《走進(jìn)人工智能》教學(xué)設(shè)計(jì)

湯瑩 陳慧 任靜 曹恒來(lái)

● 學(xué)習(xí)內(nèi)容分析

人工智能是一種機(jī)器模擬人類智慧能力的技術(shù)，機(jī)器學(xué)習(xí)是實(shí)現(xiàn)人工智能的重要途徑，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)，從數(shù)據(jù)中獲得知識(shí)，進(jìn)而獲得對(duì)事物進(jìn)行預(yù)測(cè)和判斷的能力。機(jī)器學(xué)習(xí)的方法有很多種，目前最常用的方法是監(jiān)督學(xué)習(xí)，監(jiān)督學(xué)習(xí)是指在有標(biāo)記的樣本上建立機(jī)器學(xué)習(xí)的模型。本課從監(jiān)督學(xué)習(xí)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(shí)別程序，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人工智能應(yīng)用，帶領(lǐng)學(xué)生走進(jìn)人工智能，感受人工智能技術(shù)對(duì)社會(huì)生活的影響。

● 學(xué)習(xí)者分析

本課的學(xué)習(xí)者是八年級(jí)學(xué)生，他們樂(lè)于接受新技術(shù)，愛(ài)動(dòng)手，樂(lè)創(chuàng)造，對(duì)稍具難度的知識(shí)保持著較強(qiáng)的好奇心。他們具有獨(dú)立的意識(shí)和傾向，上課時(shí)不喜歡教師過(guò)多地講授，希望有獨(dú)立思考和探索的時(shí)間。大部分學(xué)生在日常生活中接觸過(guò)人工智能技術(shù)的應(yīng)用，如指紋識(shí)別、人臉識(shí)別等，對(duì)人工智能技術(shù)與應(yīng)用抱有很大熱情，但是對(duì)人工智能的了解更多停留于日常生活中的所見(jiàn)所聞，對(duì)人工智能的原理及人工智能的實(shí)現(xiàn)方法知之甚少，而且編程能力有限，解決問(wèn)題的能力較弱。

● 學(xué)習(xí)目標(biāo)

①知道人工智能是機(jī)器模擬人類智慧的技術(shù)。②理解機(jī)器學(xué)習(xí)是實(shí)現(xiàn)人工智能的重要途徑，了解機(jī)器學(xué)習(xí)的過(guò)程。③掌握監(jiān)督學(xué)習(xí)的基本工作原理，了解數(shù)據(jù)量對(duì)識(shí)別度的影響。④運(yùn)用圖形化編程軟件編寫水果識(shí)別程序。

● 教學(xué)過(guò)程

1.認(rèn)知：機(jī)器有何智能

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

小結(jié)：人工智能是一種機(jī)器模擬人類智慧能力的技術(shù)。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生對(duì)人工智能的認(rèn)知還是停留于日常生活中的所見(jiàn)所聞，對(duì)人工智能的了解也是有限的。通過(guò)觀看視頻，總結(jié)出不管哪種人工智能應(yīng)用，它們都有一個(gè)共同特點(diǎn)——能模仿人的某種行為，能聽、能看、能說(shuō)話、會(huì)思考，將學(xué)生自然地帶入課堂，使其明白人工智能就是通過(guò)機(jī)器來(lái)模擬人類智慧能力的技術(shù)。

2.理解：機(jī)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(shí)際上，AI在擁有“先知者”等身份之前，還有一個(gè)身份叫“學(xué)生”，人類讓機(jī)器通過(guò)“學(xué)習(xí)”獲得“智能”，使得機(jī)器能夠像人類一樣具有“看”“聽”“說(shuō)”“想”和“動(dòng)”的能力，從而實(shí)現(xiàn)模擬、延伸和擴(kuò)展人類智能。

活動(dòng)1：對(duì)比人類的學(xué)習(xí)過(guò)程，理解機(jī)器如何學(xué)習(xí)。

（1）教師手里拿的是什么水果？人類怎么判斷這是蘋果？我們?cè)趦和瘯r(shí)期又是如何認(rèn)識(shí)蘋果的？

（2）分析圖1，將序號(hào)①～④按照人類學(xué)習(xí)的過(guò)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(rèn)識(shí);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(xué)會(huì)了什么是蘋果。

