《姿态检测运用——趣味AI运动游戏设计》教学设计

创新整合点

①依托真实情境，紧扣新课标要求。采用微项目方式开展教学活动，从真实体验引入课题，链接学生的生活体验，从用户需求确定姿态并训练模型。让学生在真实问题中经历原理运用过程和计算思维过程，凸显学生的主体性，提升了问题解决意识，体现出“科”与“技”并重。

②搭建交互式学习环境。使用平板和投屏功能让学生体验和感知AI运动游戏，激发学习动力和已有经验；利用易加学院为学生提供学习资料和参考，实现个性化学习；在线编程环境为学生验证和使用人工智能原理提供了极大的便利，降低了学习门槛，提升了学习效率。

③加强多学科联系，促进学科融合。将姿态检测技术用于运动类游戏设计不仅要求学生掌握编程和计算机视觉等技术知识，还要求他们理解人体运动学的基本原理，以便设计出既准确又能提升身体活动的游戏。教学中融合人体运动和健康知识，有助于学生认识到技术在促进健康方面的潜力，激发他们开发更多有益于身体健康的创新应用。

教材分析

本课是依据《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》中的“人工智能与智慧社会”模块编写的校本课程。本课知识点为“姿态检测原理”，旨在教授学生如何使用人工智能技术来识别和分析人体的姿态，包括人体骨骼的识别、关节点的定位、运动轨迹的追踪以及姿态分类等。为了加深学生的理解和运用，笔者引入了学生熟悉的“AI运动”主题，通过“体验+分析+实践”相结合的方式，确保学生能够全面理解并掌握姿态检测的理论和实践技能。

学情分析

本课授课对象为小学高年级学生，这个阶段的学生思维活跃，能够进行更复杂的思考，但通常还需要具体的、直观的信息来辅助理解。因此，教学内容需要与他们的日常经验相联系，使用图像、视频和互动元素来帮助他们理解抽象概念。在知识储备上，高年级学生已经具备一定的编程基础，如变量、循环、条件判断等。此外，高年级学生也对新奇事物充满好奇心，对科技和游戏特别感兴趣。因此，可以将AI姿态检测的教学与游戏化学习结合起来，通过设计有趣的游戏和互动活动来提高他们的学习动机。

教学目标

知识与技能目标：能够理解姿态检测的基本概念，如人体骨骼、关键点等；能够理解姿态检测的基本原理，包括图像处理、特征提取等；能够根据需求采集并训练姿态模型；能够编写程序实现AI运动游戏效果。

过程与方法目标：能够通过体验游戏分析出AI运动的一般过程；能够从需求出发确定预设姿态；能够在模型训练中分析出提升识别准确率的方法。

情感态度与价值观目标：能够从用户需求出发，分析并设计有效的AI运动游戏；关注AI与社会的联系，能够思考出AI姿态检测技术在生活中的更多实际用途，培养学生的创新意识。

教学环境与准备

教学环境：教学平台（在线图形化编程平台）、教学设备（希沃一体机、平板、摄像头等）、学习平台（易加学院在线学习平台）。

教学准备：连接摄像头、半成品游戏作品、平板上预装AI游戏、不同身体部位的锻炼姿态。

教学过程

1.游戏引入

师：你们喜欢哪些运动？如果遇到下雨天怎么做运动？除了常见的运动方式，还使用过哪些设备开展运动？

（学生回答喜欢的运动，说一说下雨天做运动的方法，引出利用“AI运动软件”进行锻炼的方法；教师出示AI运动游戏界面唤醒学生记忆，并邀请学生上台挑战平板中安装的几款AI运动游戏）

师：AI运动类游戏不仅能让我们的大脑得到锻炼，还能让我们的身体更加健康。今天，让我们一起加入这场智能与运动的盛宴！通过设计一款AI运动类游戏，探索科技与运动的完美结合，同学们，准备好了吗？

设计意图：从生活中的AI运动体验引入，联系学生的生活经验，降低学生的认知难度。通过挑战现有的AI运动游戏，激发学生的学习热情，并为后续分析AI运动的过程提供认知材料。

