用Scratch玩AI「機器學習」
| 策展人： | 彰化縣立花壇國中 張世杰老師 |
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| 策展單位： | 教育大市集執行團隊 |
| 活動時間： | 2022-12-09 |
| 活動地點： | 彰化縣立花壇國中 |
| 適用領域： | 科技領域-資訊科技、科技領域-生活科技 |
| 上傳日期： | 2024-03-25 |
一、設計理念人工智慧在如今可說已經離不開我們的生活中，如人手一機的手機即應用了很多人工智慧的技術。教育部在108年6月提出人工智慧及新興科技教育總體實施策略，配合108課綱期能培養學生具備21世紀所需的科技素養，特別邀集了大專校院教師、領域專家及中小學教師，共同發展《和AI做朋友》補充教材、教案示例，簡介人工智慧的背景知識、機器學習相關知識，並據以發展出系統性的人工智慧知識地圖，提供中小學教師推展人工智慧主題課程參考使用。本教學示例即配合《和AI做朋友－相逢篇》(國小)，第三章教電腦聰明學習、《和AI做朋友－相識篇》(國中)，第三章從樣本中大膽預言-監督或學習，設計可以讓學生實作的程式設計單元。
由於Scratch提供圖形化的操作介面，只需透過滑鼠拖曳積木的方式，就能撰寫程式來製作遊戲、動畫等作品，因此是目前國中小程式教育課程中常用到的學習工具。而在人工智慧基本概念的教學中，Google所發展的Teachable Machine可說是很方便好用的機器學習工具，它可以簡單地讓學生實作機器學習模型訓練，以辨識攝影機鏡頭中的影像、人體的姿勢，或是分類聲音，並且能夠很方便的讓使用者匯出訓練好的機器學習模型，可以直接部署到網站、下載配合應用程式或者是實體的機器上面。
本單元以手勢控制動畫角色為例，結合視訊鏡頭以手勢來控制Scratch動畫中的角色左右移動，介紹由日本石垣教授在其網站(Scratch 專案)發表的Scratch擴充套件：「TM2Scratch」積木，它可以導入Teachable Machine訓練的機器學習模型，應用到Scratch動畫或遊戲當中，增加人機互動的樂趣。
二、教學實施1、課綱對應
| 課綱 | 對應內容 |
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| 核心素養 | 科-J-A2運用科技工具，理解與歸納問題，進而提出簡易的解決之道 |
| 學習表現 |
運t-IV-3 能設計資訊作品以解決生活問題
運t-IV-4 能應用運算思維解析問題 |
| 學習內容 |
資P-IV-1 程式語言基本概念、功能及應用
資P-IV-5 模組化程式設計與問題解決實作 資T-IV-2 資訊科技應用專題 |
2、學生先備知識
Scratch與網頁瀏覽器的基本操作。
3、教學內容
| 流程說明 | 示意圖 |
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1.引起動機
以Teachable Machine網站中的簡介影片(https://www.youtube.com/watch?v=T2qQGqZxkD0&t=2s)，讓學生大致瞭解機器學習的應用示例與網站介面的操作方式，並以其中手勢控制動畫的示範片段，引起學生的學習動機。 |
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| 2.以教育部發展的人工智慧教材，國小階段用：《和AI做朋友－相逢篇》-第三章教電腦聰明學習，國中階段用：《和AI做朋友－相識篇》-第三章從樣本中大膽預言-監督式學習，說明機器學習的理論知識與基本概念。 |
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| 3.實作Teachable Machine影像辨識模型訓練及說明如何匯出模型到網站以方便之後在Scratch當中應用。 |
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| 4.導入「TM2Scratch」擴充套件，讀取模型存放網址，實作Scratch程式，用手勢控制角色左右移動。 |
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流程說明 示意圖
1.引起動機 以Teachable Machine網站中的簡介影片(https://www.youtube.com/watch?v=T2qQGqZxkD0&t=2s)，讓學生大致瞭解機器學習的應用示例與網站介面的操作方式，並以其中手勢控制動畫的示範片段，引起學生的學習動機。 Teachable Machine網站的簡介影片, 手勢控制動畫的示範片段-1Teachable Machine網站的簡介影片, 手勢控制動畫的示範片段-2 2.以教育部發展的人工智慧教材，國小階段用：《和AI做朋友－相逢篇》-第三章教電腦聰明學習，國中階段用：《和AI做朋友－相識篇》-第三章從樣本中大膽預言-監督式學習，說明機器學習的理論知識與基本概念。 說明機器學習的理論知識與基本概念 3.實作Teachable Machine影像辨識模型訓練及說明如何匯出模型到網站以方便之後在Scratch當中應用。 實作Teachable Machine影像辨識模型訓練及說明 4.導入「TM2Scratch」擴充套件，讀取模型存放網址，實作Scratch程式，用手勢控制角色左右移動。 實作Scratch程式 Scratch程式範例說明： 1. 添加擴展積木：「TM2Scratch」 2. 點按小綠旗後執行： A：運用「TM2Scratch」積木載入由Teachable Machine訓練的模型網址。 在「重複無限次」的迴圈積木中加入選擇結構積木「如果..那麼..否則」。 B：設定如果「影像標籤」等於「右」，執行角色「X改變10」，也就是向右移動10，造型每隔0.5秒換成走路的圖像「costume1」及「costume3」。 C：設定如果「影像標籤」等於「左」，執行角色「X改變-10」，也就是向左移動10，造型每隔0.5秒換成走路的圖像「costume4」及「costume2」。 範例檔案可在「花壇國中AIoT科技教育中心」網站中下載： https://sites.google.com/chc.edu.tw/aiot/ |
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三、教學反思及收穫學生對於可以運用自己所訓練的機器學習模型，結合視訊鏡頭以手勢來控制動畫角色，都覺得非常有趣，除了能深化瞭解機器學習的理論概念，透過實際的操作，更能切身感受到機器學習對於動畫或遊戲設計的應用魅力。
要注意的是，在使用視訊鏡頭實作Teachable Machine影像辨識模型訓練時，如果學生座位後方有同學移動，鏡頭在擷取影像樣本時會拍到後方同學生身影，因此會影響到訓練的準確度，這個情況在測式程式時也會發生，建議可以事先提醒學生，或者適當調整學生座位。
如果時間足夠的話，可以請學生將所學到的技巧應用到之前設計的動畫或者遊戲當中，有助於提高學生的學習成效與學習興趣。