《人工智能初体验》教学设计

    许佳洁

    ● 教材分析

    本课借助生活中的应用引导学生了解人工智能,通过完善“猜拳游戏”和编写脚本识别口罩佩戴情况,让学生体验人工智能模块,感知机器学习的完整过程。

    ● 学情分析

    本节课的教学对象是四年级学生,刚开始学习慧编程软件,学生编程能力有差距,所以在编写“识别口罩佩戴”的脚本时,放宽要求,使用基本积木块即可。

    ● 教学目标

    知识与技能目标:①初步了解人工智能的概念,知道人工智能在生活中的常见应用;②初步了解机器学习的特点,能完善“机器学习”的“训练模型”;③初步体验慧编程软件中的人工智能模块,能实现基本的人机交互。

    过程与方法目标:①通过观看视频、操作实践,了解人工智能的概念;②通过完善“猜拳游戏”人机对战,体会机器学习的检验;③通过编写程序实现“识别口罩佩戴”,感知机器学习的应用;④通过自主探究与团队合作,提升发现问题、分析问题和解决问题的能力。

    情感态度与价值观目标:①培养信息意识,提升计算思维能力;②感受科技对生活带来的改变,激发爱科学、学科学、用科学的热情。

    行为与创新目标:鼓励学生多思考多表达,激发其学习和探究的兴趣,引导其创想未来世界,尝试用智慧改变生活。

    ● 教学重难点

    重点:了解人工智能的概念,感受生活中的人工智能,体验机器学习的过程。

    难点:在慧编程中创建较准确的机器学习训练模型,实现人机交互的应用。

    ● 教学过程

    1.了解人工智能

    (1)智能语音助手“小爱同学”

    師:同学们,你们了解人工智能吗?看看这个词——人工智能,是不是很容易联想到科幻电影里的机器人?它有人的外表,能交流思考,而且很强大,能做很多人类无法轻松实现的事。这节课我们就要来体验人工智能。大家看这些是什么?(出示课件)

    生:闹钟、计算器、开关、导航、音箱。

    师:你们看到的这些生活物品,都可以进化成人工智能产品,甚至把这些功能都集合到一个产品上(播放《小爱同学宣传片》),看完这个视频,你的感受是什么?

    生:“小爱同学”很能干……

    师:这么厉害的“小爱同学”就是一款人工智能软件。老师的手机里也有“小爱同学”,你能学着视频里那样,对它发出指令吗?

    生1:小爱同学,今天天气怎样?

    生2:小爱同学,863×2032+1234×432=?

    ……

    师:这不就是生活中计算器的功能吗?小爱同学还是个翻译家呢,真是功能强大的人工智能生活助手呀。

    设计意图:从生活中学生熟悉的物品引入新知,能让学生容易了解这些物品的功能。从看视频了解“小爱同学”,到亲自体验对话,学生的积极性被调动起来,同时拉近了学生与新知的距离,为学生初步了解“人工智能”打好基础。

    (2)生活中的人工智能应用

    师:如今,人工智能产品已经渗透到了日常生活的方方面面,如扫地机器人、天猫精灵、智能门锁、智能马桶、智能手环、无人驾驶。让机器会思考、能感知、懂判断,模拟人的智能行为,人工智能就是这样一门用于模拟、延伸和扩展人的智能的科学技术。接下来我们将进一步体验人工智能。

    设计意图:从人工智能软件系统到实物产品,仍然立足于学生能接触到的生活物品,但从不同的方面,让学生感知人工智能的应用,增加学生的参与度,激发学习和探究兴趣。小结时,以文字形式出示“人工智能”的概念,建立表象,强化基础认知。

    2.了解机器学习

    (1)完善“猜拳游戏”

    师:在学习前,先来玩个游戏——“石头剪刀布”(师生对战)。这样的人人对战大家玩得比较多,那你有没有和机器玩过猜拳游戏呢?想不想试试?先在慧编程中打开“猜拳游戏”,在积木区找到“机器学习”,点击“打开识别窗口”,手对着摄像头做出石头、剪刀、布的动作,看窗口的下面,计算机会识别出我的手势。接着按下空格键,计算机随机出拳。最后,计算机将识别到的手势结果与计算机中随机出拳的结果相比较,判定胜负,宣布结果。谁勇于挑战机器?(一位学生上台,人机对战,当学生出“布”时,计算机的判断结果出错)咦,怎么了?仔细观察,你有什么发现?

    生:出“布”的时候,计算机的识别不正确。计算机认识“石头”和“剪刀”,但是不认识“布”,一出“布”,就有错误。

    师:真棒,你们都有一双善于发现的眼睛。要想解决这个问题,我们就要教计算机认识“布”。在“机器学习”中,有个“训练模型”,点开后有三个分类,分别是“石头”“剪刀”和“布”。当我们对着摄像头做出相应的手势,点这个分类的“学习”时,计算机就会把我们的手势记录为该分类下的样本。人出拳时,计算机会将人的手势动作与模型中三个分类进行匹配,判断的结果为匹配程度最高的动作。现在是识别不出“布”,那我重置“布”的样本,清空后重新学习。现在出“布”,看右边的识别结果,对了吗?然后点“使用模型”就可以了,再来挑战一次。(之前的学生再次对战后,另外请一位学生体验)

    嗯,计算机对不同的手做的手势也都能识别出来,有更大进步了。像这样,从训练模型到检验再到应用的整个过程就是“机器学习”,机器通过这样的“学习”,具备像人一样的智能。那你们觉得要怎样才能提高计算机的识别准确度?

