《任務(wù)4.2利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)黑白邊界》教案課程名稱人工智能應(yīng)用基礎(chǔ)課題任務(wù)4.2利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)黑白邊界班級(jí)：授課時(shí)間2025.3.1授課時(shí)數(shù)2地點(diǎn)：教材分析內(nèi)容分析本節(jié)內(nèi)容主要圍繞利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）進(jìn)行黑白邊界檢測(cè)展開。首先介紹了CNN適合圖像處理的原因，包括過濾無關(guān)背景信息、局部感知和權(quán)重共享等特性。隨后詳細(xì)講解了卷積操作的具體過程及其在特征提取中的作用，并通過實(shí)例展示了如何使用卷積核檢測(cè)圖像的邊緣。接著介紹了池化操作的原理及其實(shí)現(xiàn)方法，強(qiáng)調(diào)其在減少訓(xùn)練參數(shù)和過濾冗余特征方面的重要性。最后結(jié)合實(shí)際案例說明了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)及其在圖像分類中的應(yīng)用。學(xué)情分析學(xué)生已具備一定的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)和編程能力，對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)有一定的了解，但對(duì)具體的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)操作尚不熟悉。他們對(duì)實(shí)際應(yīng)用的深度學(xué)習(xí)技術(shù)表現(xiàn)出濃厚的興趣，尤其是涉及圖像處理的應(yīng)用如邊緣檢測(cè)等。然而，部分學(xué)生可能對(duì)復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式和算法理解存在困難，因此需要通過實(shí)例演示和動(dòng)手實(shí)踐來加深理解。同時(shí)，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力較強(qiáng)，可以通過小組討論和合作探究的方式提高學(xué)習(xí)效果。課時(shí)教學(xué)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)1.掌握卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)適合圖像處理的原因。

2.理解卷積操作的具體過程及其在特征提取中的作用。

3.學(xué)習(xí)池化操作的原理及其實(shí)現(xiàn)方法。能力目標(biāo)1.能夠運(yùn)用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行簡(jiǎn)單的黑白邊界檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

2.提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)其創(chuàng)新思維。

3.培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作和自主學(xué)習(xí)的能力。素質(zhì)目標(biāo)1.培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和實(shí)事求是的精神。

2.激發(fā)學(xué)生對(duì)人工智能技術(shù)的興趣，增強(qiáng)其社會(huì)責(zé)任感。

3.提升學(xué)生的溝通表達(dá)能力和團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。思政目標(biāo)1.引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注國(guó)家科技發(fā)展動(dòng)態(tài)，樹立科技報(bào)國(guó)的理想信念。

2.通過實(shí)際案例展示人工智能技術(shù)在社會(huì)生活中的應(yīng)用價(jià)值，增強(qiáng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。

3.培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力，為未來投身科技創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)。教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)1.卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)適合圖像處理的原因。

2.卷積操作的具體過程及其在特征提取中的作用。

3.池化操作的原理及其實(shí)現(xiàn)方法。教學(xué)難點(diǎn)1.如何將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際操作技能。

2.如何正確理解和應(yīng)用卷積操作的相關(guān)概念。

3.如何有效利用池化操作減少訓(xùn)練參數(shù)和過濾冗余特征。教學(xué)策略設(shè)計(jì)思路1.采用議題式教學(xué)法，以“如何利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)黑白邊界檢測(cè)”為核心議題，引導(dǎo)學(xué)生思考并解決問題。

2.結(jié)合實(shí)際案例進(jìn)行講授，通過圖示和動(dòng)畫等形式直觀展示卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的操作過程。

3.設(shè)計(jì)小組合作探究活動(dòng)，讓學(xué)生親自動(dòng)手實(shí)踐，體驗(yàn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的操作。

4.利用信息化手段如在線資源平臺(tái)提供豐富的學(xué)習(xí)資源，支持學(xué)生的自主學(xué)習(xí)。

5.在教學(xué)過程中注重即時(shí)評(píng)價(jià)反饋，及時(shí)調(diào)整教學(xué)策略以適應(yīng)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

