主講人:于洪海
于洪海
高級(jí)教師,北京市昌平區(qū)城北小學(xué)教育集團(tuán)教導(dǎo)處副主任,連續(xù)多年被評(píng)為昌平區(qū)學(xué)科帶頭人,承擔(dān)的北京市“十三五”教育技術(shù)課題已結(jié)題,北京市“十四五”教育規(guī)劃課題“集團(tuán)化辦學(xué)背景下雙師課堂教學(xué)模式構(gòu)建與實(shí)踐研究”處于開(kāi)題研究階段,多次參與國(guó)家級(jí)、市區(qū)級(jí)課題研究,近五年承擔(dān)區(qū)級(jí)以上評(píng)優(yōu)課25節(jié),13篇論文獲市區(qū)級(jí)獎(jiǎng)勵(lì),多篇論文在國(guó)家CN類刊物上發(fā)表。
項(xiàng)目背景
教育部印發(fā)的《義務(wù)教育課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》要求強(qiáng)化學(xué)科探究和跨學(xué)科實(shí)踐,積極開(kāi)展主題性、項(xiàng)目式、綜合性的教學(xué)活動(dòng)。本課例通過(guò)跨學(xué)科的主題性教學(xué)活動(dòng),讓學(xué)生多角度、多維度地參與認(rèn)知與實(shí)踐,培養(yǎng)他們綜合運(yùn)用知識(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力,更加全面、系統(tǒng)地提高核心素養(yǎng)。
課時(shí)分配
本課教學(xué)分為鍵盤、鼠標(biāo)、視頻(人體姿態(tài)識(shí)別)、語(yǔ)音控制角色4個(gè)課時(shí),挖掘程序編寫知識(shí)間的關(guān)聯(lián)性,整合教學(xué)知識(shí)點(diǎn),讓學(xué)生圍繞控制對(duì)象這一主題性問(wèn)題進(jìn)行STEM課程的學(xué)習(xí)。
教學(xué)目標(biāo)
知識(shí)與技能:1.結(jié)合科學(xué)學(xué)科“人體對(duì)刺激的反應(yīng)”一課,了解人工智能概念及其在生活中的應(yīng)用。2.學(xué)會(huì)利用Scratch人體姿態(tài)識(shí)別控制角色。
過(guò)程與方法:1.培養(yǎng)學(xué)生利用程序解決問(wèn)題的信息意識(shí),提高他們的計(jì)算思維。2.通過(guò)Scratch程序?qū)嵺`探究,體驗(yàn)計(jì)算機(jī)通過(guò)人體姿態(tài)識(shí)別控制角色的過(guò)程,感受信息科技的快速發(fā)展。
情感態(tài)度與價(jià)值觀:感受信息科技給人們生活、學(xué)習(xí)帶來(lái)的便捷與智能,激發(fā)學(xué)生對(duì)程序設(shè)計(jì)的探索欲望。
教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)
教學(xué)重點(diǎn):學(xué)會(huì)利用Scratch人體姿態(tài)識(shí)別控制角色。
教學(xué)難點(diǎn):完成基于Scratch人體姿態(tài)識(shí)別的“潛艇大戰(zhàn)”程序設(shè)計(jì)。
教學(xué)過(guò)程
一、復(fù)習(xí)導(dǎo)入
師:同學(xué)們,之前我們學(xué)習(xí)過(guò)用哪些方法可以控制潛艇在海底躲避石頭?
生:鍵盤控制、鼠標(biāo)控制。
師:你覺(jué)得還有哪些方法可以控制潛艇呢?(學(xué)生討論)
師:是的,我們還可以利用語(yǔ)音、顏色、手勢(shì)等來(lái)控制,這就需要計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別我們的聲音、手勢(shì)、表情以及物體的顏色、氣味等。計(jì)算機(jī)的識(shí)別能力就像在模仿人類的大腦功能。之前五年級(jí)科學(xué)課第一課,我們學(xué)習(xí)過(guò)關(guān)于人體對(duì)外界的反應(yīng)——人能夠通過(guò)自己的感官感知世界,那么,人體的感官有哪幾種?
