5 класс · Урок 15 из 17 · 45 минут
Как из наблюдений получить прогноз для нового случая. Ученики построят модель времени сборки, проверят её отдельной записью и предложат межпредметную исследовательскую лабораторию.
Содержание урока
01. Цель урока
Научиться строить простую модель по данным, проверять прогноз новым наблюдением и объяснять роль искусственного интеллекта в исследовании.
К концу урока ученики смогут:
- различать объект, данные, модель и прогноз;
- выбирать вход, результат и условия применения модели;
- сравнивать прогноз с отдельной проверочной записью;
- объяснять роль искусственного интеллекта и нескольких наук в одном исследовании;
- предлагать межпредметный проект и оценивать вклад участников группы.
02. Ход урока
| Этап | Мин | Учитель | Ученики |
|---|---|---|---|
| 1. Для какого вопроса нужна модель | 5 | Разбирает назначение схемы | Определяют, на какой вопрос она отвечает |
| 2. Из чего строится модель | 9 | Объясняет модель и разделение данных | Выбирают вход, результат и условия |
| 3. Прогноз и независимая проверка | 12 | Выдаёт проверку после прогноза | Строят правило и объясняют расхождение |
| 4. Почему науки работают вместе | 10 | Рассказывает научный случай и ведёт проектирование | Проектируют лабораторию и обсуждают вариант помощника |
| 5. Когда модели можно доверять | 9 | Организует перенос знаний и оценку работы | Обосновывают границы модели и вклад группы |
| Итого | 45 |
03. Этап 1. Для какого вопроса нужна модель 5 минут
Говорим ученикам
В прошлом уроке мы делали вывод по уже собранным наблюдениям. Теперь попробуем ответить на вопрос о новом случае, которого в таблице ещё нет. Для этого нужна модель: она выделяет важные связи и позволяет получить прогноз. Затем прогноз нужно сравнить с отдельным наблюдением, которое не использовали при построении.
Маршрут без расстояний
Школьник рассматривает схему поездки: остановки на ней соединены одинаковыми отрезками. Он хочет линейкой сравнить, какой участок пути займёт больше времени. Одноклассница замечает, что схема показывает прежде всего порядок остановок и пересадки. Чего не хватает для расчёта времени?
Для учителя
Нужны данные о времени движения или подходящая модель скорости и расстояния. По длине условных линий это определить нельзя, если схема не обещает передавать расстояния в масштабе. Сама схема полезна для другой задачи: увидеть порядок остановок и пересадки. Не называйте любую упрощённую схему плохой только потому, что она не решает все вопросы.
Говорим ученикам
Модель сохраняет то, что важно для определённой задачи. Схема маршрута помогает выбрать пересадку, но может не передавать расстояния. Для расчёта времени потребуется другое представление и другие данные. Поэтому качество модели оценивают вместе с вопросом, на который она должна ответить.
04. Этап 2. Из чего строится модель 9 минут
Говорим ученикам
Модель — упрощённое представление объекта, процесса или связи. Ею может быть материальный макет, рисунок, таблица, математическое правило или компьютерная программа. Моделирование — создание и использование такого представления. Оно позволяет изучать объект, не воспроизводя сразу все его свойства.
Чтобы построить модель по данным, сначала выбирают, что дано и что нужно получить. Например, число деталей известно, а время сборки нужно оценить. Затем ищут правило, которое согласуется с наблюдениями. Нельзя проверить новый прогноз только тем, что правило подошло к тем же строкам: эти строки уже помогли его выбрать.
Предположения модели задают условия её применения. Число работников, материал и способ сборки могут влиять на время. Если изменить эти условия, прежняя связь может перестать подходить. Иногда достаточно обновить входные данные, а иногда приходится менять само правило.
Обученная модель искусственного интеллекта тоже использует зависимости, найденные на примерах. Она может учитывать много признаков и сложные связи. Наше простое правило мы построим сами, поэтому оно ещё не является искусственным интеллектом. Но на нём хорошо видно, зачем нужны отдельная проверка и границы применения.
