2.1.6人工智能探秘人工智能之机器学习教学设计苏科版初中信息科技

《初探机器学习——吃豆人大作战》【教材分析】本课选自本校八年级校本课程《有趣的人工智能》第二节《初探机器学习》第一课时。在第一节的学习中，学生已经体验了身边各式的人工智能应用，对机器的智能有了初步的感受。《初探机器学习》一节主要是学习机器学习基本过程，探寻其实现的基本原理，是本单元的重点内容，也为后续了解更多人工智能实现方式奠定基础。【学情分析】受疫情影响，本次授课正值线上教学期间，八年级学生大多独自在家上课，自控力承受极大挑战，有时会由于线上学习缺少“现场感”而无法“投入学习”中，加上本课内容相对比较抽象，因此需要通过有趣的任务和有深度的问题以调动其学习兴趣。他们对游戏热情高涨，乐于动手操作，但有时也会沉浸玩的表象中，对于游戏背后的技术实现关注不多，也缺少主动创作的需求。另外，学生已经具备初步的逻辑思维能力，但在知识建构方面还需要老师进行必要的引导。同时，学生已经通过前面学习，能在学习平台上利用图形化编程编写程序，利用算法的三种结构解决简单问题。【教学目标】基于对教学内容及学情的分析，结合对学生学科核心素养的培养，制定的教学目标如下：理解机器学习及其基本过程，了解机器智能化的实现方法。（信息意识计算思维）通过机器学习模型的训练，认识数据在机器学习中的重要性。（计算思维数字化学习与创新）通过应用机器学习模型，体验人工智能创造的乐趣，进一步感受人工智能技术的发展为社会带来的深刻影响。（信息意识信息社会责任）【教学重难点】重点：理解机器学习及其基本过程。难点：认识数据在机器学习中的重要性。【教学策略】为了有效达成教学目标，克服线上学习带来的课堂“疏离感”，我结合学生的兴趣及思维特点，以“智能化”游戏创作为主线，让学生在玩游戏、做游戏中，将人类的学习过程迁移至“让计算机学会学习”，利用实验和已有经验理解并抽象出机器学习的一般过程。其中，我通过“猜想过程——实验验证——建构过程”的方式，让学生在实践中建构知识，让学习真正发生。同时，实验的内容也是精心设计的，课前我给每位同学单独下发了实验用的豆子，不同学生拿到的豆子数量和类别不同，实验中每位学生要对实验结果进行记录，通过分析不同的实验数据，帮助学生突破教学难点。【教学资源和平台】1.半成品程序；2.用于个性化指导的微课；3.实验所用的豆子。本课依托的教学平台：腾讯会议。【教学过程】我来玩游戏，交流梳理人的学习过程教师引导学生登录平台并打开小游戏——吃豆人大比拼。游戏中有形态各异的豆子，不同豆子有不同的得分。学生需要在未知游戏规则的基础上得到尽量高的分数。请得分较高学生分享游戏经验，总结豆子形状与得分间关系。教师根据学生对游戏的认知过程，总结人的学习过程。教师播放视频1（机器玩游戏视频）。引出机器的学习，并提出本课任务：如何让计算机通过学习会玩吃豆人大作战？【设计意图】本环节的小游戏，既吸引了学生，也让学生重新审视自己面对未知时的认知过程，为后面理解机器学习做好铺垫。同时，引入的机器玩游戏，也激发了学生进一步学习的兴趣，进而引出学习任务。二、探究与实验，训练机器学会学习学生猜想机器学习过程，并分享自己的想法。教师带领学生做实验。首先讲清实验操作方法和流程，并提供微课视频供有问题的学生观看学习。学生进行实验操作。学生利用教师下发的豆子进行训练和测试，让机器能够学会识别豆子，即建立一个分类模型，并检测模型分类准确率。试验后，学生填写腾讯共享文档分享实验数据。教师引导学生对比、分析实验数据，发现影响准确率的因素为：采集的豆子数量。教师再次引导学生认识：实验中采集到的豆子，其本质是“数据”。得出第一个小结论：机器在数据中学习，想要机器学习效果好，数据的量要大。教师请识别准确率最高——即采集豆子图片数量最多的学生一起做实验，让他用当前模型测试老师新发在群里的豆子图片。由于该生学拿到豆子图片没有该种类。因此无法正确识别。师生共同分析准确率不佳的原因，得出本课的第二个小结论：要广泛应用机器学习，数据的种类要丰富。学生根据实验结论，采集更多豆子图片，完善模型。师生分析，从人的学习过程进行迁移，总结出机器学习过程及数据在其中的作用。【设计意图】本环节通过“猜想实验建构”的方式，引领学生在过程体验中理解机器学习的过程；通过不同实验数据的对比，引发学生认知冲突，帮助其真正理解数据在机器学习中的重要作用。同时，对人的学习方式进行迁移，也有助于学生更有效地理解机器获得智能的原理。在这样的真实学习的场域中，比较好地突破了教学重难点。三、我来编游戏，应用模型让机器变聪明教师展示程序效果（视频2：机器参与的吃豆人游戏），机器可以根据掉落豆子做出相应选择。师生共同分析程序关键算法的实现，以及应用模型的方法。学生在半成品程序中，不断完善并调试。教师鼓励学生进行二次创作，以加深学生对游戏的理解。学生展示程序及运行效果。师生对机器智能的表现和出现的一些问题进行商讨，做出后续改进建议。【设计意图】本环节，学生通过应用机器学习模型进行游戏创作，体验了机器的智能化的实现，同时也完整经历了机器学习的训练与应用过程，初步感受到平台算力的限制对机器智能的影响。另外，本环节还让学生从游戏的体验者进阶至游戏的开发者，有意识引领学生认识技术背后的原理，由技术的适应力向胜任力提升。四、总结并拓展，更多机器学习应用场景1.总结本节课所学知识：机器的学习过程及数据在其中的重要性。2.师生共同探讨生活中的机器