（3）觀察圖2，對(duì)比人類學(xué)習(xí)，思考機(jī)器學(xué)習(xí)的過(guò)程是怎樣的（如圖3）。

小結(jié)：機(jī)器學(xué)習(xí)是建立在數(shù)據(jù)建模基礎(chǔ)上的，通常是從大量已知數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)其中蘊(yùn)含的規(guī)律或判斷規(guī)則，并把學(xué)習(xí)到的規(guī)則應(yīng)用到預(yù)測(cè)未知數(shù)據(jù)的過(guò)程。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)，計(jì)算機(jī)就能模擬人類的學(xué)習(xí)活動(dòng)，從數(shù)據(jù)中獲得知識(shí)，并能對(duì)事物進(jìn)行預(yù)測(cè)和判斷。

設(shè)計(jì)意圖：目前，學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備還不足以理解人工智能技術(shù)的細(xì)節(jié)。從兒童認(rèn)識(shí)蘋果的過(guò)程出發(fā)，以漫畫和流程圖的形式展示人類學(xué)習(xí)的過(guò)程，將機(jī)器學(xué)習(xí)的過(guò)程與人類學(xué)習(xí)的過(guò)程進(jìn)行類比，得出機(jī)器學(xué)習(xí)的過(guò)程是“準(zhǔn)備數(shù)據(jù)、提取特征、訓(xùn)練模型、應(yīng)用模型”四個(gè)基本步驟，從而幫助學(xué)生深刻理解機(jī)器學(xué)習(xí)的本質(zhì)。

3.實(shí)踐：實(shí)現(xiàn)機(jī)器智能

師：機(jī)器學(xué)習(xí)的方法有很多種，當(dāng)下最常用的方法是監(jiān)督學(xué)習(xí)。今天我們借助監(jiān)督學(xué)習(xí)中的K-近鄰算法（KNN），在圖形化編程軟件Kittenblock中實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的水果識(shí)別程序。

活動(dòng)2：搭建積木，訓(xùn)練水果識(shí)別模型。

（1）教師演示如何搭建“蘋果”識(shí)別積木塊。

（2）學(xué)生配對(duì)合作，模仿搭建“蘋果”識(shí)別積木塊。

（3）自主搭建“橙子”識(shí)別積木塊（如圖4），完善水果識(shí)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(xùn)練模型。

小結(jié)：模型訓(xùn)練階段需要給計(jì)算機(jī)輸入圖片，計(jì)算機(jī)提取圖片的特征進(jìn)行訓(xùn)練，最終得到特征模型。在機(jī)器“訓(xùn)練”的過(guò)程中，使用的是帶人工標(biāo)記的數(shù)據(jù)。

活動(dòng)3：測(cè)試模型，提高模型識(shí)別度。

（1）擺放水果，執(zhí)行主程序測(cè)試模型，觀察識(shí)別度。

（2）討論：只訓(xùn)練兩次的模型識(shí)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(xùn)練模型，增加訓(xùn)練次數(shù)。

（4）小組間交換水果測(cè)試模型，觀察識(shí)別度。

小結(jié)：為計(jì)算機(jī)提供有標(biāo)記的數(shù)據(jù)，促使計(jì)算機(jī)向一個(gè)特定方向?qū)W習(xí)，這樣的學(xué)習(xí)方式稱為監(jiān)督學(xué)習(xí)。數(shù)據(jù)越全面，機(jī)器做出的預(yù)測(cè)與真實(shí)情況越接近，準(zhǔn)確率就越高。

設(shè)計(jì)意圖：對(duì)初中生而言，體驗(yàn)感悟是學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，除此之外還需要引導(dǎo)學(xué)生思考其背后的過(guò)程與方法。藉由仿效制作一個(gè)“會(huì)學(xué)習(xí)”的程序，學(xué)生經(jīng)歷采集數(shù)據(jù)、標(biāo)記數(shù)據(jù)、訓(xùn)練模型、測(cè)試模型的過(guò)程，能加深對(duì)監(jiān)督學(xué)習(xí)的認(rèn)識(shí)，鍛煉解決問(wèn)題的能力。采取兩個(gè)人使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)完成任務(wù)的配對(duì)編程學(xué)習(xí)方式，不僅能提高學(xué)生的編程質(zhì)量，還能進(jìn)一步提高學(xué)生溝通交流和協(xié)作學(xué)習(xí)的能力。

