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教学设计
课程基本信息
学科
信息技术
年级
高二
学期
春季
课题
5.3人工智能安全
教科书
书名:信息技术选修性必修4-人工智能初步教材
出版社:浙江教育出版社出版日期:2019年12月
教学目标
1.学生能够理解人工智能安全的重要性,掌握算法的正确性和系统的可靠性。
2.学生能够识别并解释对抗样本及其对人工智能系统的影响。
3.学生能够了解并阐述信息安全在三元空间中的概念。
4.学生能够设计测试用例来验证人工智能算法的正确性。
5.学生能够通过实际操作,添加噪声生成对抗样本,观察其对AI模型的影响。
6.学生能够分析并讨论人工智能系统在实际应用中可能面临的安全隐患。
7.培养学生对于人工智能安全性的重视和责任感。
8.激发学生对人工智能安全领域的研究兴趣和探索精神。
教学内容
教学重点:
1.理解人工智能算法的正确性与可靠性的概念及其重要性。
2.对抗样本的概念及其对人工智能系统可靠性的影响。
3.实践操作生成对抗样本,观察模型变化。
4.信息安全在三元空间中的概念及其重要性。
教学难点:
1.理解程序正确性证明的形式化方法。
2.如何设计全面且有效的测试用例来验证人工智能算法的正确性。
3.分析并讨论人工智能系统在实际应用中可能面临的安全隐患及其解决方案。
教学过程
一、导入新课(2分钟)
学生活动:观看人工智能安全相关案例视频,如自动驾驶汽车误判、智能语音系统被欺骗等。
教师活动:引导学生讨论视频中的安全问题:当人工智能系统出错时,可能会带来哪些后果?引出人工智能安全的重要性。
设计意图:通过视频吸引学生的注意力,激发他们对人工智能技术的兴趣,并以此为切入点,自然地引出本节课的主题——人工智能安全。
二、新课讲解(10分钟)
学生活动:
阅读教材,了解人工智能算法的正确性和可靠性的定义及重要性。
小组讨论:对抗样本在实际应用中可能带来的风险及防范措施。
教师活动:
讲解人工智能安全的基本概念,包括算法的正确性和系统的可靠性。
引入对抗样本的概念,解释其原理和对人工智能系统的影响。
展示对抗样本实验的基本步骤和所需工具。
设计意图:通过讲解,使学生了解人工智能安全的重要性和对抗样本的基本概念,为后续的实践操作提供必要的理论知识基础。
三、实践活动准备(2分钟)
学生活动:分组讨论,确定实践活动的主题(如对抗样本的生成与检测)。
教师活动:提供实践活动的背景知识、所需工具和资源(如图片数据、scikit-image库、ResNet模型等)。
设计意图:明确实践任务,准备实践环境。
四、实践活动(15分钟)
学生活动:
分组操作:各组根据任务分工,收集图片数据,使用scikit-image库给图片加入噪声,生成对抗样本。
模型测试:在Keras上构建ResNet分类模型,对加入噪声前后的图片进行分类,记录分类结果。
结果分析:比较加入噪声前后图片分类结果的不同,分析对抗样本对模型可靠性的影响。
教师活动:巡回指导,解答学生疑问,引导学生深入分析实验结果。
设计意图:通过实践操作,让学生亲身体验对抗样本对人工智能系统的影响,加深对理论知识的理解,并培养他们的动手能力和团队协作能力。
五、课堂练习巩固(6分钟)
学生活动:
【选择题练习】
1.(多选题)以下关于人工智能安全的说法,哪个选项是正确的?
A.人工智能安全只关注人工智能系统的可靠性,即抵御外界攻击的能力。
B.人工智能算法的正确性可以通过编写简单的测试用例来完全验证。
C.人工智能安全包括人工智能算法的正确性和系统的可靠性两个方面。
D.即使在所有测试用例下程序都表现正确,也不能保证程序的绝对正确性。
参考答案:C、D
解析:
A选项,是错误的,因为人工智能安全不仅包括系统的可靠性,还包括算法的正确性。这两者是人工智能安全的两个重要方面,缺一不可。
B选项,是错误的。虽然测试用例可以提供一定的验证,但即使所有测试用例都通过,也不能保证算法在所有情况下都是正确的。算法的正确性需要通过更全面的验证方法,如形式化证明等。
C选项正确,因为人工智能安全包括两个方面:(1)人工智能算法的正确性;(2)人工智能系统的可靠性。
D选项正确,因为采用测试方法来验证程序的错误,只能保证在这些测试用例下,程序没有出错,却不能证明程序本身没有错误。
2.(单选题)以下哪个场景体现了人工智能系统可能遭受的“对抗性攻击”?
A.无人驾驶汽车在晴朗的天气下正确识别了前方的行人。
B.语音识别系统准确地将用户的语音指令转换成文本。
C.黑客通过向自动驾驶汽车的传感器发送特定频率的干扰信号,导致汽车误判前方无障碍物。
D.神经网络模型在大量标注数据的训练下,成功提高了图像识别的准确率。C选项描述了黑客通过发送特定干扰信号误导自动驾驶汽车,使其误判前方无障碍
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