常容易理解這一簡(jiǎn)單的圖像處理操作——圖像相減，通過(guò)“找不同”小程序，感受圖像數(shù)字化對(duì)圖像處理的作用，培養(yǎng)學(xué)生的信息意識(shí)、計(jì)算思維等能力。最后讓學(xué)生體驗(yàn)彩色圖像的相減，為接下來(lái)RGB彩色圖像數(shù)字化及圖像數(shù)字化過(guò)程設(shè)置懸念。

3.RGB圖像的數(shù)字化

師：RGB圖像在計(jì)算機(jī)中是以三通道的方式存儲(chǔ)的，即三維數(shù)字矩陣，每個(gè)像素點(diǎn)包含三個(gè)數(shù)值，代表RGB三色合成。

教師利用Windows電腦自帶的顏色合成程序，展示[168，247，250]三個(gè)數(shù)值合成的顏色，提醒學(xué)生注意168對(duì)應(yīng)B、247對(duì)應(yīng)G、250對(duì)應(yīng)R通道。

師：圖像數(shù)字化是將模擬圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像，它是進(jìn)行數(shù)字圖像處理的前提。圖像數(shù)字化的過(guò)程為先采樣，然后將圖像量化，最后再編碼。不同量化等級(jí)的圖像效果是不一樣的，如圖7。

教師鼓勵(lì)學(xué)有余力的學(xué)生自主在網(wǎng)上下載圖片，試一試圖像加與減的效果，如圖8，并注意要利用圖像處理軟件將兩張圖像的大小調(diào)整一致。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生理解RGB圖像數(shù)字化以及圖像數(shù)字化的過(guò)程，并嘗試實(shí)踐圖像數(shù)字矩陣處理的更多方法，拓展學(xué)生的思維，提升數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新的能力。

三、課堂小結(jié)

教師邀請(qǐng)學(xué)生談?wù)勛约旱氖斋@，總結(jié)本課所學(xué)知識(shí)，提出問(wèn)題：為什么有時(shí)需要將RGB圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像？

學(xué)生思考并討論。

師：自然界中，顏色本身非常容易受到光照的影響，RGB變化很大，反而灰度圖像更能提供本質(zhì)的信息。而且存儲(chǔ)方式由三通道轉(zhuǎn)為單通道后，運(yùn)算量大大減少，加快了人工智能的計(jì)算速度。其實(shí)人工智能的本質(zhì)就是計(jì)算，希望大家能夠辯證地看待人工智能。

教學(xué)反思

人工智能課程該怎么上？是否一定要借助器材或者平臺(tái)？是否只是淺顯的體驗(yàn)？這是我在設(shè)計(jì)本課時(shí)一直思考和想要解決的問(wèn)題。本課根據(jù)初中生的特點(diǎn)，借助Python語(yǔ)言這一強(qiáng)大的第三方庫(kù)，結(jié)合“找不同”小程序的編程游戲，讓學(xué)生趣味地學(xué)習(xí)圖像的數(shù)字化，啟蒙學(xué)生對(duì)人工智能中圖像處理的理解，為后續(xù)的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。