2024年4月14日发(作者：)

信息技术教学

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打开技术“黑箱”，让思维走向深刻

——以“走进图像识别”一课为例

计算思维是信息技术学科核

心素养之一，包括抽象、分解、建模、

评估等内涵。思维的深刻性，又称

逻辑性，它是指思维过程或智力活

动的抽象程度、对事物的规律和

本质的反映能力。思维的深刻性对

培养计算思维的关键内涵“抽象”

至关重要。思维的深刻性体现在掌

握和运用分析、比较、综合、概括等

思维方法的程度。教学中打开技术

“黑箱”，让学生经历对问题的抽

象、设计技术方案以及解决问题

的过程，可以培养学生的思维深刻

性。下面，笔者以初中“走进图像识

别”为例，阐述如何层层递进，在打

开技术“黑箱”的过程中，培养学生

思维的深刻性。

●

问题引领，增强分析能力

学生在之前的课程中已经掌

握调试Python语言，也可以进行适

度的程序改写，并且初步接触了图

像识别及其应用。但是，图像识别

原理是理论性、专业性都很强的概

念，信息从输入到输出识别结果之

间究竟发生了什么？这是不可见的

技术“黑箱”。由于不可见，学生就

会对图像识别原理的学习缺乏兴

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中国信息技术教育

陈勇 上海市世界外国语中学

趣结果，结果造成思维困难，难以

理解学习内容。因此，让学生在图像

识别原理“黑箱”可见、可想象的情

境下学习，可以促进学生对图像识

别的思考与理解。

本课的问题情境就从阿里

AI获第三届世界图像识别竞赛

冠军的新闻引入，教师介绍阿里

能够以超级速度对海量图片进

行分类。由此提出问题：“阿里这

么厉害，但阿里的淘宝为什么找

不到学校吉祥物‘世外熊’？如何

才能找到？”引导学生在感受中国

在图像识别领域取得的进步的同

时，尝试站在技术设计者的角度，

思考图像是怎么进行识别的，提高

深入探究图像识别原理的兴趣，

增强对问题的分析能力。本课选

择贴近现实且与学生校园生活相

关的探究性问题引入，问题指向具

体、清晰，有一定的思维容量和思

维强度，让学生基于问题分析展开

图像识别原理的探究性学习，可以

助推学生思维的发展。

●

设计方案，增进比较能力

对于“为什么找不到学校吉祥

物‘世外熊’”的问题，学生大多能

回答出“因为阿里的库（数据库）里

没有”，但是对于学生而言，计算机

是如何找的是技术的“黑箱”，初中

生已有知识储备是无法想象的。因

此，本环节类比生活中区分“世外

熊”和“其他熊”的方法，以此鼓励

学生大胆提出自己的“假设”技术

方案，假设计算机中区分“世外熊”

和“其他熊”的方法，以锻炼学生思

维的逻辑性。

“假设”技术方案主要是通过

活动一完成，活动一请学生们在学

习单上，用一根长直线手动分类六组

和“其他熊”的高度大小

数据（如下页图1），学生完成后，分别

在小组内和全班讨论对比第几幅图

大家的分界线会较一致，学生们会

发现：到第六组时大家的结果基本

一致，而之前的几幅图大家画的线

角度方向各不相同。这样通过将手

动分类最简单的图像特征与计算

机图像识别类比，可以帮助学生大

胆提出自己的“假设”技术方案：计

算机主要是通过学习数据自动获

取并识别图像特征信息的特点。学

生对类比并提出“假设”技术方案

很感兴趣，思维也积极展开，这样

“世外熊”