2.自主探究

（1）分析AI运动过程

师：在AI运动中捕捉了人体的哪些信息？当做出要求的动作后会有什么反应？

生：捕捉了人的姿态、动作；做对动作后有加分、音效等。

师：从体验者的角度看，AI运动可以分为“摄像头采集姿态——与预设姿态对比——给出反馈”三大步骤，其中，最关键的是第二步中使用的姿态检测技术。今天，我们来一起学习姿态检测原理，并设计一款AI运动类游戏。

现在，大家的身份是游戏开发者，对比AI运动的步骤，在开发AI运动游戏时要思考哪些问题呢？

生：姿态怎么采集？怎么预设姿态？怎么给出反馈？（如图1）

师：接下来让我们带着这三个问题来开发自己的AI运动伙伴。（出示课题）

设计意图：从体验者的角度利用几个关键问题梳理出AI运动的过程，再从游戏开发者的身份出发，分析开发AI运动游戏时要解决的问题，从而引出本课课题以及学习重点。

（2）活动1：分析客户需求，确定预设姿态

师：小智的妈妈由于久坐，肩部、颈部和背部经常不舒服，他想开发一款AI运动应用让妈妈进行锻炼。如果你是小智，你会怎么做？

生：确定预设姿态，设计游戏效果。

师：从3个部位（肩部、颈部、背部）中选择1个，并在阅读易加学院中的资料后确定两个合适的姿态。

生：每个小组说一说选择的部位，并做一做选择的姿态。

设计意图：鼓励学生考虑用户体验和社会责任，培养他们对技术伦理和社会价值的认识；通过让学生为小智的妈妈设计一款AI运动应用，激发学生对人工智能技术的兴趣；将编程、人体工程学和健康知识相结合，培养学生的创新思维和问题解决能力。

（3）活动2：训练姿态模型

师：当选择好姿态后，要识别出用户的姿态，还需要训练姿态模型。同学们还记得模型训练的过程吗？

生：采集姿态数据，然后通过训练生成模型。

师：请大家打开“AI训练工具”，采集姿态数据。要注意修改姿态的名称，当模型训练好后，两个人轮流验证识别效果。

（展示多个小组的模型，查看识别准确度）在采集姿态数据时，数量取多少张合适？训练模型时人与摄像头的距离和使用模型时人与摄像头的距离是否要保持一致呢？

生：数量在40张左右。如果距离不一致会影响识别效果。或者在采集时拍摄多种距离的照片，这样在后面使用模型时可以提升准确率。

师：请大家继续优化采集的数据，提升识别的准确率。

设计意图：通过实践操作，理解和掌握进行模型训练的方法。在实践后进行小组展示，发现问题并总结出采集数据的注意事项。

（4）揭示姿态检测原理

师：在采集姿态样本时，身体上会出现什么（如图2）？

生：出现了蓝色的点。

师：在身体哪些地方会出现点呢？

生：有关节的地方都会出现点。

师：大家能从中总结出姿态检测的关键吗？

生：识别到人体的关节点，并把点连接成线。当做不同的动作时，多条线会组成不同的姿态。

师：看来同学们已经体会到了姿态检测的关键技术。其实，AI运动就是采用摄像头动态采集人体骨骼点与运动姿势，基于这些关键点信息，连点成线，连线形成动作。然后通过姿态匹配，实现动作计数或给出状态反馈。其中用到了数据采集和预处理、特征提取、机器学习等技术，平台中已经封装了这些功能，大家在理解的基础上运用即可。

设计意图：通过展示采集到的姿态样本图片，引导学生观察并发现人体关节点的标记，从而总结出姿态检测的基本过程。通过这种互动式教学，让学生通过直观体验和实际操作来理解姿态检测技术的原理。

3.动手实践

（1）明确游戏效果

师：按照AI运动游戏开发流程，还需要设计具有趣味性的游戏效果。大家有什么想法？

生：当做了要求的动作后，游戏人物可以移动，还可以加分；游戏人物可以与其他角色互动，做对可以靠近目标；增加计时效果、音效等。

师：老师给大家准备了一个游戏效果，请大家打开半成品文件，观察游戏界面（如图3），猜一猜可能的效果。

生：通过姿态控制兔子移动，如果碰到水果则加1分。

师：同学们已经基本猜测到了玩法，再来明确一下。①兔子可以根据不同姿态进行移动，如头左偏向左移动、头右偏向右移动。②碰到水果加1分，水果重新出现在其他位置。③限时30秒。

