资源简介

初识人工智能--机器学习
一、教学目标：
知识与技能
1.理解机器学习的原理，能够描述机器学习的过程。
2.能够应用机器学习，设计人工智能创意编程作品。
过程与方法
1.对比人的学习过程，小组合作完成人脸识别程序。
2.通过案例刨析法，能够举一反三辨别出人工智能应用中的机器学习。
3.结合生活实际，小组合作完成人工智能创意编程作品。
情感态度价值观
1.感受人工智能对生活学习带来的影响，能够正确看待人工智能的发展方向及意义，认识到事物的两面性。进一步激发学术概念学习和探究新技术、新知识的积极性。
2.亲历设计与实现人工智能创意编程作品的基本过程与方法，感受到技术改变生活，唤醒对人工智能的好奇心，为将来的人工智能人才培养打下基础。培养学生的信息安全意识与信息社会责任感。
二、教学重难点
教学重点：理解机器学习的原理，能够描述机器学习的过程。
重点突破：采用对比的教学法，人的学习和机器学习的对比，帮助学生归纳理解机器学习的原理，梳理机器学习的过程。
教学难点：理解机器学习是基于大数据和算法的。
难点突破：采用分组实验的方法，在人的学习过程中设置实验组和对照组，发现数据越多模型越准确。采用实践法，在完成人脸识别程序的过程中，学生通过实践操作，发现数据越多模型越准确。两相比较，最终得出结论，机器学习是基于大数据和算法的。
三、教学过程
1.导入
教师：今天，我们一起来聊一聊有关智能的话题，说到智能，我最先想到我们人是最智能的。人的哪些行为体现你是智能的？
学生回答：因为人可以交流、思考、遇到问题可以主动的分析问题、主动的想办法解决问题
教师：人具有具有认知、决策、创造等能力。还会发明新的工具。那同学们想一想，当我们还是一个什么也不知道连妈妈都不认识的小婴儿的时候我们具备以上这些能力么？那我们是怎么变得越来越聪明，越来越智能呢？
学生回答：学习
教师：是的，学习可以让我们越来越聪明，越来越智能。
2.人的学习
那我就要考考你们的学习能力了，打开桌面上的《看谁学得快》，这里有三个新老师的照片和她们的名字，三十秒时间记住学会认识他们。之后我会出示其中一位老师的照片，哪个小组的同学先认出她，哪个小组获胜，就能获得神秘大礼（后续任务中会用得到的工具）。准备好了么？游戏开始。
学生开始记忆。（一组照片多、一组照片少）
师：时间到。认识她们了么 考验，来喽！认出的同学直接起立喊出老师的名字。
出示一张人物被涂黑的照片，逐步擦出她的特征。
学生认出照片中的人。
师：是不是她呢？我们仔细看一看。真棒，第X组。（发礼物，提示先不要打开）
师：你是怎么认出她的？
生：看眼睛、鼻子、脸型。。。
师：是的，眼睛鼻子脸型是每个人所独有的生物特征。同学们真厉害，通过特征的比对（板书），认出了这是梦梦老师的照片。说明你们已经学会认识三名新老师了。谁能结合小游戏，说一说生活中我们认识新朋友的过程？
生：首先，我会仔细观察他们的照片（师：我们生活中收集到的信息不单单只有照片这样的面部信息，还有声音、走路的姿势等等信息。板书：收集信息），找到他们的特征（提取特征），和对应的名字记住他们（建立模型）。之后，再看到老师展示的新照片的时候从新的照片上提取特征，和我们大脑中已有的模型进行特征比对（特征比对），我们就认出她了（应用模型）。
师：这是我们认识新朋友的过程，也是我们学习的过程。你学习新的生字的时候。是不是也是这样，先观察生字的外形，提取生字的特征，多练习几遍之后，就在脑海中有了这个生字的模型。之后再见到这个字，你就认识它了？
那为什么第X组最先认出这个老师，识别的结果更准确呀？
生：嗯。。。我们处理数据的速度更快？
师：哈哈，她的文件中每个老师有五张照片。而其他同学每个老师只有一张照片。说明什么？
生：照片越多越有利于我们记住一个人。
师：想一想，在平时的生活中，是不是也是我们越经常接触的人，我们越能记住他？也就说明信息越多，我们的大脑印象也就越深刻，建立的模型也就越准确。
通过这个小游戏，我们梳理了人的学习过程。学习是人类只能的最基本的特征。
3.机器学习
师：因为学习，我们能认识新的朋友，认识我们班的同学们。你面前这台普通的并不智能的计算机，它能认出我们班同学么？
生：能/不能
师：我们来试一下？看看计算机能不能认出我们班的同学。（一直广播）
体验人脸识别小程序。
师：计算机像我们一样的认出了同学们，像这样能模拟人的行为和思维解决问题的机器，我们就说它具备了一定的人工智能（揭题）
