《人工智能初体验》教学设计
许佳洁
● 教材分析
本课借助生活中的应用引导学生了解人工智能，通过完善“猜拳游戏”和编写脚本识别口罩佩戴情况，让学生体验人工智能模块，感知机器学习的完整过程。
● 学情分析
本节课的教学对象是四年级学生，刚开始学习慧编程软件，学生编程能力有差距，所以在编写“识别口罩佩戴”的脚本时，放宽要求，使用基本积木块即可。
● 教学目标
知识与技能目标：①初步了解人工智能的概念，知道人工智能在生活中的常见应用;②初步了解机器学习的特点，能完善“机器学习”的“训练模型”;③初步体验慧编程软件中的人工智能模块，能实现基本的人机交互。
过程与方法目标：①通过观看视频、操作实践，了解人工智能的概念;②通过完善“猜拳游戏”人机对战，体会机器学习的检验;③通过编写程序实现“识别口罩佩戴”，感知机器学习的应用;④通过自主探究与团队合作，提升发现问题、分析问题和解决问题的能力。
情感态度与价值观目标：①培养信息意识，提升计算思维能力;②感受科技对生活带来的改变，激发爱科学、学科学、用科学的热情。
行为与创新目标：鼓励学生多思考多表达，激发其学习和探究的兴趣，引导其创想未来世界，尝试用智慧改变生活。
● 教学重难点
重点：了解人工智能的概念，感受生活中的人工智能，体验机器学习的过程。
难点：在慧编程中创建较准确的机器学习训练模型，实现人机交互的应用。
● 教学过程
1.了解人工智能
（1）智能语音助手“小爱同学”
師：同学们，你们了解人工智能吗？看看这个词——人工智能，是不是很容易联想到科幻电影里的机器人？它有人的外表，能交流思考，而且很强大，能做很多人类无法轻松实现的事。这节课我们就要来体验人工智能。大家看这些是什么？（出示课件）
生：闹钟、计算器、开关、导航、音箱。
师：你们看到的这些生活物品，都可以进化成人工智能产品，甚至把这些功能都集合到一个产品上（播放《小爱同学宣传片》），看完这个视频，你的感受是什么？
生：“小爱同学”很能干……
师：这么厉害的“小爱同学”就是一款人工智能软件。老师的手机里也有“小爱同学”，你能学着视频里那样，对它发出指令吗？
生1：小爱同学，今天天气怎样？
生2：小爱同学，863×2032+1234×432=？
……
师：这不就是生活中计算器的功能吗？小爱同学还是个翻译家呢，真是功能强大的人工智能生活助手呀。
设计意图：从生活中学生熟悉的物品引入新知，能让学生容易了解这些物品的功能。从看视频了解“小爱同学”，到亲自体验对话，学生的积极性被调动起来，同时拉近了学生与新知的距离，为学生初步了解“人工智能”打好基础。
（2）生活中的人工智能应用
师：如今，人工智能产品已经渗透到了日常生活的方方面面，如扫地机器人、天猫精灵、智能门锁、智能马桶、智能手环、无人驾驶。让机器会思考、能感知、懂判断，模拟人的智能行为，人工智能就是这样一门用于模拟、延伸和扩展人的智能的科学技术。接下来我们将进一步体验人工智能。
设计意图：从人工智能软件系统到实物产品，仍然立足于学生能接触到的生活物品，但从不同的方面，让学生感知人工智能的应用，增加学生的参与度，激发学习和探究兴趣。小结时，以文字形式出示“人工智能”的概念，建立表象，强化基础认知。
2.了解机器学习
（1）完善“猜拳游戏”
师：在学习前，先来玩个游戏——“石头剪刀布”（师生对战）。这样的人人对战大家玩得比较多，那你有没有和机器玩过猜拳游戏呢？想不想试试？先在慧编程中打开“猜拳游戏”，在积木区找到“机器学习”，点击“打开识别窗口”，手对着摄像头做出石头、剪刀、布的动作，看窗口的下面，计算机会识别出我的手势。接着按下空格键，计算机随机出拳。最后，计算机将识别到的手势结果与计算机中随机出拳的结果相比较，判定胜负，宣布结果。谁勇于挑战机器？（一位学生上台，人机对战，当学生出“布”时，计算机的判断结果出错）咦，怎么了？仔细观察，你有什么发现？
生：出“布”的时候，计算机的识别不正确。计算机认识“石头”和“剪刀”，但是不认识“布”，一出“布”，就有错误。
师：真棒，你们都有一双善于发现的眼睛。要想解决这个问题，我们就要教计算机认识“布”。在“机器学习”中，有个“训练模型”，点开后有三个分类，分别是“石头”“剪刀”和“布”。当我们对着摄像头做出相应的手势，点这个分类的“学习”时，计算机就会把我们的手势记录为该分类下的样本。人出拳时，计算机会将人的手势动作与模型中三个分类进行匹配，判断的结果为匹配程度最高的动作。现在是识别不出“布”，那我重置“布”的样本，清空后重新学习。现在出“布”，看右边的识别结果，对了吗？然后点“使用模型”就可以了，再来挑战一次。（之前的学生再次对战后，另外请一位学生体验）
