人工智能探索——剖析领域知识问答机器人教学设计及反思

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[学科核心素养]

1.能够根据解决问题的需要，主动采取合适的方式获取、处理、分析信息；

2.通过理论联系实际，能够归纳总结建立合适的模型和算法。知道人工智能的一般应用和理解领域知识问答机器人的工作原理；

3.掌握新的编程软件的使用，能够开展自主学习、协同创作、知识分享与创新。利用Python工具分析相似度系数；

4.客观对待人工智能对社会的影响。学会利用本节课的内容去解决生活中的实际问题，服务他人，服务社会。

[学业要求]

学生能够更清晰的了解人工智能，知道领域知识问答机器人的系统结构，理解领域知识问答机器人的工作原理，了解人工智能在生活中的应用。

[学情分析]

学生为高二年级学生，已经学习过相关的编程软件——Python，具备分析问题解决问题的能力，对人工智能已经有了一定的了解。学生的动手能力较强，能够主动解决问题。

[教学目标]

1.知道人工智能的定义；

2.知道领域知识问答机器人的系统结构，理解其工作原理；

3.理解相关的相似度系数算法；

4.知道人工智能在生活中的一般应用。

[教学重难点]

1.知道领域知识问答机器人的系统结构，理其工作原理；

2.理解相关的相似度系数算法；

[教学策略分析]

由于高二年级的学生已经学习过Python编程语言，掌握了Python语言的基本语法和编程软件的基本使用方式。在人工智能方面，大多数学生在日常的学习生活中，或多或少的已经接触过人工智能的相关产品，因此对人工智能有了一定的认识。所以此次教学采用任务驱动的方式进行教学，让学生通过探索人机对话的一般原理，进一步梳理大脑中的人工智能的相关知识，对人工智能的概念有更加清晰的认识。

[教学环境]

多媒体网络机房、教学广播系统、无线路由器、人工智能语音系统

[教学过程设计]

一、情景引入

1.人与人对话

随机抽取两名学生进行一段简单对话，其余同学认真观察并思考从一名同学提出问题到另一名学生回答问题的基本过程。

2.人与人工智能音箱对话

打开人工智能音箱并随机抽取两名学生对人工智能音箱提出四个问题。其余同学认真观察人和人工智能音箱这一对话过程，并思考人工智能音箱返回信息这一过程可分为几个步骤。

3.提出问题

类比人与人对话，简单概括人与机器对话这一过程，并提出“问答机器人”这一系统的基本过程是什么？

设计目的：通过人与人工智能音箱对话，让学生现场感受人机对话这一过程，同时类比人与人对话，对人与人工智能机器人对话有一个更深的印象和理解。

二、分组探索

分小组通过上网查找资料的方式，探索人工智能问答机器人系统模块组成。

设计目的

让学生带着问题去自主探索、学习。上网自主搜索材料这一过程既是对学生自我学习能力培养的一个过程，同时也是提升学生信息获取能力的一个过程。小组分工合作则是主要培养学生的合作精神。

三、人工智能问答机器人系统模块解读

1.常见问题解答模块

用户发起提问，系统首先从FAQ库寻找用户提出的问题（问句），如果包含问句，则直接返回答案给用户。否则进入问题理解模块。FAQ库主要用于提高智能问答系统的效率，其主要技术就是问句相似度计算和候选问句的选择。

Jaccard相似度系数：表示两集合的交集元素的个数与两集合的并集元素个数之比，系数越高，两集合的相似度越高。

集合A={“空调机”，“有”，“什么”，“功能”，“？”}

集合B={“空调机”，“的”，“功能”，“有”，“哪些”，“？”}

A∩B={“空调机”，“有”，“功能”，“？”}

AUB={“空调机”，“的”，“什么”，“功能”，“有”，“哪些”，“？”}

A与B的相似度系数=4/7≈0.57

程序示例：

def jaccard1(p,q):

    c=[val for val in p if val in q] #列表交集

    return float(len(c)/(len(p)+len(q)-len(c))) #列表集合长度

a=["空调机","有","什么","功能","？"]

b=["空调机","的","功能","有","？","哪些"]

print(jaccard1(a,b))

任务1：利用Python工具计算A和B语句的相似度

A：我爱祖国的壮丽河山；我爱祖国悠久的历史和璀璨文化。

B：我爱祖国人民的的勤劳、智慧与勇敢；我更爱祖国那生生不息、辉煌雄壮的民族魂。

2.问题理解解答模块

实现计算机理解用户的问题，确定问题的关键词和问题类型。

3.信息检索模块

从互联网或者知识库中找到与问题相关的文档作为答案提取的原材料。

4.文档库模块

用于存放专家提供的知识，其内部还有大量某个领域的常识性知识和专家水平知识与经验总结，且能够利用专家的知识和解决问题的方法来处理该领域的问题。

5.答案抽取模块

利用问题的类型构建相应的答案抽取策略，从信息检索后的文档中对排序靠前的文档进行答案的定位和输出。

任务2：拖动方块，在任务单中构件典型智能问答系统结构示意图。

设计目的

这一过程中教师简单讲解人工智能问答机器人系统的几个基本模块，帮助学生梳理自我检索的资料。任务一的设计主要是通过结合数学思维和借助计算机表达这一方式，来锻炼学生的思维能力和理解能力。任务2.则是通过学生自我对人工智能问答机器人的几个模块的基本理解，自由发挥、创造人工智能问答机器人的基本系统组成，达到培养孩子的创新能力。

四、知识总结

1.人工智能概念

人工智能是计算机科学的一个分支，是研究计算机模拟人的某些感知能力、思维过程和智能行为（如学习、推理、思考、规划等）的学科。

2.领域知识问答机器人系统基本组成示例

五、教学反思

本节课的教学是在信息技术学科即将换用新教材的背景下，对新教材背景下上课模式的一种探索。信息技术新课标中采取项目教学的方式，强调对学生的计算思维、信息意识的培养。由于对项目教学的理解度不深，因此本节课并未采用项目教学的方式，而是采用了与项目教学形式较为接近的任务驱动、分小组自我探索为主教师讲授为辅的教学方式。在这一过程中也遇到了以下几个问题，总结了几点建议。

1.教学前期铺垫不足，学生对相关术语理解不清晰。在日常的学习生活中，学生虽然接触过人工智能的有关产品，但是对人工智能的概念却不够理解。在智能机器人、机器学习、深度学习等人工智能方面的知识点掌握较少。

因此在上本节课之前，教师可先整理与人工智能有关的知识，分发给学生，让学生提前阅读。

2.部分学生信息获取能力有待提高。在小组探索中，虽然教师对其相关任务进行了分配，但是在还是有部分小组，由于学生自身能力问题，在上网搜索资料时的完成度也不相同。不同小组有的小组搜索内容较快，有的小组较慢。同一小组中有组员出现检索不到资料现象。

对于这一问题，教师在上本节课之前，可以单独讲解信息的获取，提升学生信息获取的能力。同时在对小组进行分工时，要提前了解学生能力，分组时注意组员能力均衡。

3.教师讲解过多，未真正做到学生为主。对于领域知识问答机器人虽然学生进行了相关资料的搜索，但是很多专业术语学生仍不理解，因此教师花费了大部分时间进行了讲解。

因此在讲解这一部分内容时，教师在对对定义、专业术语进行解读的同时，也要注重对学生理解能力的培养。对于相关知识点，教师可采取类比的方式，引导、启发学生去理解。