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和我一起玩AI

類別: 教學應用
策展人: 臺南市和順國中林信廷老師
策展單位: 教育大市集執行團隊
活動時間: 2021-10-18
活動地點: 臺南市和順國中
更新時間: 2022-06-17
裝飾性圖示如何開始人工智慧的課程設計

  這一兩年來,教育界越來越重視人工智慧課程的教學,在教育大市集裡面,也推出了一系列的資源,包含國小、國中以及高中範圍的教材,讓老師們在發展相關課程時,有個非常明確的目標跟指引。而除了教材之外,也有對應的教案,所以老師們也不用擔心不知道該如何利用這項珍貴的資源,只要參考教案,就能夠瞭解該如何進行課程以及時間的安排等等。

  我們學校也藉由這樣的資源,由教育大市集的「和AI做朋友」教材開始,經過兩年的時間,發展出一系列的AI的課程,以下是我們的課程地圖:

和我一起玩AI的課程地圖
裝飾性圖示人工智慧基本內容介紹與簡單體驗

  本課程由教育部發展的「和AI做朋友」紙本教材開始,並配合教育部製作,放置在中華開放教育平台上的相關影片,讓學生了解人工智慧的發展歷程以及感測器、人工神經網路、決策樹以及機器學習等等的人工智慧相關概念。並藉由簡單的AI體驗,例如使用teachablemachine、quickdraw等網站,讓電腦判斷我們的表情、肢體動作、繪圖等等,讓學生對人工智慧能做的事情有個大致的概念。

使用《和 AI 做朋友》紙本教材進行教學

使用《和 AI 做朋友》紙本教材進行教學

學生使用網站,進行簡單的AI體驗

學生使用網站,進行簡單的AI體驗

裝飾性圖示不插電分類與分群課程活動

  在教育部「和AI作朋友」的教材中,除了介紹人工智慧基本的知識之外,還有非常多動手實作的活動,讓學生了解人工智慧背後的運作原理以及數學概念。在課程中說明到機器學習中的監督式與非監督式學習的概念時,會帶著學生進行「和AI作朋友」裡的不插電活動教學活動,再偷插電的使用電腦完成一樣的操作,包含了KNN與k-means的實作,除了讓學生了解相關概念,也讓學生體會到電腦運算帶來的便利。而為了提高學生的興趣,也將資料製作為卡牌,讓學生以遊戲式的方式進行課程。

使用卡牌遊戲,進行「線性回歸」以及「監督式學習」不插電教學

使用卡牌遊戲,進行「線性回歸」以及「監督式學習」不插電教學

裝飾性圖示機器視覺與CNN人工神經網路分支

  接著學生學習使用積木式的程式語言控制mBot小車,除了讓學生了解如何藉由撰寫規則或配合相關的感測器,製作類似專家系統,讓車子通過教師指定的軌道之外,也與資訊科技學習內容中的「演算法」與「程式語言」互相配合。

學生讓mBot小車依撰寫之規則在軌道前進

學生讓mBot小車依撰寫之規則在軌道前進



  接著是進行DonkeyCar影像辨識自駕車的實務操作,學生必須自己訓練一台影像辨識的自駕車,藉由這樣的課程活動,學生除了更瞭解機器學習的概念之外,教師也可藉此補充機器視覺與影像辨識的相關原理,並與資訊科技中的「系統平台」學習內容互相呼應,讓學生更了解CPU與GPU的功能與差異。

  在這個部分的最後,會留有時間讓學生思考與討論mBot與DonkeyCar這兩種不同控制車子的方法之間的差異,並比較人類撰寫規則的智慧以及人工的智慧之間的差異,再分組討論如何使用人工智慧解決目前生活中遇到的問題。

DonkeyCar模擬器,蒐集資料操作畫面

DonkeyCar模擬器,蒐集資料操作畫面

DonkeyCar模擬器,可將CNN各層處理的畫面顯示出來

DonkeyCar模擬器,可將CNN各層處理的畫面顯示出來

學生操縱影像辨識自駕車

學生操縱影像辨識自駕車

裝飾性圖示圖像式程式語言與決策樹分支

  如果能夠找到跟現今資訊科技課程完全互相搭配的方式來實做人工智慧,對於相關課程的推廣一定非常有幫助。以下分享幾個資源:

  首先是「machinelearningforkids」網站,這個網站提供很多範例,可以快速的讓學生使用在課程中就會學到的Scratch積木式程式語言來實做AI遊戲,且當學生能力提升、對於人工智慧有更深入的瞭解後,可以利用這個網站自行設計人工智慧遊戲並實現。這樣的課程除了可以跟課綱中資訊科技的「演算法」以及「程式設計」的學習內容完美搭配,並跟一般資訊科技課程無縫接軌之外,也讓學生透過實作遊戲程式更瞭解在進行機器學習時應該規劃使用哪些資料讓機器學習。

使用scratch實作AI井字遊戲程式

使用scratch實作AI井字遊戲程式



  這個網站提供的快速上手的範例中,有一個是:人工智慧的井字遊戲,透過跟電腦對戰,蒐集下棋資訊,接著進行機器學習,學生可以快速感受到電腦的進步,而且這個網站還提供視覺化的決策樹,方便教師藉此說明相關的人工智慧學習內容。

網站提供視覺化決策樹

網站提供視覺化決策樹



  這個AI井字遊戲可以跟本團隊之前製作的教具搭配使用,這個教具是使用Arduino事先寫好下棋規則製作的,人類絕對贏不了的井字遊戲,在課程中會讓學生來跟這個寫好人類規則製作的教具比賽,學生也一定不會獲勝,但剛剛在網站上跟人工智慧的井字遊戲對戰時,學生是可以輕鬆獲勝的,此時可以詢問學生:「你覺得人工智慧跟人類規則的智慧哪一個比較厲害?」,學生一定是回答「人類規則的智慧」,然後就可以詢問學生一個更重要的問題:「那既然人工智慧的表現這麼差,為什麼現在的世界,人工智慧的話題這麼的熱門、應用這麼多呢?」,讓學生藉此思考並比較人類規則跟人工智慧各自的優點與缺點。

  第二個是PAIA網站,這個網站除了提供離線版的blockly編輯器讓學生可以實作AI程式並訓練模型之外,也能夠進一步的使用Python程式語言來做更進階的控制(翰林版九年級的資訊科技課本中也已經編入了Python的課程),因此這個網站在教學內容上有非常大的彈性,也可以幫助教學現場的老師在完全符合課綱的要求下與人工智慧的課程完美的銜接。

使用blockly實作AI程式
裝飾性圖示參考資料
裝飾性圖示領域/議題

國中 自然與生活科技、資訊教育