《走進人工智能》教學設計

湯瑩 陳慧 任靜 曹恒來

● 學習內(nèi)容分析

人工智能是一種機器模擬人類智慧能力的技術，機器學習是實現(xiàn)人工智能的重要途徑，通過機器學習，從數(shù)據(jù)中獲得知識，進而獲得對事物進行預測和判斷的能力。機器學習的方法有很多種，目前最常用的方法是監(jiān)督學習，監(jiān)督學習是指在有標記的樣本上建立機器學習的模型。本課從監(jiān)督學習入手，使用集成了BaiduAI和ML5模塊的圖形化編程工具Kittenblock，以積木搭建的方式編寫水果識別程序，實現(xiàn)簡單的人工智能應用，帶領學生走進人工智能，感受人工智能技術對社會生活的影響。

● 學習者分析

本課的學習者是八年級學生，他們樂于接受新技術，愛動手，樂創(chuàng)造，對稍具難度的知識保持著較強的好奇心。他們具有獨立的意識和傾向，上課時不喜歡教師過多地講授，希望有獨立思考和探索的時間。大部分學生在日常生活中接觸過人工智能技術的應用，如指紋識別、人臉識別等，對人工智能技術與應用抱有很大熱情，但是對人工智能的了解更多停留于日常生活中的所見所聞，對人工智能的原理及人工智能的實現(xiàn)方法知之甚少，而且編程能力有限，解決問題的能力較弱。

● 學習目標

①知道人工智能是機器模擬人類智慧的技術。②理解機器學習是實現(xiàn)人工智能的重要途徑，了解機器學習的過程。③掌握監(jiān)督學習的基本工作原理，了解數(shù)據(jù)量對識別度的影響。④運用圖形化編程軟件編寫水果識別程序。

● 教學過程

1.認知：機器有何智能

師：指紋識別、語音識別、自動駕駛……人工智能不再是不切實際的幻想，它正在慢慢成為現(xiàn)實，融入我們的日常生活。請大家觀看影片I Am AI，關注影片中人工智能身份的變化，并思考：①影片中的我是誰？是人還是機器？②她有哪些身份？③她模仿了人的哪些能力？

小結：人工智能是一種機器模擬人類智慧能力的技術。

設計意圖：學生對人工智能的認知還是停留于日常生活中的所見所聞，對人工智能的了解也是有限的。通過觀看視頻，總結出不管哪種人工智能應用，它們都有一個共同特點——能模仿人的某種行為，能聽、能看、能說話、會思考，將學生自然地帶入課堂，使其明白人工智能就是通過機器來模擬人類智慧能力的技術。

2.理解：機器如何智能

師：人工智能為什么可以擁有人類的智慧能力？實際上，AI在擁有“先知者”等身份之前，還有一個身份叫“學生”，人類讓機器通過“學習”獲得“智能”，使得機器能夠像人類一樣具有“看”“聽”“說”“想”和“動”的能力，從而實現(xiàn)模擬、延伸和擴展人類智能。

活動1：對比人類的學習過程，理解機器如何學習。

（1）教師手里拿的是什么水果？人類怎么判斷這是蘋果？我們在兒童時期又是如何認識蘋果的？

（2）分析圖1，將序號①～④按照人類學習的過程按步驟排序。

①孩子大腦建立蘋果的初始特征;②看到蘋果就認識;③父母指著蘋果告訴孩子“這是蘋果”;④隨著次數(shù)的增加，孩子學會了什么是蘋果。

（3）觀察圖2，對比人類學習，思考機器學習的過程是怎樣的（如圖3）。

小結：機器學習是建立在數(shù)據(jù)建?；A上的，通常是從大量已知數(shù)據(jù)中學習其中蘊含的規(guī)律或判斷規(guī)則，并把學習到的規(guī)則應用到預測未知數(shù)據(jù)的過程。通過機器學習，計算機就能模擬人類的學習活動，從數(shù)據(jù)中獲得知識，并能對事物進行預測和判斷。

設計意圖：目前，學生的知識儲備還不足以理解人工智能技術的細節(jié)。從兒童認識蘋果的過程出發(fā)，以漫畫和流程圖的形式展示人類學習的過程，將機器學習的過程與人類學習的過程進行類比，得出機器學習的過程是“準備數(shù)據(jù)、提取特征、訓練模型、應用模型”四個基本步驟，從而幫助學生深刻理解機器學習的本質。

