2.2回歸算法教學(xué)設(shè)計(jì)人教-中圖版高中信息技術(shù)選擇性必修4

第2章人工智能技術(shù)基本原理2.2回歸算法教學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)背景信息科技是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的重要部分，主要研究以數(shù)字形式表達(dá)的信息及其應(yīng)用中的科學(xué)原理、思維方法、處理過(guò)程和工程實(shí)現(xiàn)。當(dāng)代高速發(fā)展的信息科技對(duì)全球經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和文化發(fā)展起著越來(lái)越重要的作用。義務(wù)教育信息科技課程具有基礎(chǔ)性、實(shí)踐性和綜合性，為高中階段信息技術(shù)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。信息科技課程旨在培養(yǎng)科學(xué)精神和科技倫理，提升自主可控意識(shí)，培育社會(huì)主義核心價(jià)值觀，樹立總體國(guó)家安全觀，提升數(shù)字素養(yǎng)與技能。教材分析本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容選自人教/地圖出版社選擇性必修4人工智能初步第2章人工智能技術(shù)基本原理2.2回歸算法。智能已成為人們生活的一部分，它到底隱藏著多少人工智能的神奇“魔術(shù)”？智能助理和智能聊天等應(yīng)用，正顛覆著我們與的交互方式；新聞資訊、在線購(gòu)物等熱門應(yīng)用總在推送著適合我們的內(nèi)容；圖像識(shí)別智能應(yīng)用能夠識(shí)別圖像或現(xiàn)實(shí)中的人、風(fēng)景、地點(diǎn)，可幫助我們快速組織和檢索圖像;圖像處理軟件能對(duì)圖像進(jìn)行美化，打造個(gè)性化圖像；當(dāng)人們開車出行時(shí)，可以使用導(dǎo)航軟件規(guī)劃最佳路線......中的智能應(yīng)用涉及許多人工智能技術(shù)，各類應(yīng)用的智能表現(xiàn)離不開“機(jī)器學(xué)習(xí)”。機(jī)器學(xué)習(xí)與人類學(xué)習(xí)不同，它需要收集大量數(shù)據(jù)或積累大量經(jīng)驗(yàn)。本章的核心是機(jī)器學(xué)習(xí)，涉及回歸、分類和聚類等算法，以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)等概念和理論。在本章的學(xué)習(xí)中，我們將以“智能技術(shù)初體驗(yàn)”為主題，開展項(xiàng)目活動(dòng)，探索應(yīng)用中的人工智能技術(shù)，領(lǐng)略技術(shù)背后人工智能算法的魅力，進(jìn)而學(xué)習(xí)人工智能技術(shù)的基本原理。教學(xué)目標(biāo)1.通過(guò)剖析案例，了解回歸算法的基本原理，能舉例說(shuō)明回歸算法的應(yīng)用場(chǎng)景。2.掌握線性回歸問(wèn)題的兩種求解方法，能應(yīng)用求解方法解決實(shí)際問(wèn)題。教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn):通過(guò)剖析案例，了解回歸算法的基本原理，能舉例說(shuō)明回歸算法的應(yīng)用場(chǎng)景。教學(xué)難點(diǎn):掌握線性回歸問(wèn)題的兩種求解方法，能應(yīng)用求解方法解決實(shí)際問(wèn)題。教學(xué)方法與教學(xué)手段案例分析法、講授法、任務(wù)驅(qū)動(dòng)法。教學(xué)過(guò)程問(wèn)題導(dǎo)入體驗(yàn)探索智能里的預(yù)測(cè)功能生活中，人們往往需要依據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)或數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)一些事情的發(fā)展趨勢(shì)，智能也提供了一些有預(yù)測(cè)功能的應(yīng)用程序。