4.拓展：人工智能應(yīng)用

師：由于我們沒(méi)有辦法在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)訓(xùn)練，水果識(shí)別程序無(wú)法識(shí)別其他水果。這時(shí)，可以通過(guò)第三方平臺(tái)的應(yīng)用程序接口服務(wù)（API），直接調(diào)用已經(jīng)訓(xùn)練好的模型，實(shí)現(xiàn)“識(shí)萬(wàn)物”的功能。我們一起來(lái)看看用這種方法搭建的程序，是不是真的能“識(shí)萬(wàn)物”。

活動(dòng)4：調(diào)用百度API，完善程序體驗(yàn)“百度識(shí)萬(wàn)物”。

（1）教師演示“百度識(shí)萬(wàn)物.sb3”的識(shí)物能力。

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

（3）說(shuō)一說(shuō)體驗(yàn)效果。

小結(jié)：Kittenblock軟件中的“別-類別”積木塊封裝了百度圖像識(shí)別API服務(wù)，此服務(wù)可以精準(zhǔn)識(shí)別超過(guò)十萬(wàn)種物體和場(chǎng)景，包含多項(xiàng)高精度的識(shí)圖能力?！鞍俣茸R(shí)萬(wàn)物”程序通過(guò)調(diào)用模型服務(wù)，傳入圖像，返回指定模型的識(shí)別結(jié)果。

活動(dòng)5：觀看視頻“智能世界2030”，感受未來(lái)社會(huì)的智能化。

（1）人工智能已廣泛應(yīng)用到哪些領(lǐng)域？

（2）人工智能為人類社會(huì)帶來(lái)什么樣的變化？

小結(jié)：今天，人工智能已進(jìn)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(wù)與管理人類社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，各種各樣不斷更新?lián)Q代的智能機(jī)器和智能系統(tǒng)將成為人類認(rèn)知自然和社會(huì)、走向智慧生活的重要伙伴，人類將步入全新的智慧社會(huì)時(shí)代。

設(shè)計(jì)意圖：先以“百度識(shí)萬(wàn)物”程序激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，感受AI應(yīng)用帶來(lái)的便利;再由學(xué)生填寫百度API Key和Secret完善程序，運(yùn)行程序識(shí)別物體，體驗(yàn)人工智能的應(yīng)用。通過(guò)觀看“智能世界2030”視頻，展望未來(lái)，客觀地認(rèn)識(shí)人工智能技術(shù)對(duì)未來(lái)社會(huì)生活的影響，體會(huì)人工智能對(duì)人類社會(huì)發(fā)展的積極意義。

5.總結(jié)：提升學(xué)科素養(yǎng)

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

人工智能越來(lái)越擅長(zhǎng)做預(yù)測(cè)。它通過(guò)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(guān)系和特點(diǎn)，總結(jié)出預(yù)測(cè)事件的規(guī)律，之后用這些“經(jīng)驗(yàn)”預(yù)測(cè)相關(guān)事件。

未來(lái)，將是人機(jī)共生的智能時(shí)代！親愛(ài)的同學(xué)們，你們準(zhǔn)備好了嗎？

設(shè)計(jì)意圖：人類智慧的形成離不開學(xué)習(xí)，人工智能的獲得也同樣離不開學(xué)習(xí)?？陀^地認(rèn)識(shí)人工智能技術(shù)對(duì)社會(huì)生活的影響，增強(qiáng)探究新技術(shù)、新知識(shí)的積極性。

● 教學(xué)反思

本節(jié)課先從兒童認(rèn)識(shí)蘋果的過(guò)程出發(fā)，以父母指著蘋果告訴孩子“這是蘋果”類比機(jī)器學(xué)習(xí)中的數(shù)據(jù)標(biāo)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(jī)器學(xué)習(xí)中的提取特征;在反復(fù)學(xué)習(xí)多次之后，孩子看到蘋果就能認(rèn)識(shí)，以此來(lái)類比機(jī)器學(xué)習(xí)中的模型訓(xùn)練。以人類學(xué)習(xí)的過(guò)程來(lái)類比機(jī)器學(xué)習(xí)的過(guò)程，使得學(xué)生能較好地理解人工智能產(chǎn)品背后的基本原理。