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信息技术教学

图1 “世外熊”和“其他熊”的高度大小数据

图2 “处理输入的图像”显示结果 图3 “提取特征并识别处理”显示结果

不仅训练了学生的比较能力，而且

也能培养他们设计解决问题方案

的能力。

提升综合能力

●

技术实践，

在学生提出“假设”技术方案

后，进入体验图像识别特点的技

术实践环节。本环节主要由两个

活动组成，这两个活动都是打开

Jupyter，分步运行“手写数字识别

程序.ipynb”，这个手写数字识别

程序是使用PyTorch搭建的一个

简易深度学习模型，使用两层卷积

层和池化层来搭建简易的卷积神

经网络。以学习单为学习支架，观

察运行结果。活动二是运行手写数

字识别程序的前两段程序，观察并

记录“处理输入的图像”（如图2）和

“提取特征并识别处理”（如图3）

的运行结果，如训练的图片数量、训

练正确率等。学生跑两段程序时，

能近距离地观察图像识别过程，了

解图像识别在计算机内的基本处

理过程。

活动三是运行手写数字识别

程序的第三段程序，观察图像识别

技术如何提取特征、提取到的特

征有什么特点等运行结果（如下页

图4）。设计的目的是将抽象的深度

学习技术进行形象的表达，回避卷

积、池化、全连接层等陌生而抽象

的概念，让学生见到计算机内部特

征识别的简单过程，在对计算机具

有自动学习特征并识别有了更深刻

思考的同时，体会到图像识别的方

法和过程，以及影响图像识别技术

的主要因素有大数据、算法、计算

能力。

教师把编程作为一个解剖技

术“黑箱”的工具，通过跑程序、读

MAY. 2021 NO.09

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图4 图像特征分析

程序、改程序的方式，让学生在两

个活动的技术体验中获得图像识

别原理的知识。学生在活动体验

中，通过猜测程序功能、尝试修改

部分程序数据，举一反三，触类旁

通，能适度看到图像识别技术“黑

箱”的内容，思维由此而深入，跑、

读、改程序的体验，大大提高了技

术应用的综合能力。

提高概括能力

●

技术评价，

本环节主要引导学生讨论两

个问题：图像识别技术常用的应用

领域有哪些？计算机在图像识别

中有可能犯错吗？两个问题的讨

论，指向学生对技术特点、应用场

合和可改进空间的思考，这些可改

进的空间恰恰就是技术创新的新

起点。再回到本课初始问题“阿里

的淘宝为什么找不到学校吉祥物

‘世外熊’？如何才能找到？”，对于

如何才能找到的解决问题方案，学

生会有阿里可以基于数据和算法

改进技术的思考和建议，并意识

到要学好基础学科为科技强国而

努力。

从对问题进行抽象，到设计技

术方案以及解决问题，再到对整个

问题能抽象概括，学生能辩证思考

图像识别技术的两面性，并将所学

图像识别原理应用于迁移规律，能

概括出技术应用的新思考。本环节

虽然所占课时不多，但却很重要，是

通向本课学习思考的桥梁。概括本

课学习的图像识别原理，并将理解

应用于生活中更广泛的技术应用场

合，辩证看待技术的特点，有助于学

生对技术本质的思考。

●

结语

整节课结束后，学生对图像

识别产生了浓厚的兴趣，并且能够

思考与适当理解图像识别的基本

原理。教师在课中还提到了两个

方面的内容，一方面是关于人工智

能在机器学习过程中的不确定

性，也就是人工智能的不可解释

性，也让学生对未来人工智能的

发展有一种期待和责任；另一方

面在课中提到了关于图像识别技

术涉及的数学知识，其实就是从

初中的一元一次方程开始的，这

也充分体现了基础学科的重要

性，学生也知道了高深的技术背

后还是今天学习的基础学科的知

识，从而促进学生对学习基础学

科积极性的深度思考。

无论是图像识别这类的人工

智能新技术学习内容，还是相对传

统的教学内容，都需要教师不断学

习相关理论知识，坚持对技术背后

科学原理开展教学探索，尝试打开

技术的“黑箱”，在体验活动过程

中帮助学生“深入”用技术解决问

题，从具体到抽象，让技术思想方法

“浅出”，形成对计算机科学的思考

与理解，发展学生的人文底蕴和科

学精神。

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