人是通过学习拥有智能的，机器呢？机器怎么才能拥有智能呢？
学生猜想（编程、数据、像人一样学习。。。。）
师：同学们的猜测都非常有道理。我们都知道计算机是严格按照程序来执行的，程序怎么写计算机就怎么做，赋予机器智能也不例外，接下来，让我们进入揭秘时间，让我们进入刚刚的小程序后台看一看。看看机器学习的过程和人的学习过程是不是一样的？
师：在慧编程中，你能找到让计算机学习的模块和命令么？
生：机器学习，训练模型。猜一猜计算机是怎么学会认识你的？
师：单击训练模型。观察界面，你发现了什么？
生：它收集了每个人的很多张照片。并将同一个人的照片都放在一起了。
师：为什么把同一个人的照片放在一起呢？
生：猜想
师：照片对计算机来说只是一连串的像素值，它并不能读懂它，所以需要我们来告诉计算机，这组照片是什么。在人脸识别小程序中，我们是用名字告诉计算机每组照片都是谁。这样，计算机自动提取特征的时候就知道这些特征是和哪些标签相对应了。当然提取特征的过程是依赖后台算法，和我们的思考过程一样是不可见的。
师：那你怎么知道模型建立好了呢？
生：在最右侧输出的结果里可以看到模型是否准确。
师：是。如果模型不准确呢？
生：单击学习按钮继续学习。
师：模型准确之后我们怎么使用模型呢？
生：选择应用模型。
师：我们可以看见，出现了三个指令，我们就是通过指令编写程序，控制计算机按照我们的想法运行的。根据计算机不同的识别结果，做出不同的动作（出示流程图），观察这三条指令，根据我们以往的学习经验，谁来猜一猜这些指令怎么用？
生：六边形的指令是判断条件。。。
师：和如果、如果否则这样的指令组合就能对不同的识别结果做出不同的动作。
生：圆形的指令是识别结果，是数据，可以被说出这样的指令调用。
师：所以，我们只要把这几条指令和如果、重复执行等指令结合使用即可，
（把程序呈现出来，让学生读程序。）这个能认出我们的小程序就根据不同点判断结果，说出不同的名字，说出他们的身高。
如果，需要做出其他动作，我们就可以使用之前学习过的指令，和这三条新指令组合起来，完成自己的人工智能小程序。
师：现在，你想不想教会计算机认识你们呢？接下来请同学们以小组为单位试一下能不能让计算机学会认识你吧？可以一人负责拍照，一人单击学习按钮，一人被拍照。
学生尝试建立机器学习模型。
学生出现问题创设问题情境，展示采集图片数据少，识别结果不准确的小组，说明数据越多模型可能越准确。所以请XX组同学继续学习人脸，训练模型。
除此之外还需要注意什么，才做能让模型更准确？
①数据要多（和人的学习是一样的）
②背景干扰要少。
③角度要多样
师：现在同学们是不是都教会计算机认识你了？谁来说一说，你是怎么教会计算机学会认识你们小组成员，并分清楚谁是谁的呢？
生：收集信息、提取特征、建立模型、
师：这个过程和人的学习过程是非常相似的。原来机器也可以通过学习进行分类，拥有智能（揭题：机器学习）。
现在，让我们一起观看一个微课，加深对机器学习的理解。
师：通过教会计算机认识我们，体验了机器学习的全过程。关于机器学习，你都知道了什么？
①机器学习建立模型都是基于大量数据和算法的。（想一想，你采集的信息越多，模型越准确，说明了什么？）
②机器学习是模拟人的学习过程。
③人工智能是模拟人的思维和行为解决问题的。
④机器学习是实现人工智能的手段之一。
4.内化升华
教师：机器学习可不单单只能学习人脸，做出人脸识别。它已经应用在生活的方方面面了，我们一起看一看它的两个应用视频。
边看边思考，这个人工智能应用，代替人解决了哪些问题？机器需要学习些什么才能解决这些问题呢？
①观看电梯禁止电瓶车入内视频
教师：这个人工智能替人解决了什么问题？
学生：代替保安时刻盯着摄像头，发现电瓶车就发出警告。
教师：那机器需要学些什么呢？
学生：机器需要学习各种电瓶车的图片。
②观看新冠疫情期间医疗人工智能的应用
教师：这个人工智能是做什么的？
学生：代替医生确定CT片子中的新冠肺炎的病灶。
教师：原本只有医生才会诊断病人的肺部病变情况，现在机器也可以完成了，而且速度非常快，准确率也很高。
教师：机器学习的是什么？
学生：医生做好标记的片子。
教师：通过这两个案例，我们知道人工智能已经广泛的应用在我们的生活中，它能把人从枯燥、重复性高的工作中解放出来，甚至它们的效率和准确率甚至比人还要高。