在實(shí)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(shí)別程序，讓學(xué)生經(jīng)歷采集數(shù)據(jù)、標(biāo)記數(shù)據(jù)、訓(xùn)練模型、測(cè)試模型的過(guò)程。這一方面讓學(xué)生在體驗(yàn)中進(jìn)一步理解人工智能的原理;另一方面通過(guò)簡(jiǎn)單人工智能產(chǎn)品的制作，讓學(xué)生感受到人工智能課程的好玩及可玩，發(fā)展學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維解決問(wèn)題的能力。

點(diǎn)評(píng)

作為引領(lǐng)未來(lái)的戰(zhàn)略性的新興技術(shù)，人工智能正在深刻影響著社會(huì)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(guó)務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確指出我國(guó)應(yīng)實(shí)施全民智能教育項(xiàng)目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程。2018年4月，教育部印發(fā)《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》，強(qiáng)調(diào)要完善課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)，充實(shí)適應(yīng)信息時(shí)代、智能時(shí)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(luò)安全工作要點(diǎn)》，進(jìn)一步指出要推動(dòng)在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程。

在國(guó)家政策的推動(dòng)下，人工智能教育在我國(guó)發(fā)展迅速。但是，在實(shí)施過(guò)程中也存在著兩方面的問(wèn)題：一是學(xué)習(xí)內(nèi)容過(guò)深，一些中小學(xué)人工智能教材將大量的抽象模型和理論知識(shí)直接呈現(xiàn)給學(xué)生，大大超過(guò)了中小學(xué)生的認(rèn)知水平，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)課程產(chǎn)生畏難情緒，失去學(xué)習(xí)的興趣;二是停留于體驗(yàn)學(xué)習(xí)水平，一些公司開發(fā)的人工智能學(xué)習(xí)平臺(tái)，仍然只是進(jìn)行簡(jiǎn)單的積木搭建活動(dòng)，雖然能夠引發(fā)學(xué)生的關(guān)注，卻難以觸及人工智能領(lǐng)域的重要知識(shí)和基本思想。

為克服以上問(wèn)題，本課以制作水果識(shí)別程序?yàn)檩d體，帶領(lǐng)學(xué)生在利用軟硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單人工智能應(yīng)用的同時(shí)，初步理解人工智能的基礎(chǔ)知識(shí)和基本思想。首先通過(guò)I Am AI視頻中機(jī)器的身份——私人助理、守護(hù)者、導(dǎo)航者、畫家，從應(yīng)用的角度出發(fā)，幫助學(xué)生歸納出可以理解的人工智能的概念——人工智能是一種機(jī)器模擬人類智慧能力的技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，緊密聯(lián)系學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)，以人類學(xué)習(xí)的過(guò)程類比機(jī)器學(xué)習(xí)的過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生“思”考機(jī)器如何智能，得出機(jī)器學(xué)習(xí)的過(guò)程包括“準(zhǔn)備數(shù)據(jù)、提取特征、訓(xùn)練模型、應(yīng)用模型”四個(gè)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(guò)專業(yè)的人工智能開發(fā)平臺(tái)訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)的模型，但耗時(shí)較久，而且整個(gè)操作過(guò)程非常依賴網(wǎng)絡(luò)。以百度EasyDL為例，從數(shù)據(jù)上傳、數(shù)據(jù)標(biāo)注、訓(xùn)練模型到效果評(píng)估，即使十多張圖片，也需要20多分鐘，難以在中小學(xué)人工智能教學(xué)中進(jìn)行有效應(yīng)用。為此，本課使用ML5插件訓(xùn)練水果識(shí)別模型，在保持較快響應(yīng)速度的前提下，即使訓(xùn)練的數(shù)據(jù)量比較小，依然能保證識(shí)別效果，使學(xué)生可以在較短的時(shí)間內(nèi)體驗(yàn)從零開始的完整機(jī)器學(xué)習(xí)流程，從而能夠根據(jù)實(shí)際需要?jiǎng)?chuàng)建自己的人工智能模型，讓其在實(shí)現(xiàn)機(jī)器智能的過(guò)程中，真正把握技術(shù)的內(nèi)涵和本質(zhì)。

學(xué)生在使用圖形化編程軟件Kittenblock搭建水果識(shí)別程序時(shí)，采用配對(duì)編程的學(xué)習(xí)方式，一人作為程序員，負(fù)責(zé)搭建積木、操控程序，另一人為訓(xùn)練員，負(fù)責(zé)協(xié)助搭建、擺放物品，這樣既提高了腳本搭建的質(zhì)量，也有利于培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成合作解決問(wèn)題的意識(shí)和能力。