《人工智能初體驗》教學設計

許佳潔

● 教材分析

本課借助生活中的應用引導學生了解人工智能，通過完善“猜拳游戲”和編寫腳本識別口罩佩戴情況，讓學生體驗人工智能模塊，感知機器學習的完整過程。

● 學情分析

本節課的教學對象是四年級學生，剛開始學習慧編程軟件，學生編程能力有差距，所以在編寫“識別口罩佩戴”的腳本時，放寬要求，使用基本積木塊即可。

● 教學目標

知識與技能目標：①初步了解人工智能的概念，知道人工智能在生活中的常見應用;②初步了解機器學習的特點，能完善“機器學習”的“訓練模型”;③初步體驗慧編程軟件中的人工智能模塊，能實現基本的人機交互。

過程與方法目標：①通過觀看視頻、操作實踐，了解人工智能的概念;②通過完善“猜拳游戲”人機對戰，體會機器學習的檢驗;③通過編寫程序實現“識別口罩佩戴”，感知機器學習的應用;④通過自主探究與團隊合作，提升發現問題、分析問題和解決問題的能力。

情感態度與價值觀目標：①培養信息意識，提升計算思維能力;②感受科技對生活帶來的改變，激發愛科學、學科學、用科學的熱情。

行為與創新目標：鼓勵學生多思考多表達，激發其學習和探究的興趣，引導其創想未來世界，嘗試用智慧改變生活。

● 教學重難點

重點：了解人工智能的概念，感受生活中的人工智能，體驗機器學習的過程。

難點：在慧編程中創建較準確的機器學習訓練模型，實現人機交互的應用。

● 教學過程

1.了解人工智能

（1）智能語音助手“小愛同學”

師：同學們，你們了解人工智能嗎？看看這個詞——人工智能，是不是很容易聯想到科幻電影里的機器人？它有人的外表，能交流思考，而且很強大，能做很多人類無法輕松實現的事。這節課我們就要來體驗人工智能。大家看這些是什么？（出示課件）

生：鬧鐘、計算器、開關、導航、音箱。

師：你們看到的這些生活物品，都可以進化成人工智能產品，甚至把這些功能都集合到一個產品上（播放《小愛同學宣傳片》），看完這個視頻，你的感受是什么？

生：“小愛同學”很能干……

師：這么厲害的“小愛同學”就是一款人工智能軟件。老師的手機里也有“小愛同學”，你能學著視頻里那樣，對它發出指令嗎？

生1：小愛同學，今天天氣怎樣？

生2：小愛同學，863×2032+1234×432=？

……

師：這不就是生活中計算器的功能嗎？小愛同學還是個翻譯家呢，真是功能強大的人工智能生活助手呀。

設計意圖：從生活中學生熟悉的物品引入新知，能讓學生容易了解這些物品的功能。從看視頻了解“小愛同學”，到親自體驗對話，學生的積極性被調動起來，同時拉近了學生與新知的距離，為學生初步了解“人工智能”打好基礎。

（2）生活中的人工智能應用

師：如今，人工智能產品已經滲透到了日常生活的方方面面，如掃地機器人、天貓精靈、智能門鎖、智能馬桶、智能手環、無人駕駛。讓機器會思考、能感知、懂判斷，模擬人的智能行為，人工智能就是這樣一門用于模擬、延伸和擴展人的智能的科學技術。接下來我們將進一步體驗人工智能。

設計意圖：從人工智能軟件系統到實物產品，仍然立足于學生能接觸到的生活物品，但從不同的方面，讓學生感知人工智能的應用，增加學生的參與度，激發學習和探究興趣。小結時，以文字形式出示“人工智能”的概念，建立表象，強化基礎認知。

2.了解機器學習

（1）完善“猜拳游戲”

師：在學習前，先來玩個游戲——“石頭剪刀布”（師生對戰）。這樣的人人對戰大家玩得比較多，那你有沒有和機器玩過猜拳游戲呢？想不想試試？先在慧編程中打開“猜拳游戲”，在積木區找到“機器學習”，點擊“打開識別窗口”，手對著攝像頭做出石頭、剪刀、布的動作，看窗口的下面，計算機會識別出我的手勢。接著按下空格鍵，計算機隨機出拳。最后，計算機將識別到的手勢結果與計算機中隨機出拳的結果相比較，判定勝負，宣布結果。誰勇于挑戰機器？（一位學生上臺，人機對戰，當學生出“布”時，計算機的判斷結果出錯）咦，怎么了？仔細觀察，你有什么發現？

生：出“布”的時候，計算機的識別不正確。計算機認識“石頭”和“剪刀”，但是不認識“布”，一出“布”，就有錯誤。

師：真棒，你們都有一雙善于發現的眼睛。要想解決這個問題，我們就要教計算機認識“布”。在“機器學習”中，有個“訓練模型”，點開后有三個分類，分別是“石頭”“剪刀”和“布”。當我們對著攝像頭做出相應的手勢，點這個分類的“學習”時，計算機就會把我們的手勢記錄為該分類下的樣本。人出拳時，計算機會將人的手勢動作與模型中三個分類進行匹配，判斷的結果為匹配程度最高的動作?，F在是識別不出“布”，那我重置“布”的樣本，清空后重新學習?，F在出“布”，看右邊的識別結果，對了嗎？然后點“使用模型”就可以了，再來挑戰一次。（之前的學生再次對戰后，另外請一位學生體驗）

