湯瑩 陳慧 任靜 曹恒來

● 學(xué)習(xí)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(shù)，機器學(xué)習(xí)是實現(xiàn)人工智能的重要途徑，通過機器學(xué)習(xí)，從數(shù)據(jù)中獲得知識，進(jìn)而獲得對事物進(jìn)行預(yù)測和判斷的能力。機器學(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別程序，實現(xiàn)簡單的人工智能應(yīng)用，帶領(lǐng)學(xué)生走進(jìn)人工智能，感受人工智能技術(shù)對社會生活的影響。

● 學(xué)習(xí)者分析

本課的學(xué)習(xí)者是八年級學(xué)生，他們樂于接受新技術(shù)，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(xué)生在日常生活中接觸過人工智能技術(shù)的應(yīng)用，如指紋識別、人臉識別等，對人工智能技術(shù)與應(yīng)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(xué)習(xí)目標(biāo)

①知道人工智能是機器模擬人類智慧的技術(shù)。②理解機器學(xué)習(xí)是實現(xiàn)人工智能的重要途徑，了解機器學(xué)習(xí)的過程。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(xué)過程

1.認(rèn)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(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？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(jié)：人工智能是一種機器模擬人類智慧能力的技術(shù)。

設(shè)計意圖：學(xué)生對人工智能的認(rèn)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(jié)出不管哪種人工智能應(yīng)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(xué)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(shù)。

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(xué)生”，人類讓機器通過“學(xué)習(xí)”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(kuò)展人類智能。

活動1：對比人類的學(xué)習(xí)過程，理解機器如何學(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？我們在兒童時期又是如何認(rèn)識蘋果的？

（2）分析圖1，將序號①～④按照人類學(xué)習(xí)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(rèn)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(xué)會了什么是蘋果。

（3）觀察圖2，對比人類學(xué)習(xí)，思考機器學(xué)習(xí)的過程是怎樣的（如圖3）。

小結(jié)：機器學(xué)習(xí)是建立在數(shù)據(jù)建?；A(chǔ)上的，通常是從大量已知數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)其中蘊含的規(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)測未知數(shù)據(jù)的過程。通過機器學(xué)習(xí)，計算機就能模擬人類的學(xué)習(xí)活動，從數(shù)據(jù)中獲得知識，并能對事物進(jìn)行預(yù)測和判斷。

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

3.實踐：實現(xiàn)機器智能

師：機器學(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中實現(xiàn)一個簡單的水果識別程序。

活動2：搭建積木，訓(xùn)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(xué)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(xùn)練模型。

小結(jié)：模型訓(xùn)練階段需要給計算機輸入圖片，計算機提取圖片的特征進(jìn)行訓(xùn)練，最終得到特征模型。在機器“訓(xùn)練”的過程中，使用的是帶人工標(biāo)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(xùn)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(xùn)練模型，增加訓(xùn)練次數(shù)。

（4）小組間交換水果測試模型，觀察識別度。

小結(jié)：為計算機提供有標(biāo)記的數(shù)據(jù)，促使計算機向一個特定方向?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，機器做出的預(yù)測與真實情況越接近，準(zhǔn)確率就越高。

設(shè)計意圖：對初中生而言，體驗感悟是學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，除此之外還需要引導(dǎo)學(xué)生思考其背后的過程與方法。藉由仿效制作一個“會學(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、測試模型的過程，能加深對監(jiān)督學(xué)習(xí)的認(rèn)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(wù)的配對編程學(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：由于我們沒有辦法在短時間內(nèi)進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)訓(xùn)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(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(diào)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(jié)：Kittenblock軟件中的“別-類別”積木塊封裝了百度圖像識別API服務(wù)，此服務(wù)可以精準(zhǔn)識別超過十萬種物體和場景，包含多項高精度的識圖能力?！鞍俣茸R萬物”程序通過調(diào)用模型服務(wù)，傳入圖像，返回指定模型的識別結(jié)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(yīng)用到哪些領(lǐng)域？

（2）人工智能為人類社會帶來什么樣的變化？

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)與管理人類社會的各個領(lǐng)域。在不遠(yuǎn)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(rèn)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(shè)計意圖：先以“百度識萬物”程序激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，感受AI應(yīng)用帶來的便利;再由學(xué)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(yīng)用。通過觀看“智能世界2030”視頻，展望未來，客觀地認(rèn)識人工智能技術(shù)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(jié)：提升學(xué)科素養(yǎng)

人類的聰明之處就在于可以通過既有的認(rèn)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(yù)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(guān)系和特點，總結(jié)出預(yù)測事件的規(guī)律，之后用這些“經(jīng)驗”預(yù)測相關(guān)事件。

未來，將是人機共生的智能時代！親愛的同學(xué)們，你們準(zhǔn)備好了嗎？

設(shè)計意圖：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)識人工智能技術(shù)對社會生活的影響，增強探究新技術(shù)、新知識的積極性。

● 教學(xué)反思

本節(jié)課先從兒童認(rèn)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(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，以此來類比機器學(xué)習(xí)中的模型訓(xùn)練。以人類學(xué)習(xí)的過程來類比機器學(xué)習(xí)的過程，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(xué)生經(jīng)歷采集數(shù)據(jù)、標(biāo)記數(shù)據(jù)、訓(xùn)練模型、測試模型的過程。這一方面讓學(xué)生在體驗中進(jìn)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(xué)生感受到人工智能課程的好玩及可玩，發(fā)展學(xué)生運用計算思維解決問題的能力。

點評

作為引領(lǐng)未來的戰(zhàn)略性的新興技術(shù)，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(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確指出我國應(yīng)實施全民智能教育項目，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行動計劃》，強調(diào)要完善課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)，充實適應(yīng)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(luò)安全工作要點》，進(jìn)一步指出要推動在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)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(xué)習(xí)內(nèi)容過深，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直接呈現(xiàn)給學(xué)生，大大超過了中小學(xué)生的認(rèn)知水平，導(dǎo)致學(xué)生對課程產(chǎn)生畏難情緒，失去學(xué)習(xí)的興趣;二是停留于體驗學(xué)習(xí)水平，一些公司開發(fā)的人工智能學(xué)習(xí)平臺，仍然只是進(jìn)行簡單的積木搭建活動，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(lǐng)學(xué)生在利用軟硬件實現(xiàn)簡單人工智能應(yīng)用的同時，初步理解人工智能的基礎(chǔ)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(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，以人類學(xué)習(xí)的過程類比機器學(xué)習(xí)的過程，引導(dǎo)學(xué)生“思”考機器如何智能，得出機器學(xué)習(xí)的過程包括“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(xùn)練機器學(xué)習(xí)的模型，但耗時較久，而且整個操作過程非常依賴網(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，依然能保證識別效果，使學(xué)生可以在較短的時間內(nèi)體驗從零開始的完整機器學(xué)習(xí)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(shù)的內(nèi)涵和本質(zhì)。

學(xué)生在使用圖形化編程軟件Kittenblock搭建水果識別程序時，采用配對編程的學(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)成合作解決問題的意識和能力。