Lezione 5 - Modelli di classificazione

Discussione: quanti colori ci sono nell'immagine qui sotto? Prova a trovare il «giallo». Da dove inizia? Dove finisce?

Consenti agli studenti di condividere le proprie idee con un compagno prima di condividerle con tutta la classe. Gli studenti avranno probabilmente opinioni diverse su dove «inizia» e «si ferma» il giallo: incoraggia diversi studenti a condividere le loro descrizioni. È normale non raggiungere un consenso: lo scopo principale della discussione è motivare la seguente richiesta.

Discussione: se potessi insegnare a un computer a separare i colori, come lo faresti?

Chiedi ad alcuni studenti di condividere le proprie idee con la classe, basandosi sul linguaggio che hanno usato nell'ultima discussione. Non esiste una risposta giusta: è più importante che gli studenti producano idee e si esercitino a descrivere un processo su un computer.

Glossario: mostra la diapositiva con il glossario di oggi:

• Classificazione: previsione di una categoria in base ad altre caratteristiche.
• Dati categoriali: dati che possono essere suddivisi in gruppi o categorie.

I colori sono un esempio di dati categoriali, il che significa che possono essere raggruppati in diverse categorie come «giallo» o «verde» o «blu». Quando chiediamo a un computer di guardare un colore e di dirci di cosa si tratta, chiediamo al computer di classificare a quale colore appartiene. La classificazione è qualcosa che impariamo a fare con i nostri sensi, ma ai computer deve essere insegnato a farlo. Oggi studieremo come i computer possono utilizzare la classificazione per risolvere i problemi. Inizieremo con un semplice esempio: determinare se qualcosa è un frutto o una verdura.

Domanda del giorno: in che modo i computer imparano a classificare i dati?

Discussione: ipotizziamo che tu vada a casa di amici e che loro preparino un pasto che non hai mai mangiato prima, quindi non sei sicuro se ti piacerà o non ti piacerà. Quali sono le qualità che cerchi negli alimenti che pensi ti aiutino a decidere se ti piaceranno o meno?

Obiettivo della discussione: questa discussione aiuta a seminare idee sulle quali torneremo nel prosieguo della lezione. L'obiettivo è raccogliere il maggior numero di qualità alimentari che gli studenti possano immaginare. Alcuni esempi potrebbero includere:

• quanto è dolce il cibo
• di che colore è il cibo
• se è caldo o freddo
• se è croccante o pastoso
• quanto è piccante il cibo

Potrebbe essere utile condividere alcune delle tue risposte per iniziare subito la conversazione con gli studenti.

Questa è un'ottima lista! Fondamentalmente abbiamo evidenziato diverse caratteristiche del cibo, aspetti che possiamo usare per prendere decisioni. Oggi vedremo se possiamo insegnare a un computer a decidere se un alimento è frutta o verdura. Per ora, ci concentreremo solo su due caratteristiche: quanto è dolce il cibo e quanto è facile da mangiare. Abbiamo anche 20 alimenti che possiamo usare per addestrare il computer a capire la differenza tra frutta e verdura.

Distribuisci una copia del foglio di lavoro di frutta o verdura a ogni studente. Distribuisci un insieme di carte con frutta e verdura a ciascun gruppo di studenti. Se possibile, fai ritagliare le carte in anticipo per facilitarne la condivisione tra gli studenti dello stesso gruppo.

Crea un grafico di classe: se l'aula dispone di spazio sufficiente, ti consigliamo di adattare questa attività in modo da farla completare fisicamente dall'intera classe in una sorta di grafico creato sul pavimento dell'aula. Il flusso dell'attività rimane lo stesso, tranne per il fatto che ogni studente prende una carta e si trova fisicamente nel punto consigliato sul grafico. La classe decide quindi come usare una corda per dividere gli studenti in gruppi di «frutta» e «verdura». Gli eventuali studenti rimasti assumono quindi il ruolo degli alimenti «di prova» e vedono come sarebbero classificati come frutta o verdura.

Mostra agli studenti le istruzioni per questa attività e illustrale insieme a loro. Fai notare che gli studenti dovranno utilizzare le schede alimentari per creare i punti sui loro grafici.