例如，天氣類應(yīng)用程序會(huì)依據(jù)近期天氣數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)降水量等天氣情況，指導(dǎo)人們出行，有些預(yù)測(cè)在時(shí)間上甚至能精確到小時(shí)；地圖類應(yīng)用程序除了能幫助我們規(guī)劃出行線路外，還能根據(jù)實(shí)時(shí)路況預(yù)測(cè)行程需要花費(fèi)的大概時(shí)間，如圖2.2.1（參見(jiàn)教材P37）所示；旅行類應(yīng)用程序會(huì)預(yù)測(cè)部分景區(qū)節(jié)假日的熱門指數(shù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)，游客能制訂更加合理的出行計(jì)劃，景區(qū)也能制訂更合理的節(jié)假日預(yù)案，為游客提供更好的旅行體驗(yàn)。思考：查閱相關(guān)資料，看看還有哪些應(yīng)用程序能夠借助預(yù)測(cè)功能來(lái)提高我們的生活品質(zhì)?；貧w在學(xué)習(xí)中的應(yīng)用“回歸”這個(gè)詞看起來(lái)陌生，其實(shí)在物理實(shí)驗(yàn)中，同學(xué)們經(jīng)常借助回歸思想，來(lái)尋求事物運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)和規(guī)律。其中一個(gè)經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)就是借助打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和紙帶，來(lái)探究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律，如圖2.2.2（參見(jiàn)教材P38）所示。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，同學(xué)們可以基于實(shí)驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)來(lái)推斷數(shù)據(jù)之間蘊(yùn)含的關(guān)系。簡(jiǎn)單地說(shuō)，“回歸”就是一種由果索因的過(guò)程，即由大量事實(shí)所呈現(xiàn)的狀態(tài)，設(shè)法去推斷其形成的原因。實(shí)踐活動(dòng)借助電子表格軟件繪制實(shí)驗(yàn)圖像在“探究小車的運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間變化的規(guī)律”的實(shí)驗(yàn)中，獲得的一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2.2.1所示。表2.2.1小車的運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)t/s00.10.20.30.40.5v/(m·s1)0.380.630.881.111.381.62打開電子表格軟件（Excel或WPS），在相鄰的兩行中分別填入時(shí)間t和速度v的值，用鼠標(biāo)選中所有數(shù)據(jù)后，單擊“插入”菜單，選擇繪制一幅散點(diǎn)圖，得到如圖2.2.3（a）（參見(jiàn)教材P38）所示的散點(diǎn)圖。得到散點(diǎn)圖后，可以添加一條趨勢(shì)線來(lái)觀察這些點(diǎn)的分布特點(diǎn)。由于實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)幾乎分布在一條直線上，所以可以選擇“線性”類型的趨勢(shì)線，同時(shí)勾選在圖表上“顯示公式”和“顯示R平方值”選項(xiàng)，可得如圖2.2.3（b）（參見(jiàn)教材P38）所示的趨勢(shì)線，其中速度和時(shí)間的關(guān)系表達(dá)式為y=2.48x+0.38。R2值表示線性趨勢(shì)線對(duì)數(shù)據(jù)擬合的程度，R2越接近1，代表擬合的圖像越趨近于真實(shí)情況，預(yù)測(cè)效果越好。這個(gè)實(shí)驗(yàn)其實(shí)是在探究速度和時(shí)間兩個(gè)變量間的定量關(guān)系，確定速度y和時(shí)間x的關(guān)系式（y=2.48x+0.38）后，可以根據(jù)需要推測(cè)出時(shí)間為某一個(gè)數(shù)值時(shí)的速度大小。回歸算法一般用于確定兩種或兩種以上變量間的定量關(guān)系。按照自變量的數(shù)量多少，可以分為一元回歸和多元回歸；按照自變量和因變量之間的關(guān)系類型，可以分為線性回歸（圖2.2.4）（參見(jiàn)教材P39）和非線性回歸（圖2.2.5）（參見(jiàn)教材P39）。