Данные для построения
Помогают выбрать правило и его настройки.
Новые данные для проверки
Показывают, как правило работает на случае, который не помогал его подобрать.
Задание 1. Выберите вход и результат
Группа собирает бумажные гирлянды для праздника. Нужно оценить время сборки другой длины. Назовите величину, которую изменяет заказ, искомый результат и два условия, которые пока стоит сохранить одинаковыми.
Для учителя
Вход — число бумажных колец, результат — время сборки. Условия: тот же материал и крепление, одинаковое число работников, тот же порядок работы и подготовка. Допустимы другие существенные условия. Слова «нужны все данные» без указания того, как они связаны с задачей, недостаточны.
Говорим ученикам
Мы выбрали число колец как вход, а время — как результат. Остальные условия решили пока не менять, чтобы начать с простой связи. Это не означает, что они никогда не важны. Их изменение станет поводом проверить модель заново.
05. Этап 3. Прогноз и независимая проверка 12 минут
Говорим ученикам
В учебном журнале время отсчитывали от начала подготовки до готовой гирлянды. Работали вдвоём, с одинаковыми бумажными полосками и креплениями. Значения придуманы для задачи, а не получены на сегодняшнем уроке. Сначала используем только три записи, а проверочную откроем после прогноза.
Задание 2. Постройте и испытайте правило
| Число колец | Время, минут |
|---|---|
| 5 | 4 |
| 10 | 6 |
| 15 | 8 |
- Найдите простое правило изменения времени. Проверьте его на всех трёх строках.
- Запишите прогноз для 20 колец и условия, при которых вы собираетесь его применять. До просмотра новой записи сохраните свой ответ.
- Откройте проверочную запись у учителя. Сравните прогноз и наблюдение; укажите разницу.
- Объясните, какую часть процесса не учло правило. Предложите следующую проверку, прежде чем обещать время для большой гирлянды.
Результат: правило, прогноз, сравнение с новой записью и план уточнения.
Для учителя
При добавлении пяти колец время увеличивается на две минуты. Простое согласованное правило: две минуты на подготовку и по две минуты на каждые пять колец. Для 20 колец получается 2 + 2 × 4 = 10 минут. Это выбранная простая модель; три строки не доказывают, что другого подходящего правила не существует.
Проверочная запись: 20 колец собрали за 11 минут. В журнале отмечено, что перед последними пятью кольцами закончились подготовленные крепления; новый комплект открывали одну минуту. Прогноз меньше наблюдения на одну минуту. Ошибка объясняется не учтённой в правиле остановкой. Она не является выдуманным ответом какой-либо нейросети: ученики сравнивают своё правило с заданным учебным журналом.
Следующая проверка: собрать новую гирлянду, записав подготовку, собственно сборку и замены материалов отдельно; указать запас креплений. Подходит и сравнение нескольких повторений при одинаковом запасе. Нельзя просто прибавить минуту ко всем будущим заказам: в них комплект может не закончиться. Новое число нельзя объявлять измерением, если его только рассчитали.
Говорим ученикам
Прогноз был записан раньше, чем мы увидели проверку. Поэтому разницу нельзя скрыть подбором ответа задним числом. Дополнительная минута связана с конкретной остановкой, которую журнал описал отдельно. Модель полезна, если понятны её предположения и способ проверить их на новых данных.
06. Этап 4. Почему науки работают вместе 10 минут
Говорим ученикам
В современной науке одни задачи требуют знаний сразу из нескольких областей. Такие исследования называют междисциплинарными. Биолог может поставить вопрос о живом организме, математик — предложить способ описания, а специалист по вычислениям — построить программу анализа. Искусственный интеллект помогает обрабатывать примеры и проверять варианты, но не заменяет знание того, что исследуют.
