食堂清洁智慧小助手

吴浩 李永坤 张芳群

OpenInnoLab 是上海人工智能实验室智能教育中心团队发布的面向青少年的人工智能开放平台，能够降低青少年人工智能学习门槛，打通工具之间的数据流转，从而实现数据集制作、数据标注、模型训练、模型推理、模型部署应用等人工智能技术全流程实践。

“行空板”是一款专为Python 学习和使用设计的新一代国产开源硬件，集成LCD 彩屏、Wi-Fi 蓝牙、多种常用传感器和丰富的拓展接口，同时自带Linux 操作系统和Python 环境，并预装常用Python 库。

本案例针对农村地区学生在学校就餐时卫生习惯差的问题，设计了“食堂清洁智慧小助手”教学实践项目，在学校校本课程中属于8 年级“设计与实现”课程阶段（图1）。项目采用OpenInnoLab 平台构建项目软件环境，采用行空板搭建硬件环境，完成图片识别及警示灯显示等重要流程，通过对学生就餐秩序及就餐习惯的观察，收集数据并进行整理，实现学生食堂就餐秩序智慧提醒的功能。

本案例从学生身边的问题入手，通过项目式学习认识并实践人工智能技术，促进学生信息素养提升，为农村地区学校在教学条件有限的情况下开展人工智能技术的学习实践展开了一次有益的探索。

案例背景

政策背景

2022 年版中小學课程标准对跨学科项目学习提出了明确要求，因为跨学科项目活动是学校进行综合育人、教师进行学科融合、学生进行学科知识转化的重要方式。本项目在教学过程中，通过融入“好习惯成就好人生”的价值引领，秉承勤于动脑动手、勇于创新的科学精神，提升学生提出问题、解决问题的能力，推动农村地区初中学生信息素养和生活习惯的提升，推动“双减”政策背景下五育并举的实现。

学情背景

项目实施学校为一所单设农村初中，学生大部分来自农村偏远贫困山区，学生的生活卫生习惯不是很好，在学校食堂就餐时经常忘记及时清理使用过的餐桌。本项目通过智慧提醒小助手的搭建，使学生既能掌握人工智能的相关技能，又能体验好的卫生习惯有益于生活和学习，从而逐步养成良好的生活习惯。

案例内容

教学目标

让学生学会应用科学思维和人工智能工具解决社会层面的问题，通过图像标注实现数据集的初步构建，体验数据收集和整理过程，运用人工智能平台进行软件设计和硬件搭建，完成食堂就餐秩序智慧提醒小助手的设计与制作。

实施过程

问题梳理 学生通过讨论和列举，梳理在食堂就餐时同学和自己可能出现的问题，从问题列表中选出想要解决的问题，并根据问题场景设计合适的人工智能应用；为问题设计人工智能应用，并绘制解决流程。此环节，学生需要解决的问题有两个，一是项目需要解决的共同问题，二是学生在完成共同问题后需要解决的个性化问题。

【设计意图】学生通过梳理在食堂就餐时可能出现的问题，跨出项目学习的第一步——确定问题。学生创新意识和创新能力的培养，需要从提出问题开始，像这样类似头脑风暴的问题列举法可较好地帮助学生梳理问题，并尝试在梳理过程中提出合适的问题，然后根据一定的条件筛选出可解决的现实问题，并尝试解决。

数据采集 数据是图像识别过程中非常重要的部分，在明确问题后，学生需要了解数据集的含义和作用，通过对共同问题进行分析，设计数据采集方案。本项目需要采集的原始图片数据分为3 类：①正常有人使用的桌面；②无人使用干净的桌面；③无人使用但脏乱的桌面。学生依据设计方案进行原始数据采集，采集数据时需要注意同一类图片的数量要求和画面质量要求。

【设计意图】学生从采集数据的活动中感受数据对于人工智能的重要性，一是可以填补学生对人工智能为什么能进行识别的经验空白；二是切身感受数据收集过程中需要触碰到的各类信息，提高对信息安全的防范意识；三是在项目学习过程中设计动手环节，调动学生的积极性。数据集制作和图像标注 通过OpenInnoLab 平台提供的数据制作工具制作数据集，并练习数据标注任务。在本环节，学生能在图像识别过程中体验数据集处理的过程和人工智能技术创造出来的数据标注师这一全新职业。

【设计意图】2020 年，人工智能训练师正式成为新职业并纳入国家职业分类目录。在飞速发展的信息时代，有很多职业消亡，也有很多职业诞生。学生未来会从事的职业很多都是从现在开始才有，甚至还没有诞生。从体验数据标注的任务，学生既能感受到人工智能工作的构成，又能体验未来职业的新奇，消除学生对人工智能的神秘感。平台仿真 通过OpenInnoLab 平台提供的集成工具，

使用自制数据集，在积木块的帮助下完成项目基本环境的搭建，并使用数据集验证项目流程是否能正常运行，对项目问题解决流程进行仿真。此环节完成，学生就设计完成了整个项目，可以进行成果展示，并思考如何将共同问题的解决路径移植到个性化问题的解决路径上。

【设计意图】先使用仿真方式完成项目构建，为了让学生更加顺利地在平台的帮助下体验完整的人工智能项目，结合学情设计了积木块结合数据集的方式，以便学生更快地收获人工智能项目学习成果，增强后续学习信心。

硬件部署 通过教学视频学习行空板的基本知识，学会将Python 文件上传到行空板。学生通过平台克隆教师预制项目文件，完成对关键参数的认识和修改后，将Python文件部署到行空板，并在摄像头的帮助下实现项目的全过程运行，此环节有助于学生完成一个完整人工智能科技创新项目的实现流程。

【设计意图】一个完整的人工智能科技创新项目，最好能获得硬件支持，完成硬件部署。学生通过克隆预制项目，修改重要参数，完成对项目的微创新，完成项目流程内的所有任务，为设计个性化问题、完成个性化科技创新项目进行框架预设和铺垫。

总结与反思

学生尚未习惯人工智能技能所知所学在真实场景中的具体应用，即使主题设置为现实生活中的真实问题，学生在一定程度上仍抱有人工智能还离自身很远的疑虑，并有可能质疑完成任务的可能性，这正是提升农村学生基本信息素养的一次机会与尝试，能进行相应知识与能力的拓展与推进。

项目实施过程中，学生首次尝试应用人工智能工具解决现实问题，解决问题意愿比较强烈，但对流程和工具处于摸索阶段，部分学生完成度有待提高。同时，学生需要更多相同框架的项目任务，以更好地掌握平台提供的人工智能工具并进行硬件部署。

学生水平和能力在人工智能学习上所展现出来的参差不齐尤为明显，因此分组时应注意小组规模，尽量做到同一小组分工明确、合作有序，避免动手动脑完全集中在少数学生身上。

优化与改进

为学生的探索过程预留空间，提供必要的铺垫

项目学习对农村学生有一定难度，在完成项目的每一个阶段都可能出现预设之外的情况，尽量为学生的学习预留空间，保持学生的兴趣和学习动力。

引导学生探索的过程中，纠正不良的卫生习惯

项目学习拥有综合性育人目标，应全方位为学生素质提升提供助力。问题的真实性有助于学生快速进入问题，问题的成功解决也应帮助学生纠正问题。