Illustrazione: rappresenta sul grafico almeno un frutto o una verdura. Sottolinea che gli studenti possono utilizzare i valori consigliati oppure possono usare il proprio giudizio per valutare quanto sia dolce e facile da mangiare un alimento: questo aiuta a creare grafici leggermente diversi che possono essere confrontati nella parte successiva dell'attività.

Abilità grafiche: considera questa un'opportunità per rafforzare le abilità che gli studenti stanno imparando durante le lezioni di matematica e fai attenzione a non dare per scontato che gli studenti abbiano già confidenza con i punti grafici. Puoi decidere di modellare diversi punti per aiutare gli studenti a rappresentare graficamente i loro punti e puoi incoraggiarli a usare le etichette sui grafici per aiutarli a posizionare i loro punti.

Girando tra i banchi: monitora gli studenti mentre segnano i loro punti. Per la frutta e la verdura che gli studenti hanno già mangiato, incoraggiali a prendere le proprie decisioni su quanto siano «dolci» e «facili da mangiare» i cibi. Se uno studente non ha mai sentito parlare prima di quel cibo, incoraggialo a utilizzare invece i valori consigliati.

Mostra agli studenti il grafico di esempio che si ottiene utilizzando solo i valori consigliati. Fai notare che sembra che frutta e verdura sembrino raggrupparsi naturalmente. Chiedi agli studenti di alzare la mano se nei grafici sono raggruppate anche frutta e verdura.

Gruppi imperfetti: poiché gli studenti hanno la possibilità di esercitare il proprio giudizio su dove posizionare la frutta, possono finire in una situazione in cui alcuni cibi vengono mescolati con il gruppo opposto. Questo va bene e riflette ciò che accade nel mondo reale, dove a volte i dati sono disordinati e non possono essere perfettamente separati.

Sembra che abbiamo scelto due caratteristiche davvero perfette su cui concentrarci: stiamo facendo un ottimo lavoro nel separare i nostri cibi in frutta e verdura. Questo è davvero ottimo per un computer: se vuole determinare se un alimento è un frutto o una verdura, deve solo vedere dove si trova sul grafico! Tuttavia, le cose si fanno un po' complicate a metà del grafico, quindi dobbiamo prendere una decisione: come possiamo dividere il nostro grafico tra un lato di frutta o un lato di verdure

Illustrazione: mostra nella diapositiva come ci sono molte linee diverse che potresti disegnare che separano il grafico in un lato di frutta e uno di verdura. I fattori più importanti da considerare sono che hai più frutta possibile da un lato e quante più verdure possibile dall'altro. Come classe, decidete una linea da utilizzare per dividere il grafico di esempio sulle diapositive e disegnarlo.

Fai questo: chiedi agli studenti di tracciare la propria linea per dividere il grafico in un lato di frutta e uno di verdura.

Congratulazioni! abbiamo appena creato un modello che possiamo usare per aiutare un computer a prendere una decisione! Quando un computer vede un nuovo alimento, traccia un nuovo punto sul grafico e lo usa per decidere se si tratta di frutta o verdura. Vediamo come se la cavano i nostri modelli con alcuni alimenti di prova!

Questa attività simula l'algoritmo di apprendimento automatico Macchine a vettori di supporto (SVM dall'inglese Support Vector Machine) per fare previsioni basate sui dati. Questo algoritmo si concentra sulla separazione dei dati massimizzando il margine di separazione.

Se desideri saperne di più su SVM e altri algoritmi di apprendimento automatico, ml-playground.com offre un componente interattivo e collegamenti a risorse aggiuntive. Questo sito Web è destinato agli adulti che desiderano saperne di più sull'apprendimento automatico, soprattutto considerando la quantità di matematica necessaria, quindi non è consigliabile condividerlo con gli studenti.

Mostra: le diapositive successive contengono diversi alimenti da verificare rispetto al modello. Questi esempi sono stati progettati per motivare determinate conversazioni. Chiedi agli studenti di tenere traccia di quanti esempi i loro modelli risultano corretti e errati.