嗯，計算機對不同的手做的手勢也都能識別出來，有更大進步了。像這樣，從訓練模型到檢驗再到應用的整個過程就是“機器學習”，機器通過這樣的“學習”，具備像人一樣的智能。那你們覺得要怎樣才能提高計算機的識別準確度？

生1：換不同的手作為樣本。

生2：做好手勢，調整不同的角度進行學習。

……

師：大家都很善于思考，計算機像我們人一樣，學得越多越聰明，學得越多識別能力也就越強。好，抓緊訓練你的計算機吧。（學生完善“猜拳游戲”，展示作品）你是第一個完成的，有什么好的經驗技巧分享呢？還有什么想提醒其他同學注意的嗎？（生：要換不同的手，不同的角度學習樣本）

設計意圖：從人與人對戰的游戲，到人與機器對戰，不斷保持學生的學習主動性。實際體驗后，引導學生發現問題，并試著分析問題、解決問題，培養信息意識，提升思維能力。四年級學生剛接觸慧編程軟件，所以細致講解操作步驟，降低軟件使用方面的難度，重在通過游戲案例，了解機器是怎樣學習的。

（2）設計“識別口罩佩戴”的程序

師：同學們，“機器學習”就是人工智能的核心，除了這樣的游戲應用，它更能植入我們的生活，讓我們的生命得到保障。目前，我國仍處于疫情防控戰時狀態，雖然我們這是低風險區，校園內可以不戴口罩，但自我保護不可松懈。有些同學在上學途中才發現忘戴口罩，你能不能通過人工智能，設計一個“識別口罩佩戴”的程序，提醒同學們出門時戴好口罩呢？想一想，“識別口罩佩戴”和我們剛才的“猜拳游戲”，有沒有相通的地方？（引導學生說出“戴口罩”“未戴口罩”和“口罩佩戴不規范”三種情況）

生：“猜拳游戲”是識別“石頭”“剪刀”“布”的手勢，“識別口罩佩戴”就是換三種分類進行識別。

師：解讀非常到位，為他點贊。同學們，我們已經分析了要讓計算機識別這三種情況，通過“機器學習”就可以完成樣本學習，那到底該怎么讓計算機聽我們的話，根據口罩佩戴情況發出提醒呢？

生：編寫程序。

師：對，要實現與計算機的溝通，編程必不可少。之前的程序是老師給大家的，現在要你們自己編寫了，有沒有信心？（生：有）現在請大家自學教材，新建文件，添加“機器學習”和“人工智能”擴展模塊，并且使用其中的“語音交互”，結合“如果……那么……”積木塊，完成程序編寫。特別提醒大家，想一想怎樣可以提高識別結果的準確率。

學生操作，教師巡回。學生作品展示。

師：在整個過程中，你們有什么困惑嗎？誰能幫助解惑答疑？（學生回答）同學們，剛才咱們完善了“猜拳游戲”，編寫了“識別口罩佩戴”的程序，體驗了人工智能的一些應用。那你們覺得，在校園里，還有哪些地方或者物品可以應用人工智能技術，給校園生活帶來便利的嗎？

生1：進校門智能測溫。

生2：教室的環境衛生、空氣質量智能檢測。

……

設計意圖：從“猜拳游戲”的模型訓練，聯想到“識別口罩佩戴”的相關情況，對比學習，學生輕松實現知識的遷移和應用。此時再加入編程教學，強調編程的重要性，為今后的學習鋪墊。學生自學教材，初步體驗“人工智能”模塊，合作學習完成程序編寫，促進學生自主探究和合作能力的提升。

3.暢想人工智能時代

師：隨著人工智能應用的領域越來越多，更多的人可以從繁重的勞動中解放出來。如果你是科學家，想設計什么來優化我們的生活？（學生回答）大家的想法都很有創意。大家現在努力學習知識，將來一定能用自己的智慧創造生活，改變生活！

設計意圖：從生活中的物品引入，最后回歸到生活中的應用，立足于真實情境，學生嘗試運用所學解決實際問題，從課堂走向生活，實現了知識的拓展、思考的延伸和能力的提高。從校園內的應用到校園外的應用，鼓勵學生暢想和表達，感受科技發展帶來的改變，激發學生繼續學習探究的熱情。

● 教學反思

本課從觀看視頻、操作體驗智能語音助手開始，經過完善游戲、編寫程序的實踐，再到暢想未來生活，讓學生對“人工智能”的概念有所了解，并準確掌握了“機器學習”中樣本多樣化的特點，感知了相關功能模塊，并能運用它來解決生活實際問題，整體完成度高。

不足之處：第一，本課教學伊始，預設用“你了解人工智能嗎？”這個提問引發學生聯想，鼓勵學生大膽說出自己的認知，但在實際授課時，這個問題太抽象，范圍大，學生無從答起。如果調換一下順序，在體驗了解了人工智能軟件系統和生活應用后，讓學生說說自己理解的人工智能，應該能激發學生的思考、聽到學生的見解。第二，在教學“機器學習”時，學生先是體驗“猜拳游戲”發現問題，在教師的指導下了解“模型訓練”并解決問題。此時，課件出示“機器學習”的完整過程，即“訓練”“檢驗”和“應用”，直觀呈現，讓學生強化認知。學生印象最深的是“訓練”，對“檢驗”和“應用”卻聯系不起來，如果依次講解，體驗到哪一環節，就具體說明，這樣指向明確，學生對“機器學習”過程就能了解得更清楚。第三，第二環節“識別口罩佩戴”程序完成后的小結，可以與前面的內容呼應并拓展，這樣能促使學生對人工智能的應用有進一步的感知和思考。