在生活中，你有没有什么特别想让人工智能帮你做的事？你又要教会机器学些什么呢？
学生：我想让人工智能能帮助我进行垃圾分类。
学生：我想让人工智能能帮我作诗。
教师：同学们的这写想法都很棒，即能解决生活中的实际问题，又非常有创意。我都迫不及待想看到你们的作品了。
接下来请同学们，以小组为单位完成自己的创意作品（将礼物下发给学生。礼物的包装盒是可回收垃圾，中国结是其他垃圾，里面的电池是有害垃圾，毛毛草是厨余垃圾）
学生完成作品。展示。
5.总结
教师：同学们，今天我们体验了机器学习的完整过程。你都学到了什么？
生：机器学习、机器学习的过程等等。。。
师：是的，我们都知道要实现人工智能需要大量的数据。这些数据从何而来呢？
生：专门拍摄的，网络上的公共资源，用户提供的。等等。
师：那你知道，之前展示的人脸识别小程序中，你们的照片是怎么来的么？
生：从班主任要的照片？
师：哈哈，是老师偷拍的，当然偷拍是不正确的行为。但同时，它也会给我们警示。科技是把双刃剑，在人工智能让我们的生活越来越智慧 ，带来方便的同时，它也会有一些不安全的因素。你能举一些例子么？
生：信息泄露。
观看视频。
师：指纹，人脸，虹膜泄露了，是每个人所独有的特征，是生物识别的重要指标，也是我们隐私的一部分，现在人们都使用手机指纹识别开锁，手机绑定了很多张银行卡，股票交易软件，等等，银行卡很多人都设置了人脸识别转账，如果多张人脸照片被偷取了，今天学习的提取特征建立的模型就会非常准确，不法非子就会依照这个模型，制作出相似的面孔，那就可以轻易的打开银行账户为所欲为了。所以我们要多加保护，不给犯罪分子可乘之机。
所以我们要警惕套取人体特征的途径，比如：网络算命，社交平台照片盗用等。
师：我们能做些什么来保护我们的隐私呢？
生：注意自己的隐私安全，不轻易泄露自己的隐私，包括：家庭住址、手机号、照片等等。
师：如果我们的隐私一旦泄露了怎么办？
生：报警。用法律的手段保护自己。
师：同时，如果我们的未来成为了一个人工智能的开发者，我们也要谨守人工智能的伦理道德底线，培养我们的信息社会责任感，把我们的祖国建设的更美好。
习爷爷说过：我们要实现高水平科技自立自强。
师：未来是你们的，有没有信心把我们的祖国建设的更美好？！
生：有！
四、板书设计
五、教学反思
本课通过谈话导入、小组合作、知识类比、案例剖析等教学法，生动形象地向学生们展示了机器学习这一人工智能新知识、新技术，课堂环节层层相扣，教学案例都不单单只有一种用途，而是实现了作为一条暗线串联全课的作用。学生都深入理解了机器学习原理，能够说出机器学习的过程，并应用机器学习最终完成了人工智能创意作品。
因为人的学习过程是在大脑中自动完成的，如何让学生直观的感受到这一过程，进而提炼出：收集信息，提取特征，建立模型，应用模型这一过程。就是我们需要精心设计的地方了。这一环节，根据学生的认知规律，我先后设计了四个学生活动.
最初是展示婴儿学会认识妈妈的视频，通过观看视频总结学习的过程，这一设计虽然知识点呈现精准，但学生参与度较低，不能体现“在活动中发展”这一教学规律。
于是，我设计了第二版活动，将三名老师的小时候的照片混合在一起，由学生进行分类，这一活动对应的是机器学习中的分类、建模的过程。但在实际教学中，学生对分类的过程和机器学习的过程的对比感受并不强烈，人的学习到机器学习的指向性不够明确。
进而我设计了第三版活动，将学生熟悉的老师的生活照用画笔涂黑，然后逐步擦出老师的特征，请学生猜出这位老师是谁，这个游戏学生的参与度非常高课堂很活跃，学生对特征的理解非常深刻，但是对信息采集，建立模型的过程理解不够深刻。
经过思考我最终将第二和第三版活动结合起来，设计了《看谁学得快》游戏。这个活动充分体现了学生的主体性，课堂氛围非常好，学生参与度很高，经过这个游戏，学生很顺利的明确了特征、梳理出了人的学习过程，即：收集信息、提取特征、建立模型、应用模型。为之后理解机器学习打下了一个良好的基础，降低了理解机器学习的难度。
有限的课堂时间，和器材等原因，学生的创意编程作品只能模拟生活中的应用，不能实物化。比如垃圾分类的人工智能小程序，因为硬件设备等原因，只能应用角色绘制垃圾桶，而不能将其实物化也是一个遗憾。

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