设计意图：在游戏效果设计环节，鼓励学生思考如何通过姿态控制游戏角色，以及如何通过互动和奖励机制增加游戏的吸引力，旨在提高学生的参与度和学习动力，锻炼他们的创新思维和问题解决能力。通过打开半成品文件并观察游戏界面，学生能够直观地理解游戏的基本玩法和逻辑，有助于他们进一步思考如何优化和创新游戏效果。

（2）活动3：使用模型，实现姿态对比

师：我们先通过流程图来梳理思路（结合学生回答出示如图4所示的流程图）。首先，加载训练好的模型，并不断对每帧的姿态进行预测。接下来会预测出几种结果呢？

生：会有两种结果。如果做出了第1个动作，兔子往左走，做出另一个动作则往右走。

师：请打开“兔子”角色的程序，将分散的程序按照流程图进行组合。

学生展示游戏效果，做不同的动作，观察兔子是否能够左右移动。教师解决学生遇到的问题，如在对比姿态时要确保程序中的名称和“模型”中的分类名称一致。

设计意图：通过流程图梳理程序逻辑，学生能够清晰理解模型加载、姿态预测以及动作控制的完整过程。在实践活动中强调程序代码与功能实现之间的直接联系，同时让学生认识到关注细节、精确命名的重要性。

4.拓展与小结

师：游戏还可以继续改进吗？怎么能更加有趣呢？

生：兔子的速度能够根据动作的幅度变化、添加碰到水果的音效、增加姿态的种类、丰富兔子的动作……

师：大家思考一下，今天用到的姿态检测技术还可以运用在哪些地方呢？

生：可以开发训练软件供运动员使用；在医院中可以用作姿态矫正；写作业时纠正坐姿；用在驾驶舱中检测司机的驾驶状态；可以用在家居中，如挥手可以开灯……

师：今天，我们一起体验了AI游戏，并探索了AI游戏开发的过程和姿态检测的原理。技术是不断进步的，AI游戏开发领域也不例外。请保持好奇心，继续学习，期待大家创造更加智能和引人入胜的游戏体验。

设计意图：通过讨论游戏改进的方法，理解通过调整参数和增加感官效果来增强用户体验。同时，引导学生思考姿态检测技术在不同场景中的应用潜力，拓宽他们的技术视野。

教学反思

1.立足真实问题，促进原理理解

姿态检测技术能够识别和理解图像或视频中人体的各种姿势和动作，其中涉及关键点检测、深度学习算法、大量的数据训练等知识，这对小学高年级学生来说，难以直接理解和运用。因此，在设计教学活动时，笔者结合姿态检测的应用情境，选择贴近学生生活的“运动”主题。在选定主题后，通过体验几款AI游戏，让学生厘清AI运动的基本过程。然后，设计了真实的问题，以“妈妈”的口吻提出问题，调动学生的积极性，并通过三个活动不断解决关键问题，帮助学生更好地理解和运用姿态检测原理。

2.明确关键问题，厘清开发思路

通过体验者和开发者的两个角色，让学生分析AI游戏设计的三个关键问题：姿态采集、预设姿态的设定、反馈机制的设计。本课的开发过程即是解决这三个问题的过程。学生会利用摄像头捕捉人体动作，了解数据收集的重要性和相关要领。预设姿态的设定环节要求学生思考如何根据运动目标设计合理的动作模型。最后，在反馈机制的设计中，学生需要考虑如何通过视觉和听觉效果有效地激励用户，这不仅涉及编程技能，还包括用户体验设计的知识。

3.巧设学习支架，达成学习目标

本课为达成学习目标，设计了教学支架，分别是半成品程序和流程图。首先，本课的游戏从整体上看不复杂，但是考虑到学习重点和难点，没有让学生从头开始编写程序，而是将学习重点放在姿态检测功能的实现上，从而促成了教学目标的达成。其次，本课游戏设计的难点位于第三个活动中，因此，先让学生分析流程图的内容，并强调条件的表达，让学生明白程序中的动作名称要与模型中的动作名称保持一致，从而化解了编程难度，促成了难点知识的理解。