人工智能預(yù)測(cè)出行

盛玉嬌

蘑菇云資深課程設(shè)計(jì)工程師，開(kāi)發(fā)《掌控板入門教程》《掌控板進(jìn)階教程》等科創(chuàng)類教程教材百余篇，收獲超10萬(wàn)瀏覽量，曾榮獲第一屆掌控板教學(xué)應(yīng)用設(shè)計(jì)大賽三等獎(jiǎng)。

學(xué)習(xí)背景

人工智能正在對(duì)人們的學(xué)習(xí)、生活與工作，特別是解決問(wèn)題的思維方式產(chǎn)生深刻影響。教師可以引導(dǎo)學(xué)生從生活中感興趣的問(wèn)題出發(fā)設(shè)計(jì)活動(dòng)，如在不同天氣條件下，預(yù)測(cè)其他學(xué)生會(huì)選擇何種交通工具來(lái)到學(xué)校；如何選擇通過(guò)多種方式收集到的多組數(shù)據(jù)，建構(gòu)多維度數(shù)據(jù)集，初步運(yùn)用人工智能方式對(duì)同伴出行的交通工具進(jìn)行預(yù)測(cè)。

本項(xiàng)目可滿足新課標(biāo)中“人工智能與智慧社會(huì)”內(nèi)容要求，結(jié)合新課標(biāo)中的跨學(xué)科主題“人工智能預(yù)測(cè)出行”，體現(xiàn)用數(shù)據(jù)集結(jié)合人工智能算法解決出行問(wèn)題的一般過(guò)程。

教學(xué)目標(biāo)

1.通過(guò)認(rèn)識(shí)身邊的人工智能應(yīng)用，體會(huì)人工智能技術(shù)正在幫助人們以更便捷的方式投入學(xué)習(xí)、生活和工作中，感受人工智能技術(shù)的發(fā)展給人類社會(huì)帶來(lái)的深刻影響。2.通過(guò)分析典型的人工智能應(yīng)用場(chǎng)景，了解人工智能的基本特征及所依賴的數(shù)據(jù)、算法和算力三大技術(shù)基礎(chǔ)。3.初步了解人工智能中機(jī)器學(xué)習(xí)的實(shí)現(xiàn)方式。

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn) 能夠使用傳感器采集數(shù)據(jù)并制作數(shù)據(jù)集，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法中的貝葉斯算法訓(xùn)練出模型。

教學(xué)難點(diǎn) 能理解機(jī)器學(xué)習(xí)算法的原理。

教學(xué)過(guò)程

一、項(xiàng)目簡(jiǎn)介

人工智能是研究和開(kāi)發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)。本項(xiàng)目將介紹人工智能的基本概念和術(shù)語(yǔ)，通過(guò)生活中的人工智能應(yīng)用，帶領(lǐng)大家理解人工智能的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)和能力邊界，了解人工智能與社會(huì)的關(guān)系，以及發(fā)展人工智能應(yīng)遵循的倫理道德規(guī)范。

在“人工智能預(yù)測(cè)出行”項(xiàng)目中，學(xué)生將根據(jù)出行的歷史數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、光照、是否下雨、出行方式，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練模型，最后根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)合適的出行方式。項(xiàng)目中的主控器為行空板，連接溫濕度傳感器和水分傳感器，實(shí)現(xiàn)模型訓(xùn)練和出行預(yù)測(cè)，通過(guò)行空板屏幕，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和交互流程。

二、項(xiàng)目所需硬件介紹

在“人工智能預(yù)測(cè)出行”項(xiàng)目中，學(xué)生學(xué)會(huì)使用主控器結(jié)合傳感器，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目功能。主控器為行空板，傳感器為溫濕度傳感器和水分傳感器。

三、項(xiàng)目硬件接線

“人工智能預(yù)測(cè)出行”項(xiàng)目的硬件接線原理圖如圖1。使用3pin硅膠絞線，將溫濕度傳感器接到行空板的P21引腳，將水分傳感器接到行空板的P24引腳。

參考接線實(shí)物圖如圖2。

四、項(xiàng)目流程圖

教師讓學(xué)生在編寫(xiě)程序前，共同討論并梳理出項(xiàng)目流程圖，以便更好地理解和編寫(xiě)程序。在“人工智能預(yù)測(cè)出行”項(xiàng)目中，需要經(jīng)歷訓(xùn)練、預(yù)測(cè)兩個(gè)過(guò)程。

在訓(xùn)練過(guò)程中，行空板屏幕上顯示出行數(shù)據(jù)集，點(diǎn)擊屏幕上的“訓(xùn)練”按鈕，即可開(kāi)始訓(xùn)練；訓(xùn)練完成后，點(diǎn)擊屏幕上的“預(yù)測(cè)”按鈕，即可進(jìn)入“預(yù)測(cè)”過(guò)程，此時(shí)行空板屏幕上會(huì)實(shí)時(shí)顯示傳感器數(shù)據(jù)，并根據(jù)傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，輸出預(yù)測(cè)出行結(jié)果。根據(jù)上述分析，項(xiàng)目系統(tǒng)功能流程圖如圖3。