生:人體的感官分為視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)和觸覺(jué)。
師:計(jì)算機(jī)也可以模仿人類,擁有這五種感官的功能。計(jì)算機(jī)通過(guò)攝像頭、耳麥等設(shè)備捕獲到信息后,經(jīng)過(guò)信息處理分析并作出判斷,就可以執(zhí)行人們發(fā)出的指令,這一模擬人類的行為,我們稱為人工智能。
【設(shè)計(jì)意圖】引入跨學(xué)科小學(xué)五年級(jí)科學(xué)學(xué)科“人體對(duì)刺激的反應(yīng)”一課的知識(shí),增強(qiáng)學(xué)生對(duì)人工智能的理解與認(rèn)識(shí),讓學(xué)生感受到很多科學(xué)創(chuàng)造都是來(lái)源于對(duì)自然界的模擬,感覺(jué)到新技術(shù)就在我們身邊,從而激起學(xué)生愛(ài)學(xué)、樂(lè)學(xué)信息科技的欲望。
師:今天我們來(lái)學(xué)習(xí)編寫一個(gè)計(jì)算機(jī)通過(guò)攝像頭獲取信息,識(shí)別人體姿態(tài)來(lái)控制角色的程序,并基于此設(shè)計(jì)一個(gè)可以控制潛艇的程序。(板書:人體姿態(tài)識(shí)別)
二、學(xué)習(xí)新知
1.教師演示人體姿態(tài)識(shí)別——Scratch“口罩跟隨”程序,激發(fā)學(xué)生的好奇心和進(jìn)一步學(xué)習(xí)的興趣。
2.教師操作演示程序編寫過(guò)程,引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)程序編寫的要點(diǎn),培養(yǎng)他們的計(jì)算思維。
(1)導(dǎo)入角色
師:我們?cè)赟cratch編程中,首先要做的就是導(dǎo)入角色。
(2)確定指令
師:如何讓口罩角色在舞臺(tái)上跟著鼻子來(lái)回的移動(dòng),第一步是讓它動(dòng)起來(lái),這就需要確定運(yùn)動(dòng)指令集。
教師在講解運(yùn)動(dòng)指令集的過(guò)程中讓學(xué)生討論并排除不相干指令,選擇所使用的核心指令(如圖1)。
(3)獲取位置
那些視頻識(shí)別的程序,往往需要獲取視頻中人物、物體的位置??谡质冀K戴在教師的鼻子上,那計(jì)算機(jī)就需要獲取教師鼻子的位置信息。Scratch中有一個(gè)擴(kuò)展指令集PoseNet,可以進(jìn)行人體姿態(tài)識(shí)別。我們可利用計(jì)算機(jī)識(shí)別人體姿態(tài)來(lái)獲取鼻子的位置。
教師演示添加擴(kuò)展指令集PoseNet。
(4)變量賦值
首先要確定指令。人體感知指令集共7個(gè)指令,我們先編寫一個(gè)簡(jiǎn)單程序:?jiǎn)螕艟G旗開(kāi)始,打開(kāi)攝像頭,透明度為0(也就是攝像頭是完全清晰的)。圖2為獲取面部鼻子位置的指令。教師讓學(xué)生“讀出”這條指令,并討論是否僅獲取鼻子x軸位置即可。(學(xué)生通過(guò)操作理解并獲取y軸位置)
其次要給變量賦值。鼻子位置獲取后如何控制口罩呢?即鼻子移動(dòng)到任何位置,就需要將這個(gè)變化的位置值賦值給口罩,成為口罩移動(dòng)的位置。(把鼻子位置x軸的值給口罩x軸,把鼻子位置y軸值給口罩y軸,這個(gè)過(guò)程我們稱為變量賦值)
教師演示程序,學(xué)生發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)只發(fā)生了一次就會(huì)停止,教師此時(shí)引導(dǎo)出循環(huán)指令的概念(如圖3)。
3.教師出示任務(wù):制作“口罩跟隨”程序。
【設(shè)計(jì)意圖】教師引導(dǎo)學(xué)生了解程序設(shè)計(jì)的思維過(guò)程,培養(yǎng)學(xué)生從“目標(biāo)”實(shí)現(xiàn)到指令尋求的逆向思維過(guò)程,提升學(xué)生自我分析、判斷、選擇的能力,通過(guò)板書“程序?qū)崿F(xiàn)過(guò)程”加深學(xué)生的印象,發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維。