因變量和自變量之間的關(guān)系如果類似于一次函數(shù)，則屬于線性回歸問(wèn)題；如果類似于指數(shù)函數(shù)或?qū)?shù)函數(shù)等，則屬于非線性回歸問(wèn)題?；貧w分析一般適用于求解因變量是連續(xù)值的情況，而不適用于求解因變量是離散值的情況。如明天的氣溫、超市每天的銷售額、近期的房屋價(jià)格和股票走勢(shì)等適合用回歸分析法求解，而明天是否下雨、圖片中的動(dòng)物是小貓還是小狗等則屬于分類問(wèn)題?；貧w算法的一般流程回歸算法在學(xué)習(xí)中已得到廣泛應(yīng)用，在生活中的應(yīng)用也有很多，如可以用來(lái)預(yù)測(cè)近期的房屋價(jià)格、電影票房走勢(shì)及人口增長(zhǎng)趨勢(shì)等?；貧w算法的一般流程如圖2.2.6（參見(jiàn)教材P39）所示，下面將通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的一元線性回歸問(wèn)題來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。收集數(shù)據(jù)在放學(xué)的路上，小明收到了一份傳單，傳單中有一家新開業(yè)蛋糕店的蛋糕售價(jià)。表2.2.2所示為某種口味的蛋糕不同尺寸的售價(jià)。通過(guò)這組數(shù)據(jù)可以探索店鋪定價(jià)的奧秘。表2.2.2某種口味蛋糕尺寸與售價(jià)的關(guān)系蛋糕尺寸/英寸6891012價(jià)格/元4056697796（注：1英寸=2.54cm）訓(xùn)練算法根據(jù)收集的數(shù)據(jù)，編程求得蛋糕尺寸和價(jià)格兩個(gè)變量之間的定量關(guān)系。實(shí)踐活動(dòng)借助Python探索蛋糕價(jià)格的奧秘借助Python編程語(yǔ)言中的sklearn模塊來(lái)探索蛋糕尺寸和價(jià)格之間的關(guān)系，并以蛋糕尺寸為x軸，價(jià)格為y軸，通過(guò)matplotlib模塊繪制出擬合的圖像。得到蛋糕尺寸和價(jià)格之間的關(guān)系式及R2的值如下：y=［9.45］x+［17.45］R2=0.9960127147繪制出的圖像如圖2.2.7（參見(jiàn)教材P40）所示，其中紅色圓點(diǎn)為獲得的樣本數(shù)據(jù)的散點(diǎn)分布，綠色的直線為擬合出的趨勢(shì)線。查閱相關(guān)資料，學(xué)習(xí)sklearn模塊的用法，將上述訓(xùn)練數(shù)據(jù)的代碼補(bǔ)充完整。測(cè)試算法算法訓(xùn)練完成后，得到R2的值約為0.996，非常接近1，說(shuō)明得到的關(guān)系式效果較好。使用算法求得蛋糕尺寸和價(jià)格之間的關(guān)系后，如果給定一個(gè)新的蛋糕尺寸，就可以將尺寸的數(shù)值代入關(guān)系式中，計(jì)算出這一尺寸的蛋糕價(jià)格，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)蛋糕價(jià)格的功能。項(xiàng)目實(shí)施回歸算法助力學(xué)習(xí)類移動(dòng)應(yīng)用程序一、項(xiàng)目活動(dòng)基于上一節(jié)設(shè)計(jì)的智能學(xué)習(xí)類移動(dòng)應(yīng)用程序，結(jié)合本節(jié)所學(xué)內(nèi)容，進(jìn)行小組討論，完成一個(gè)基于回歸算法的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)方案。思考應(yīng)用程序每天會(huì)記錄用戶的哪些數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上可以作出什么樣的預(yù)測(cè)。例如，通過(guò)記錄用戶每天記過(guò)的單詞量，預(yù)測(cè)用戶未來(lái)可能完成的任務(wù)量，并依據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果推薦合適數(shù)量的單詞供用戶記憶。二、項(xiàng)目檢查進(jìn)一步完善上一節(jié)繪制的思維導(dǎo)圖，添加基于回歸算法的功能，并在班級(jí)內(nèi)進(jìn)行交流。課后作業(yè)1.生活中還有哪些問(wèn)題能夠使用回歸算法進(jìn)行分析？查閱相關(guān)資料，借助電子表格軟件得出因變量與自變量之間的關(guān)系。2.借助Python編程語(yǔ)言求解上面的問(wèn)題，對(duì)比兩種求解方式的優(yōu)劣。板書設(shè)計(jì)第2章人工智能技術(shù)基本原理