    生1:换不同的手作为样本。

    生2:做好手势,调整不同的角度进行学习。

    ……

    师:大家都很善于思考,计算机像我们人一样,学得越多越聪明,学得越多识别能力也就越强。好,抓紧训练你的计算机吧。(学生完善“猜拳游戏”,展示作品)你是第一个完成的,有什么好的经验技巧分享呢?还有什么想提醒其他同学注意的吗?(生:要换不同的手,不同的角度学习样本)

    设计意图:从人与人对战的游戏,到人与机器对战,不断保持学生的学习主动性。实际体验后,引导学生发现问题,并试着分析问题、解决问题,培养信息意识,提升思维能力。四年级学生刚接触慧编程软件,所以细致讲解操作步骤,降低软件使用方面的难度,重在通过游戏案例,了解机器是怎样学习的。

    (2)设计“识别口罩佩戴”的程序

    师:同学们,“机器学习”就是人工智能的核心,除了这样的游戏应用,它更能植入我们的生活,让我们的生命得到保障。目前,我国仍处于疫情防控战时状态,虽然我们这是低风险区,校园内可以不戴口罩,但自我保护不可松懈。有些同学在上学途中才发现忘戴口罩,你能不能通过人工智能,设计一个“识别口罩佩戴”的程序,提醒同学们出门时戴好口罩呢?想一想,“识别口罩佩戴”和我们刚才的“猜拳游戏”,有没有相通的地方?(引导学生说出“戴口罩”“未戴口罩”和“口罩佩戴不规范”三种情况)

    生:“猜拳游戏”是识别“石头”“剪刀”“布”的手势,“识别口罩佩戴”就是换三种分类进行识别。

    师:解读非常到位,为他点赞。同学们,我们已经分析了要让计算机识别这三种情况,通过“机器学习”就可以完成样本学习,那到底该怎么让计算机听我们的话,根据口罩佩戴情況发出提醒呢?

    生:编写程序。

    师:对,要实现与计算机的沟通,编程必不可少。之前的程序是老师给大家的,现在要你们自己编写了,有没有信心?(生:有)现在请大家自学教材,新建文件,添加“机器学习”和“人工智能”扩展模块,并且使用其中的“语音交互”,结合“如果……那么……”积木块,完成程序编写。特别提醒大家,想一想怎样可以提高识别结果的准确率。

    学生操作,教师巡回。学生作品展示。

    师:在整个过程中,你们有什么困惑吗?谁能帮助解惑答疑?(学生回答)同学们,刚才咱们完善了“猜拳游戏”,编写了“识别口罩佩戴”的程序,体验了人工智能的一些应用。那你们觉得,在校园里,还有哪些地方或者物品可以应用人工智能技术,给校园生活带来便利的吗?

    生1:进校门智能测温。

    生2:教室的环境卫生、空气质量智能检测。

    ……

    设计意图:从“猜拳游戏”的模型训练,联想到“识别口罩佩戴”的相关情况,对比学习,学生轻松实现知识的迁移和应用。此时再加入编程教学,强调编程的重要性,为今后的学习铺垫。学生自学教材,初步体验“人工智能”模块,合作学习完成程序编写,促进学生自主探究和合作能力的提升。

    3.畅想人工智能时代

    师:随着人工智能应用的领域越来越多,更多的人可以从繁重的劳动中解放出来。如果你是科学家,想设计什么来优化我们的生活?(学生回答)大家的想法都很有创意。大家现在努力学习知识,将来一定能用自己的智慧创造生活,改变生活!

    设计意图:从生活中的物品引入,最后回归到生活中的应用,立足于真实情境,学生尝试运用所学解决实际问题,从课堂走向生活,实现了知识的拓展、思考的延伸和能力的提高。从校园内的应用到校园外的应用,鼓励学生畅想和表达,感受科技发展带来的改变,激发学生继续学习探究的热情。

    ● 教学反思

    本课从观看视频、操作体验智能语音助手开始,经过完善游戏、编写程序的实践,再到畅想未来生活,让学生对“人工智能”的概念有所了解,并准确掌握了“机器学习”中样本多样化的特点,感知了相关功能模块,并能运用它来解决生活实际问题,整体完成度高。

    不足之处:第一,本课教学伊始,预设用“你了解人工智能吗?”这个提问引发学生联想,鼓励学生大胆说出自己的认知,但在实际授课时,这个问题太抽象,范围大,学生无从答起。如果调换一下顺序,在体验了解了人工智能软件系统和生活应用后,让学生说说自己理解的人工智能,应该能激发学生的思考、听到学生的见解。第二,在教学“机器学习”时,学生先是体验“猜拳游戏”发现问题,在教师的指导下了解“模型训练”并解决问题。此时,课件出示“机器学习”的完整过程,即“训练”“检验”和“应用”,直观呈现,让学生强化认知。学生印象最深的是“训练”,对“检验”和“应用”却联系不起来,如果依次讲解,体验到哪一环节,就具体说明,这样指向明确,学生对“机器学习”过程就能了解得更清楚。第三,第二环节“识别口罩佩戴”程序完成后的小结,可以与前面的内容呼应并拓展,这样能促使学生对人工智能的应用有进一步的感知和思考。

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