三、實(shí)踐鞏固
教師布置實(shí)踐任務(wù):人體姿態(tài)識(shí)別控制潛艇,制作“潛艇大戰(zhàn)”程序。
學(xué)生之前已經(jīng)學(xué)習(xí)了利用鍵盤、鼠標(biāo)控制潛艇,將鼠標(biāo)控制潛艇角色的程序更改為人體姿態(tài)識(shí)別控制(如圖4),教師巡視指導(dǎo)。程序?qū)崿F(xiàn)效果如圖5。
四、展示交流
學(xué)生展示人體姿態(tài)識(shí)別控制的“潛艇大戰(zhàn)”程序。學(xué)生間互評(píng)“潛艇大戰(zhàn)”程序設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)和不足,最后教師再進(jìn)行點(diǎn)評(píng),實(shí)現(xiàn)多種評(píng)價(jià)方式相結(jié)合。
【設(shè)計(jì)意圖】調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性,通過(guò)展示、互評(píng),培養(yǎng)學(xué)生分析判斷的能力。
五、課后拓展
學(xué)生可繼續(xù)更改“潛艇大戰(zhàn)”的程序設(shè)計(jì),如利用手勢(shì)、語(yǔ)音控制潛艇的運(yùn)動(dòng)。
【設(shè)計(jì)意圖】激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步探究的欲望,有能力并且有持續(xù)深入學(xué)習(xí)想法的學(xué)生能在課下進(jìn)行深入的鉆研。
實(shí)踐反思
1.強(qiáng)化跨學(xué)科綜合性教學(xué)實(shí)踐
本單元圍繞“角色控制”這一主題性問(wèn)題,融入科學(xué)學(xué)科中“人體對(duì)刺激的反應(yīng)”一課,讓學(xué)生體會(huì)到人工智能實(shí)際就是計(jì)算機(jī)模擬人類行為進(jìn)行識(shí)別、判斷的過(guò)程。教師通過(guò)任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué),讓學(xué)生多角度、多維度地參與實(shí)踐,培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。
2.有目的地培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維
培養(yǎng)學(xué)生自我學(xué)習(xí)和探究的能力。在程序教學(xué)中,教師以“導(dǎo)入角色—確定指令—獲取位置—變量賦值”四個(gè)步驟講解人體姿態(tài)識(shí)別控制角色的實(shí)現(xiàn)途徑,讓學(xué)生感受如何進(jìn)行程序設(shè)計(jì),有助于培養(yǎng)學(xué)生自我學(xué)習(xí)和探究的能力。
培養(yǎng)學(xué)生判斷、選擇指令的思維能力。教師讓學(xué)生“讀出”指令,目的是培養(yǎng)學(xué)生理解與判斷指令的能力。教師在教學(xué)選擇指令集、關(guān)鍵指令的過(guò)程中,讓學(xué)生經(jīng)歷先判斷指令集,再排除、選擇指令的過(guò)程,培養(yǎng)他們自我分析、判斷、選擇指令的能力。
專家點(diǎn)評(píng)
新課標(biāo)要求合理優(yōu)化課程設(shè)置,開(kāi)展主題性的教學(xué)活動(dòng)。本課教學(xué)屬于Scratch程序編寫中強(qiáng)化跨學(xué)科STEM教學(xué)實(shí)踐之一。本課對(duì)角色的控制進(jìn)行合理的課程安排,挖掘程序編寫知識(shí)間的關(guān)聯(lián)性,以實(shí)例進(jìn)行“大單元”教學(xué)設(shè)計(jì),優(yōu)化了課程設(shè)置,增強(qiáng)了課程實(shí)踐性、科學(xué)性。(北京市昌平區(qū)教師進(jìn)修學(xué)校 陳軍)