6.鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，通過翻轉(zhuǎn)課堂等方式激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣。教學(xué)過程設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)設(shè)計(jì)意圖教學(xué)與信息化手段課前導(dǎo)入新課1.回顧上節(jié)課內(nèi)容。

2.提出本節(jié)課主題：利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)黑白邊界檢測(cè)。

3.展示實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景圖片，激發(fā)學(xué)生興趣。

4.布置預(yù)習(xí)任務(wù)：閱讀教材相關(guān)內(nèi)容。

5.提供學(xué)習(xí)資源鏈接。

6.提醒學(xué)生準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)環(huán)境。1.復(fù)習(xí)舊知。

2.記錄本節(jié)課主題。

3.觀察圖片，思考問題。

4.完成預(yù)習(xí)任務(wù)。

5.訪問學(xué)習(xí)資源鏈接。

6.準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)環(huán)境。通過情境創(chuàng)設(shè)引起學(xué)生注意，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，為后續(xù)學(xué)習(xí)做好鋪墊。多媒體課件、學(xué)習(xí)資源鏈接。課中理論講解1.講解卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)適合圖像處理的原因。

2.詳細(xì)介紹卷積操作的具體過程及其在特征提取中的作用。

3.對(duì)比卷積操作與池化操作的特點(diǎn)。

4.使用圖示和動(dòng)畫展示相關(guān)概念。

5.解答學(xué)生疑問。1.認(rèn)真聽講。

2.做好筆記。

3.積極參與互動(dòng)。

4.提出自己的疑問。

5.觀看圖示和動(dòng)畫。

6.思考并回答問題。幫助學(xué)生建立系統(tǒng)的知識(shí)框架，理解關(guān)鍵概念，為實(shí)踐操作打下理論基礎(chǔ)。多媒體課件、圖示動(dòng)畫。案例分析1.分析實(shí)際黑白邊界檢測(cè)案例。

2.展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.引導(dǎo)學(xué)生思考案例中的關(guān)鍵點(diǎn)。

4.組織小組討論。

5.總結(jié)討論結(jié)果。

6.強(qiáng)調(diào)注意事項(xiàng)。1.觀察案例。

2.分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.參與小組討論。

4.發(fā)表個(gè)人觀點(diǎn)。

5.記錄討論結(jié)果。

6.注意事項(xiàng)。通過具體案例加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，培養(yǎng)其分析問題的能力。多媒體課件、實(shí)驗(yàn)結(jié)果截圖。實(shí)踐操作1.布置實(shí)踐任務(wù)。

2.提供數(shù)據(jù)集和項(xiàng)目代碼。

3.指導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)。

4.巡視并解答問題。

5.收集學(xué)生反饋。

6.總結(jié)常見問題。1.閱讀實(shí)踐任務(wù)。

2.下載數(shù)據(jù)集和項(xiàng)目代碼。

3.動(dòng)手完成實(shí)驗(yàn)。

4.遇到問題及時(shí)提問。

5.反饋實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

6.總結(jié)收獲。通過實(shí)踐操作鞏固理論知識(shí)，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和解決問題的能力。在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)?？偨Y(jié)反思1.回顧本節(jié)課主要內(nèi)容。

2.強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)和難點(diǎn)。

3.提出思考題。

4.布置課后作業(yè)。

5.鼓勵(lì)學(xué)生繼續(xù)探索。

6.總結(jié)學(xué)生表現(xiàn)。1.跟隨教師回顧。

2.記錄重點(diǎn)和難點(diǎn)。

3.思考提出的問題。

4.記錄課后作業(yè)。

5.表達(dá)繼續(xù)學(xué)習(xí)的愿望。

6.自我評(píng)價(jià)。幫助學(xué)生梳理知識(shí)脈絡(luò)，強(qiáng)化記憶，激發(fā)進(jìn)一步學(xué)習(xí)的動(dòng)力。多媒體課件。課后布置作業(yè)1.完成課后練習(xí)題。

