信息技術(shù)（第2版）（拓展模塊）教案 拓展模塊5 5.3常用核心技術(shù)1

2/7課題名稱決策樹(shù)授課類型理實(shí)一體授課對(duì)象授課課時(shí)所授課程授課地點(diǎn)所授教材一、學(xué)情分析本課程授課對(duì)象為高職各專業(yè)大一學(xué)生，課程開(kāi)設(shè)在大一第2學(xué)期，學(xué)生在知識(shí)儲(chǔ)備、學(xué)習(xí)特點(diǎn)和信息素養(yǎng)的情況如下：1.知識(shí)與技能儲(chǔ)備學(xué)生理解了機(jī)器學(xué)習(xí)的基本原理，熟悉了機(jī)器學(xué)習(xí)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)流程與步驟，能夠區(qū)分監(jiān)督學(xué)習(xí)和無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)的不同點(diǎn)2.學(xué)習(xí)特點(diǎn)授課對(duì)象在學(xué)習(xí)方面表現(xiàn)出如下特點(diǎn)：（1）喜好電腦與互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，線上操作所見(jiàn)即所得可以引發(fā)學(xué)習(xí)興趣；（2）喜歡情境設(shè)定，厭煩平淡無(wú)奇的說(shuō)教；（3）樂(lè)于接受可視化教學(xué)資源，反感靜態(tài)紙質(zhì)學(xué)習(xí)材料；（4）具有較強(qiáng)的求知欲，希望了解一些具體的人工智能方法。3.信息素養(yǎng)學(xué)生具備了基礎(chǔ)的信息技術(shù)學(xué)科素養(yǎng)，二、教學(xué)內(nèi)容1.知識(shí)目標(biāo)2.能力目標(biāo)3.素養(yǎng)目標(biāo)1.教學(xué)重點(diǎn)八、教學(xué)環(huán)節(jié)教學(xué)環(huán)節(jié)教學(xué)內(nèi)容教學(xué)活動(dòng)策略與意圖環(huán)節(jié)一課程回顧與學(xué)習(xí)目標(biāo)(10分鐘)【問(wèn)題導(dǎo)入】什么是監(jiān)督學(xué)習(xí)？分類任務(wù)主要解決什么問(wèn)題？分類問(wèn)題的一般形式?jīng)Q策樹(shù)用途【學(xué)習(xí)目標(biāo)】教師活動(dòng)1.提出問(wèn)題，回顧以前所學(xué)內(nèi)容并引申出分類問(wèn)題和決策樹(shù)2.介紹本單元的學(xué)習(xí)任學(xué)生活動(dòng)2.思考記錄1.問(wèn)題教學(xué)法：復(fù)習(xí)監(jiān)督學(xué)習(xí)概念，為本次課程做好鋪墊2.講授教學(xué)法：介紹學(xué)習(xí)目標(biāo)，使學(xué)生明確本次課的要求教學(xué)環(huán)節(jié)教學(xué)內(nèi)容教學(xué)活動(dòng)策略與意圖環(huán)節(jié)二介紹決策樹(shù)案例(10分鐘)決策樹(shù)案例：學(xué)習(xí)狀態(tài)預(yù)測(cè)問(wèn)題在教學(xué)過(guò)程中，教師常常需要通過(guò)學(xué)生的日常表現(xiàn)推知學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)。這一場(chǎng)景就可以被建模為監(jiān)督學(xué)習(xí)問(wèn)題。1.特征取值范圍2.訓(xùn)練集教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)1.案例分析法：學(xué)習(xí)狀態(tài)預(yù)測(cè)問(wèn)題案例是貫穿本次授課始終的案例，通過(guò)此案例，可以幫助學(xué)生具體形象地理解決策樹(shù)2.結(jié)合案例講解特征值、樣本、標(biāo)簽等基本概念教學(xué)環(huán)節(jié)教學(xué)內(nèi)容教學(xué)活動(dòng)策略與意圖環(huán)節(jié)三學(xué)習(xí)決策樹(shù)基本原理(10分鐘)1.決策樹(shù)決策樹(shù)是一個(gè)預(yù)測(cè)模型，其每一個(gè)內(nèi)部（非葉子）結(jié)點(diǎn)表示一個(gè)決策特征（屬性）ai，每一條邊代表某個(gè)特征的一個(gè)可能取值，而每一個(gè)葉子結(jié)點(diǎn)則表示一個(gè)學(xué)習(xí)狀態(tài)的分類結(jié)果“好”或“差”。從根結(jié)點(diǎn)到葉子結(jié)點(diǎn)的一條路徑代表了一個(gè)決策過(guò)程的測(cè)試序列，一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)從根結(jié)點(diǎn)進(jìn)入決策樹(shù)后，會(huì)根據(jù)其特征值選擇一條這樣的路徑，最終進(jìn)入某個(gè)葉子結(jié)點(diǎn)代表的分類類別并得到最終的分類結(jié)果。2.決策樹(shù)示例教師活動(dòng)1.講授決策樹(shù)基本原理2.組織學(xué)生討論如何手工建立案例所示的決策樹(shù)學(xué)生活動(dòng)1.