3.實踐：實現(xiàn)機器智能

師：機器學習的方法有很多種，當下最常用的方法是監(jiān)督學習。今天我們借助監(jiān)督學習中的K-近鄰算法（KNN），在圖形化編程軟件Kittenblock中實現(xiàn)一個簡單的水果識別程序。

活動2：搭建積木，訓練水果識別模型。

（1）教師演示如何搭建“蘋果”識別積木塊。

（2）學生配對合作，模仿搭建“蘋果”識別積木塊。

（3）自主搭建“橙子”識別積木塊（如圖4），完善水果識別模型。

（4）初始化“特征提取器”，擺放水果，分別提取圖像兩次，訓練模型。

小結：模型訓練階段需要給計算機輸入圖片，計算機提取圖片的特征進行訓練，最終得到特征模型。在機器“訓練”的過程中，使用的是帶人工標記的數(shù)據(jù)。

活動3：測試模型，提高模型識別度。

（1）擺放水果，執(zhí)行主程序測試模型，觀察識別度。

（2）討論：只訓練兩次的模型識別度如何？怎樣優(yōu)化？

（3）選用不同的水果或以不同的角度擺放水果，再次訓練模型，增加訓練次數(shù)。

（4）小組間交換水果測試模型，觀察識別度。

小結：為計算機提供有標記的數(shù)據(jù)，促使計算機向一個特定方向學習，這樣的學習方式稱為監(jiān)督學習。數(shù)據(jù)越全面，機器做出的預測與真實情況越接近，準確率就越高。

設計意圖：對初中生而言，體驗感悟是學習的基礎，除此之外還需要引導學生思考其背后的過程與方法。藉由仿效制作一個“會學習”的程序，學生經(jīng)歷采集數(shù)據(jù)、標記數(shù)據(jù)、訓練模型、測試模型的過程，能加深對監(jiān)督學習的認識，鍛煉解決問題的能力。采取兩個人使用一臺計算機完成任務的配對編程學習方式，不僅能提高學生的編程質量，還能進一步提高學生溝通交流和協(xié)作學習的能力。

4.拓展：人工智能應用

師：由于我們沒有辦法在短時間內(nèi)進行大量的數(shù)據(jù)訓練，水果識別程序無法識別其他水果。這時，可以通過第三方平臺的應用程序接口服務（API），直接調用已經(jīng)訓練好的模型，實現(xiàn)“識萬物”的功能。我們一起來看看用這種方法搭建的程序，是不是真的能“識萬物”。

活動4：調用百度API，完善程序體驗“百度識萬物”。

（1）教師演示“百度識萬物.sb3”的識物能力。

（2）將百度API Key和Secret填入積木塊，運行程序識別物體（如圖5）。

（3）說一說體驗效果。

小結：Kittenblock軟件中的“別-類別”積木塊封裝了百度圖像識別API服務，此服務可以精準識別超過十萬種物體和場景，包含多項高精度的識圖能力。“百度識萬物”程序通過調用模型服務，傳入圖像，返回指定模型的識別結果。

活動5：觀看視頻“智能世界2030”，感受未來社會的智能化。

（1）人工智能已廣泛應用到哪些領域？

（2）人工智能為人類社會帶來什么樣的變化？

小結：今天，人工智能已進入使用與普及階段，全方位地在腦力和體力上解放人類，服務與管理人類社會的各個領域。在不遠的將來，各種各樣不斷更新?lián)Q代的智能機器和智能系統(tǒng)將成為人類認知自然和社會、走向智慧生活的重要伙伴，人類將步入全新的智慧社會時代。

設計意圖：先以“百度識萬物”程序激發(fā)學生的學習興趣，感受AI應用帶來的便利;再由學生填寫百度API Key和Secret完善程序，運行程序識別物體，體驗人工智能的應用。通過觀看“智能世界2030”視頻，展望未來，客觀地認識人工智能技術對未來社會生活的影響，體會人工智能對人類社會發(fā)展的積極意義。

5.總結：提升學科素養(yǎng)

人類的聰明之處就在于可以通過既有的認知觸類旁通地推理出未知的問題。這種通過思考，歸納經(jīng)驗，得出一定的規(guī)律，尋找解決問題路徑的做法，無疑是人類智慧的體現(xiàn)。

人工智能越來越擅長做預測。它通過收集大量的歷史數(shù)據(jù)，利用算法處理數(shù)據(jù)，從中找出數(shù)據(jù)之間的關系和特點，總結出預測事件的規(guī)律，之后用這些“經(jīng)驗”預測相關事件。