2.撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

3.探索更多實(shí)際應(yīng)用案例。

4.提交作業(yè)。

5.參與線上討論。

6.總結(jié)學(xué)習(xí)心得。1.認(rèn)真完成作業(yè)。

2.撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

3.查閱資料。

4.按時(shí)提交。

5.積極參與討論。

6.總結(jié)心得。通過課后作業(yè)鞏固所學(xué)知識(shí)，拓展視野，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力。在線作業(yè)系統(tǒng)、論壇討論區(qū)。板書設(shè)計(jì)一、CNN適合圖像處理

1.過濾無關(guān)背景信息

2.局部感知特性

3.權(quán)重共享特性

二、卷積操作

1.特征提取卷積的主要功能是在一個(gè)圖像（或特征圖）上滑動(dòng)一個(gè)卷積核，通過卷積操作得到一組新的特征圖（見圖4.19）。圖4.19卷積操作如圖4.19所示，圖像大小為3×3，卷積核大小為2×2，當(dāng)卷積核滑動(dòng)到左上角時(shí)，圖像核卷積核對(duì)應(yīng)元素相乘再相加，即0×1+1×2+2×4+3×5=25，得到特征圖的左上角的值為25，特征圖的其他值，同理獲得。

2.卷積操作特征可以發(fā)現(xiàn)，使用卷積操作有以下三個(gè)特性：1)在卷積層（假設(shè)是第l層）中的每一個(gè)神經(jīng)元都只和前一層（第l.1層）中某個(gè)局部窗口內(nèi)的神經(jīng)元相連，構(gòu)成一個(gè)局部連接網(wǎng)絡(luò)，這也就是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的局部感知特性。2)由于卷積的主要功能是在一個(gè)圖像（或特征圖）上滑動(dòng)一個(gè)卷積核，這一特性稱為卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重共享特性。3)卷積運(yùn)算的主要作用是抽取特征，不同的卷積核能夠提取不同的特征，同一幅圖像作用不同的卷積核能夠提取不同的特征，如圖4.20所示。圖4.20多卷積核操作

三、池化操作

池化的原理，就是放縮不變性（見圖4.21）。池化操作也稱為下采樣（Subsampling），其作用是過濾冗余特征，減少訓(xùn)練參數(shù)。圖4.21放縮不變性池化操作比較簡(jiǎn)單，進(jìn)一步縮小特征圖。池化就是區(qū)域移動(dòng)劃分過程，區(qū)域不可以相交，運(yùn)算比較簡(jiǎn)單，就是取匹配區(qū)域最大值或平均值等，相應(yīng)的池化稱為最大池化或平均池化，如圖4.22所示。圖4.22池化操作四、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是卷積層與池化層交替進(jìn)行若干次，然后把特征圖flatten變成向量，最后接入全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，再接入softmax層（見圖4.23），神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出個(gè)數(shù)等于類別數(shù)（概率值）。softmax層實(shí)際是歸一化操作，把最大概率對(duì)應(yīng)的值作為分類結(jié)果。圖4.23卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)評(píng)價(jià)1.教學(xué)內(nèi)容選取符合學(xué)生的認(rèn)知水平，涵蓋了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理及其實(shí)現(xiàn)步驟。

2.教學(xué)目標(biāo)明確，多數(shù)學(xué)生能夠掌握卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理，并能初步進(jìn)行黑白邊界檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

3.教學(xué)策略得當(dāng)，通過案例分析和實(shí)踐操作激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)了其積極思考。

4.教學(xué)手段多樣，多媒體課件、圖示動(dòng)畫和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)合使用有助于突破教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)。教學(xué)反思教學(xué)創(chuàng)新1.將理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)