Mostra - Lampone e zucca: questi due esempi sono stati progettati per soddisfare le aspettative del modello. I modelli della maggior parte degli studenti dovrebbero identificare correttamente il lampone come frutto e la zucca come verdura.

Mostra - Pomodoro e cetriolo: questi due esempi sono più ambigui e, anche in classe, gli studenti potrebbero non sapere se si tratta di frutta o verdura. Entrambi questi articoli sono tecnicamente frutti perché contengono semi, ma di solito vengono usati come verdure nella preparazione dei cibi. Chiedi alla classe di condividere come i loro modelli hanno classificato questi elementi, osservando che gli studenti potrebbero avere risposte diverse a seconda di come hanno tracciato le linee.

Là sulla linea: a seconda di come i tuoi studenti disegnano le linee, potrebbero avere una situazione in cui un frutto di prova è esattamente sulla linea che hanno tracciato. Se ciò accade, ricorda agli studenti che il modello deve prendere una decisione, quindi devono elaborare una propria regola per ciò che accade quando un punto finisce dritto sulla linea: è sempre un frutto? O sempre una verdura?

Discussione: senza leggere il documento di nessun altro, perché pensi che alcune persone abbiano ricevuto risposte diverse da altre?

Obiettivo della discussione: gli studenti devono rendersi conto che il modo in cui hanno deciso di tracciare la loro linea influisce sulla decisione presa dal loro modello. Puoi modellarlo alla lavagna con il grafico di esempio sulle diapositive: se la linea diventa leggermente più inclinata o diventa completamente verticale, può cambiare il modo in cui alcuni alimenti sono classificati. Sottolinea che questo è il motivo per cui le attività di verifica sono importanti: aiutano a garantire che le decisioni che stiamo prendendo siano corrette.

Mostra - Limone e patata dolce: questi due esempi sono intenzionalmente progettati per essere errati. Gli studenti probabilmente classificheranno erroneamente questi due articoli: il loro modello penserà che un limone sia una verdura e che una patata dolce sia un frutto.

La maggior parte dei modelli probabilmente riceverà questa risposta errata, il che significa che i nostri alimenti sono stati classificati erroneamente. Questo accade anche nella vita reale: a volte i modelli commettono errori e ottengono risposte errate. Per qualcosa come classificare frutta e verdura, potrebbe non essere un grosso problema. Ma se invece prendessimo decisioni sulle persone, questo potrebbe essere davvero un grosso problema. Ecco perché il collaudo è così importante per operare una verifica: dobbiamo assicurarci che i nostri modelli funzionino bene prima di lasciare che siano loro a prendere decisioni per noi.

Mostra - Gelato e patatine fritte piccanti: questi due esempi sono volutamente stupidi e divertenti, e dovresti fare attenzione a come il modello probabilmente classificherà il gelato come frutta e le patatine fritte come verdura.

Penso che siamo tutti d'accordo che questi esempi siano piuttosto stupidi. Sono un esempio di utilizzo di un modello per qualcosa di diverso da quello per cui è stato progettato. Poiché abbiamo addestrato il nostro modello solo su frutta e verdura, non funziona molto bene su altri tipi di alimenti. Se volessimo migliorare il nostro modello, probabilmente avremmo bisogno di molti più dati e di molte più caratteristiche, oltre alla dolcezza e alla facilità di consumo dei cibi. Questo diventa molto più difficile da capire per noi umani e non potremmo più usare i nostri strumenti di precisione. Fortunatamente, i computer possono aiutarci in questo! Domani vedremo come un computer può esaminare molti dati e molte caratteristiche per aiutare a prendere decisioni

Discussione: se dovessi analizzare il processo che abbiamo seguito oggi per creare un modello e utilizzarlo in fasi da seguire per un computer, come descriveresti questi passaggi?

Obiettivo della discussione: questa discussione collega la lezione di oggi a quella di domani, dove un computer eseguirà la maggior parte di questo lavoro dietro le quinte. Leggi le risposte degli studenti per vedere quanto bene hanno compreso il processo odierno. Le risposte potrebbero essere semplici come:

• Rappresentare graficamente i dati
• Traccia una linea per separarli in zone
• Quando arrivano nuovi dati, scopri in quale zona finiscono per prendere una decisione