嗯，计算机对不同的手做的手势也都能识别出来，有更大进步了。像这样，从训练模型到检验再到应用的整个过程就是“机器学习”，机器通过这样的“学习”，具备像人一样的智能。那你们觉得要怎样才能提高计算机的识别准确度？
生1：换不同的手作为样本。
生2：做好手势，调整不同的角度进行学习。
……
师：大家都很善于思考，计算机像我们人一样，学得越多越聪明，学得越多识别能力也就越强。好，抓紧训练你的计算机吧。（学生完善“猜拳游戏”，展示作品）你是第一个完成的，有什么好的经验技巧分享呢？还有什么想提醒其他同学注意的吗？（生：要换不同的手，不同的角度学习样本）
设计意图：从人与人对战的游戏，到人与机器对战，不断保持学生的学习主动性。实际体验后，引导学生发现问题，并试着分析问题、解决问题，培养信息意识，提升思维能力。四年级学生刚接触慧编程软件，所以细致讲解操作步骤，降低软件使用方面的难度，重在通过游戏案例，了解机器是怎样学习的。
（2）设计“识别口罩佩戴”的程序
师：同学们，“机器学习”就是人工智能的核心，除了这样的游戏应用，它更能植入我们的生活，让我们的生命得到保障。目前，我国仍处于疫情防控战时状态，虽然我们这是低风险区，校园内可以不戴口罩，但自我保护不可松懈。有些同学在上学途中才发现忘戴口罩，你能不能通过人工智能，设计一个“识别口罩佩戴”的程序，提醒同学们出门时戴好口罩呢？想一想，“识别口罩佩戴”和我们刚才的“猜拳游戏”，有没有相通的地方？（引导学生说出“戴口罩”“未戴口罩”和“口罩佩戴不规范”三种情况）
生：“猜拳游戏”是识别“石头”“剪刀”“布”的手势，“识别口罩佩戴”就是换三种分类进行识别。
师：解读非常到位，为他点赞。同学们，我们已经分析了要让计算机识别这三种情况，通过“机器学习”就可以完成样本学习，那到底该怎么让计算机听我们的话，根据口罩佩戴情況发出提醒呢？
生：编写程序。
师：对，要实现与计算机的沟通，编程必不可少。之前的程序是老师给大家的，现在要你们自己编写了，有没有信心？（生：有）现在请大家自学教材，新建文件，添加“机器学习”和“人工智能”扩展模块，并且使用其中的“语音交互”，结合“如果……那么……”积木块，完成程序编写。特别提醒大家，想一想怎样可以提高识别结果的准确率。
学生操作，教师巡回。学生作品展示。
师：在整个过程中，你们有什么困惑吗？谁能帮助解惑答疑？（学生回答）同学们，刚才咱们完善了“猜拳游戏”，编写了“识别口罩佩戴”的程序，体验了人工智能的一些应用。那你们觉得，在校园里，还有哪些地方或者物品可以应用人工智能技术，给校园生活带来便利的吗？
生1：进校门智能测温。
生2：教室的环境卫生、空气质量智能检测。
……
设计意图：从“猜拳游戏”的模型训练，联想到“识别口罩佩戴”的相关情况，对比学习，学生轻松实现知识的迁移和应用。此时再加入编程教学，强调编程的重要性，为今后的学习铺垫。学生自学教材，初步体验“人工智能”模块，合作学习完成程序编写，促进学生自主探究和合作能力的提升。
3.畅想人工智能时代
师：随着人工智能应用的领域越来越多，更多的人可以从繁重的劳动中解放出来。如果你是科学家，想设计什么来优化我们的生活？（学生回答）大家的想法都很有创意。大家现在努力学习知识，将来一定能用自己的智慧创造生活，改变生活！
设计意图：从生活中的物品引入，最后回归到生活中的应用，立足于真实情境，学生尝试运用所学解决实际问题，从课堂走向生活，实现了知识的拓展、思考的延伸和能力的提高。从校园内的应用到校园外的应用，鼓励学生畅想和表达，感受科技发展带来的改变，激发学生继续学习探究的热情。
● 教学反思
本课从观看视频、操作体验智能语音助手开始，经过完善游戏、编写程序的实践，再到畅想未来生活，让学生对“人工智能”的概念有所了解，并准确掌握了“机器学习”中样本多样化的特点，感知了相关功能模块，并能运用它来解决生活实际问题，整体完成度高。
不足之处：第一，本课教学伊始，预设用“你了解人工智能吗？”这个提问引发学生联想，鼓励学生大胆说出自己的认知，但在实际授课时，这个问题太抽象，范围大，学生无从答起。如果调换一下顺序，在体验了解了人工智能软件系统和生活应用后，让学生说说自己理解的人工智能，应该能激发学生的思考、听到学生的见解。第二，在教学“机器学习”时，学生先是体验“猜拳游戏”发现问题，在教师的指导下了解“模型训练”并解决问题。此时，课件出示“机器学习”的完整过程，即“训练”“检验”和“应用”，直观呈现，让学生强化认知。学生印象最深的是“训练”，对“检验”和“应用”却联系不起来，如果依次讲解，体验到哪一环节，就具体说明，这样指向明确，学生对“机器学习”过程就能了解得更清楚。第三，第二环节“识别口罩佩戴”程序完成后的小结，可以与前面的内容呼应并拓展，这样能促使学生对人工智能的应用有进一步的感知和思考。