五、項(xiàng)目程序編寫(xiě)

教師分析總結(jié)完流程圖后，學(xué)生們可以著手編寫(xiě)程序。在編寫(xiě)程序過(guò)程前，教師對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行進(jìn)一步的功能細(xì)化。本項(xiàng)目可分解為以下三個(gè)功能。

功能一：制作出行數(shù)據(jù)集

使用溫濕度傳感器收集溫度、濕度數(shù)據(jù)；使用行空板上自帶的光線傳感器采集光照數(shù)據(jù)；使用水分傳感器采集下雨（雨滴）數(shù)據(jù)，采集出行方式數(shù)據(jù)，包括自行車出行、汽車出行等。

功能二：訓(xùn)練出行模型

將采集到的數(shù)據(jù)整理為數(shù)據(jù)集，對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)清洗。將清洗的數(shù)據(jù)集放入貝葉斯算法中，借助貝葉斯算法將采集到的溫度、濕度、光照、是否下雨、出行方式相關(guān)數(shù)據(jù)集訓(xùn)練成模型，讓學(xué)生明確感知數(shù)據(jù)的重要性，進(jìn)一步了解人工智能的基本特征及所依賴的數(shù)據(jù)、算法、算例的三大技術(shù)基礎(chǔ)，以及貝葉斯算法的原理和作用。

功能三：預(yù)測(cè)出行方式

通過(guò)實(shí)時(shí)采集溫度、濕度、光照、是否下雨四種數(shù)據(jù)結(jié)合生成的模型來(lái)預(yù)測(cè)出行方式，通過(guò)實(shí)時(shí)的環(huán)境數(shù)據(jù)，根據(jù)模型文件，也能預(yù)測(cè)當(dāng)天的出行方式；最后通過(guò)行空板界面告知預(yù)測(cè)結(jié)果。這樣能使學(xué)生掌握人工智能中預(yù)測(cè)結(jié)果的實(shí)現(xiàn)方式，也能讓學(xué)生深切感受和對(duì)比計(jì)算機(jī)傳統(tǒng)方法和人工智能方法處理同類問(wèn)題的不同效果。接下來(lái)，根據(jù)流程圖和項(xiàng)目細(xì)化功能，學(xué)生們編寫(xiě)程序，逐步實(shí)現(xiàn)上面功能。部分參考程序如圖4。

（注意：如需下載完整項(xiàng)目程序，請(qǐng)?jiān)L問(wèn) https：//mp.weixin.qq.com/s/81-UQ4DtwGeXlX6VIhEk7w）

六、運(yùn)行效果

運(yùn)行程序，行空板界面如圖5，點(diǎn)擊“訓(xùn)練”即可開(kāi)始訓(xùn)練模型。訓(xùn)練完成后，點(diǎn)擊“預(yù)測(cè)”，行空板界面切換為如圖6，在行空板屏幕上會(huì)顯示傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和出行方式預(yù)測(cè)結(jié)果。

七、項(xiàng)目原理分析

“人工智能預(yù)測(cè)出行”項(xiàng)目使用了人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)算法中的貝葉斯算法，其算法實(shí)現(xiàn)流程如圖7。

貝葉斯算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：首先將歷史出行數(shù)據(jù)集，包括出行溫度、濕度、光照、是否下雨、出行方式的表格數(shù)據(jù)，利用貝葉斯算法訓(xùn)練成模型。然后，將傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)的數(shù)據(jù)，輸入到模型中。最后，模型輸出出行預(yù)測(cè)結(jié)果。

八、項(xiàng)目知識(shí)點(diǎn)回顧

“人工智能預(yù)測(cè)出行”項(xiàng)目核心知識(shí)點(diǎn)：1.了解項(xiàng)目中所依賴的數(shù)據(jù)、算法和算力。2.初步了解機(jī)器學(xué)習(xí)算法中貝葉斯算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，即先將歷史出行數(shù)據(jù)放到算法中，訓(xùn)練成模型，然后將傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)輸入模型中，最后模型輸出預(yù)測(cè)的出行方式。3.通過(guò)人工智能預(yù)測(cè)的出行案例，對(duì)比計(jì)算機(jī)傳統(tǒng)方法和人工智能方法處理同類問(wèn)題的效果。4.通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，讓學(xué)生明確感知到數(shù)據(jù)的重要性，數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)完善的數(shù)據(jù)集能夠得到更好的效果，學(xué)習(xí)并了解貝葉斯算法的原理和作用。

教學(xué)總結(jié)

本節(jié)課涉及跨學(xué)科融合，綜合運(yùn)用了信息科技、數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物等學(xué)科知識(shí)。項(xiàng)目設(shè)計(jì)貼近學(xué)生生活，并能遷移到其他更多相似的場(chǎng)景應(yīng)用中。

本項(xiàng)目綜合難度較高，建議在教學(xué)過(guò)程中，作為綜合項(xiàng)目，分成多節(jié)課來(lái)完成，幫助學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)身邊的人工智能應(yīng)用，理解人工智能技術(shù)，了解人工智能中機(jī)器學(xué)習(xí)的實(shí)現(xiàn)方式。