講授法：結(jié)合示例講授決策樹(shù)基本原理，使學(xué)生能夠初步理解決策樹(shù)的組織結(jié)構(gòu)和決策原理2.討論法：通過(guò)討論如何手工建立案例所示的決策樹(shù)，使學(xué)生對(duì)決策樹(shù)有進(jìn)一步了解，為講解算法做好鋪墊教學(xué)環(huán)節(jié)教學(xué)內(nèi)容教學(xué)活動(dòng)策略與意圖環(huán)節(jié)四學(xué)習(xí)決策樹(shù)基本算法(25分鐘)1.基本思路決策樹(shù)的訓(xùn)練過(guò)程就是根據(jù)訓(xùn)練集D生成一顆決策樹(shù)的過(guò)程，其算法遞歸式自頂向下生成決策樹(shù)，從根結(jié)點(diǎn)開(kāi)始，每次生成一個(gè)葉子結(jié)點(diǎn)或者選擇一個(gè)特征a生成內(nèi)部結(jié)點(diǎn)。根結(jié)點(diǎn)處包含所有訓(xùn)練樣本D，而之后的每個(gè)內(nèi)部結(jié)點(diǎn)都會(huì)根據(jù)特征取值對(duì)屬于該結(jié)點(diǎn)的樣本集合進(jìn)行一次劃分。2.已知//數(shù)據(jù)來(lái)自訓(xùn)練樣本集訓(xùn)練樣本集D={(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)}//數(shù)據(jù)來(lái)自特征名稱特征集A={a1,a2,…,ad}//數(shù)據(jù)來(lái)自特征取值范圍特征值V={a1:{優(yōu)秀,良好,較差},a2:{按時(shí)完成,不能完成},a3:{集中,一般,分散},a4:{高,低}}類別值Y={“好”,“差”}3.函數(shù)ID3(D,A)具體的決策樹(shù)訓(xùn)練算法見(jiàn)拓展模塊5中圖5-16教師活動(dòng)1.講授構(gòu)建決策樹(shù)基本思路2.講授構(gòu)建決策樹(shù)算法的已知條件3.講授具體算法學(xué)生活動(dòng)2.積極思考3.思考記錄講授法：結(jié)合案例講授決策樹(shù)構(gòu)建算法，使學(xué)生能夠逐步了解決策樹(shù)的訓(xùn)練過(guò)程教學(xué)環(huán)節(jié)教學(xué)內(nèi)容教學(xué)活動(dòng)策略與意圖環(huán)節(jié)五學(xué)習(xí)信息增益(15分鐘)1.如何定義最優(yōu)特征a*？為了能夠盡快達(dá)到分類目標(biāo)，希望位置越高的內(nèi)部結(jié)點(diǎn)的決策特征對(duì)訓(xùn)練樣本集合的分類能力越強(qiáng)。一個(gè)分類能力強(qiáng)的決策特征，其劃分后的每個(gè)子集中的樣本類別應(yīng)該趨近一致，也就是說(shuō)隨著劃分過(guò)程不斷進(jìn)行，分支結(jié)點(diǎn)的樣本子集“純度”應(yīng)該越來(lái)越高。怎樣度量一個(gè)結(jié)點(diǎn)上樣本集合的“純度”？2.信息熵信息熵是信息論中廣泛使用的一個(gè)度量標(biāo)準(zhǔn)，它可以度量任意樣本集合的“純度”。Ent(D)=-p1log2p1–p2log2p2信息熵越大，正反例樣本的比例越均勻，類別越不一致，樣本的純度越低，當(dāng)正反例數(shù)量相同時(shí)，信息熵為1，達(dá)到最大值。反之，信息熵越小，樣本類別越趨于一致，樣本的純度越高，當(dāng)集合D中樣本屬于同一類別（都是正例或都是反例）時(shí)，信息熵為0，達(dá)到最小值。例：計(jì)算訓(xùn)練集對(duì)應(yīng)的集合D的信息熵E怎樣度量特征劃分訓(xùn)練樣本能力？3.信息增益一個(gè)特征的信息增益就是使用這個(gè)特征劃分樣本集合而導(dǎo)致的信息熵降低程度，在數(shù)學(xué)上可以定義為：Gain教師活動(dòng)1.提問(wèn)：如何定義最優(yōu)特征a*？2.講解選擇最優(yōu)特征的目標(biāo)3.提問(wèn)：怎樣度量一個(gè)結(jié)點(diǎn)上樣本集合的“純度”？4.講授信息熵概念，舉例如何計(jì)算5.提問(wèn)：怎樣度量特征劃分訓(xùn)練樣本能力？6.講授信息增益概念，舉例如何計(jì)算學(xué)生活動(dòng)啟發(fā)式教學(xué)法和問(wèn)題教學(xué)法相結(jié)合：通過(guò)不斷提出問(wèn)題解決問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生理解如何利用信息增益選擇最優(yōu)特征教學(xué)環(huán)節(jié)教學(xué)內(nèi)容教學(xué)活動(dòng)策略與意圖環(huán)節(jié)六演示測(cè)試和評(píng)估(10分鐘)1.測(cè)試集T={(良好,按時(shí)完成,一般,低,好),(較差,不能完成,一般,低,差)}2.測(cè)試路徑3.測(cè)試評(píng)估正確率100%教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)手工檢測(cè)操作：利用測(cè)試數(shù)據(jù)手工檢測(cè)決策樹(shù)運(yùn)行結(jié)果，使學(xué)生進(jìn)一步理解決策樹(shù)