Белки — молекулы живых организмов, которые выполняют разные задачи в клетках. Их пространственная форма важна для работы. Учёным интересно, как получить сведения о форме по последовательности частей молекулы. Это связывает биологию, химию, математику и информатику.
Реальный случай: модель формы белка
Говорим ученикам
9 октября 2024 года Королевская шведская академия наук объявила, что Демис Хассабис и Джон Джампер получают долю Нобелевской премии по химии за предсказание структуры белков. Они представили модель AlphaFold2 в 2020 году. Она помогает предсказывать пространственную структуру по последовательности аминокислот — частей, из которых построен белок. Компьютер здесь предлагает научную модель сложного объекта, а не создаёт сам белок в пробирке.
Задание 3. Предложите межпредметную лабораторию
В группе придумайте учебную лабораторию будущего на стыке двух или трёх предметов. Укажите один исследовательский вопрос, нужные данные, возможную помощь искусственного интеллекта и способ проверить результат. Название лаборатории пока является вашим предложением, а не названием существующей науки.
Учитель может запросить у языковой модели один дополнительный вариант по условиям группы. Сравните его с вашим: что удалось уточнить, а что осталось красивым названием без проверяемой задачи?
Для учителя
Подходит, например, лаборатория «Город и тень»: география, математика и информатика; вопрос о затенении площадки в разное время; данные о времени, положении объектов и границах тени; модель помогает сравнивать варианты; проверка — новые наблюдения в выбранные часы. Это возможный проект, а не готовое научное открытие. Засчитывайте другие темы, если названы вопрос, данные, помощь модели и проверка.
Если используется языковая модель, сохраняйте фактический вариант и оценивайте его по тем же условиям. Если её нет, группы сравнивают проекты друг друга и отмечают, что запуска программы не было. История AlphaFold2 подтверждает возможность междисциплинарной работы, но не гарантирует успех любого предложенного проекта.
Говорим ученикам
Соединить названия предметов недостаточно. Межпредметной работе нужны общий вопрос, данные и понятная проверка. Помощник может предложить направление, но группа должна объяснить, как проверить его пользу. Иначе мы получили только название, а не план исследования.
07. Этап 5. Когда модели можно доверять 9 минут
Говорим ученикам
Мы использовали простое правило и увидели, что оно зависит от условий работы. Затем рассмотрели научную модель, которую нельзя свести к одной арифметической строке. В обоих случаях важны назначение, исходные данные и проверка. Теперь обсудим, как оценить модель и работу своей группы.
Итоговые вопросы и обсуждение
- Для 20 колец правило дало 10 минут. Почему это прогноз, а не измерение?
- Почему новая запись для проверки полезнее, чем повторный пересчёт трёх исходных строк?
- После остановки на одну минуту предложили прибавлять минуту к любому заказу. Какие сведения нужны для оценки этого предложения?
- Чем моделирование помогает научному исследованию и почему не каждая модель является искусственным интеллектом?
- Какие роли были в вашей группе? Назовите одно решение, которое удалось улучшить благодаря замечанию другого участника.
Для учителя
1. Результат вычислили по правилу до наблюдения. 2. Исходные строки уже использовали для выбора; новая проверка показывает перенос. 3. Нужны сведения о запасе и заменах материалов, а также новые наблюдения; остановка не обязательна в каждом заказе. 4. Модель позволяет исследовать важные связи и прогнозировать; простое правило может быть задано человеком без обучения. 5. Оценивается конкретный вклад в вопрос, расчёт, проверку или обсуждение, а не общее «все работали хорошо».
Говорим ученикам
Модель отвечает на определённый вопрос и оставляет часть мира за пределами расчёта. Проверка показывает, когда это упрощение допустимо и когда его нужно изменить. Искусственный интеллект расширяет возможности моделирования, но не отменяет сравнение с наблюдением. В следующем уроке проверим, помогает ли он уже нам самим учиться, а не только получать готовый ответ.