未來，將是人機共生的智能時代！親愛的同學們，你們準備好了嗎？

設計意圖：人類智慧的形成離不開學習，人工智能的獲得也同樣離不開學習?？陀^地認識人工智能技術對社會生活的影響，增強探究新技術、新知識的積極性。

● 教學反思

本節(jié)課先從兒童認識蘋果的過程出發(fā)，以父母指著蘋果告訴孩子“這是蘋果”類比機器學習中的數(shù)據(jù)標注;孩子從顏色、外形等方面在大腦中建立蘋果的初始特征類比機器學習中的提取特征;在反復學習多次之后，孩子看到蘋果就能認識，以此來類比機器學習中的模型訓練。以人類學習的過程來類比機器學習的過程，使得學生能較好地理解人工智能產(chǎn)品背后的基本原理。

在實踐環(huán)節(jié)，使用集成了BaiduAI模塊和ML5模塊的圖形化編程軟件Kittenblock，以搭建積木的方式編寫水果識別程序，讓學生經(jīng)歷采集數(shù)據(jù)、標記數(shù)據(jù)、訓練模型、測試模型的過程。這一方面讓學生在體驗中進一步理解人工智能的原理;另一方面通過簡單人工智能產(chǎn)品的制作，讓學生感受到人工智能課程的好玩及可玩，發(fā)展學生運用計算思維解決問題的能力。

點評

作為引領未來的戰(zhàn)略性的新興技術，人工智能正在深刻影響著社會的方方面面，也將深刻改變我們的生產(chǎn)生活方式。2017年7月，國務院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確指出我國應實施全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關課程。2018年4月，教育部印發(fā)《教育信息化2.0行動計劃》，強調要完善課程方案和課程標準，充實適應信息時代、智能時代發(fā)展需要的人工智能和編程課程內(nèi)容。2019年，教育部發(fā)布《2019年教育信息化和網(wǎng)絡安全工作要點》，進一步指出要推動在中小學階段設置人工智能相關課程。

在國家政策的推動下，人工智能教育在我國發(fā)展迅速。但是，在實施過程中也存在著兩方面的問題：一是學習內(nèi)容過深，一些中小學人工智能教材將大量的抽象模型和理論知識直接呈現(xiàn)給學生，大大超過了中小學生的認知水平，導致學生對課程產(chǎn)生畏難情緒，失去學習的興趣;二是停留于體驗學習水平，一些公司開發(fā)的人工智能學習平臺，仍然只是進行簡單的積木搭建活動，雖然能夠引發(fā)學生的關注，卻難以觸及人工智能領域的重要知識和基本思想。

為克服以上問題，本課以制作水果識別程序為載體，帶領學生在利用軟硬件實現(xiàn)簡單人工智能應用的同時，初步理解人工智能的基礎知識和基本思想。首先通過I Am AI視頻中機器的身份——私人助理、守護者、導航者、畫家，從應用的角度出發(fā)，幫助學生歸納出可以理解的人工智能的概念——人工智能是一種機器模擬人類智慧能力的技術。在此基礎上，緊密聯(lián)系學生的生活經(jīng)驗，以人類學習的過程類比機器學習的過程，引導學生“思”考機器如何智能，得出機器學習的過程包括“準備數(shù)據(jù)、提取特征、訓練模型、應用模型”四個基本步驟，收到了化難為易、化抽象為具體的效果。雖然可以通過專業(yè)的人工智能開發(fā)平臺訓練機器學習的模型，但耗時較久，而且整個操作過程非常依賴網(wǎng)絡。以百度EasyDL為例，從數(shù)據(jù)上傳、數(shù)據(jù)標注、訓練模型到效果評估，即使十多張圖片，也需要20多分鐘，難以在中小學人工智能教學中進行有效應用。為此，本課使用ML5插件訓練水果識別模型，在保持較快響應速度的前提下，即使訓練的數(shù)據(jù)量比較小，依然能保證識別效果，使學生可以在較短的時間內(nèi)體驗從零開始的完整機器學習流程，從而能夠根據(jù)實際需要創(chuàng)建自己的人工智能模型，讓其在實現(xiàn)機器智能的過程中，真正把握技術的內(nèi)涵和本質。

學生在使用圖形化編程軟件Kittenblock搭建水果識別程序時，采用配對編程的學習方式，一人作為程序員，負責搭建積木、操控程序，另一人為訓練員，負責協(xié)助搭建、擺放物品，這樣既提高了腳本搭建的質量，也有利于培養(yǎng)學生養(yǎng)成合作解決問題的意識和能力。