Laborationsuppgift - expertsystem

Val av laboration

Jag har valt att utgå från laborationen i modul 1.2, expertsystem i Prolog. Jag tror att detta område lämpar sig bra för att elever som läser kursen Artificiell intelligens 1 under sitt tredje år på Naturvetenskapsprogrammet: Det är relativt enkelt att förstå, överblicka och resonera kring. Samtidigt ger det goda möjligheter till fördjupning inom bl.a. logik.

Jag har valt ämnet medicinsk diagnostisering, vilket lämpar sig väl för programmets inriktning och många elevers intressen. Dessutom ger det konkreta exempel på hur AI påverkar arbetsmarknad och lagstiftning, samt hur AI ger upphov till frågor om etik, transparens och tolkningsbarhet.

Eventuellt specificerar jag exakt vilka symtom och sjukdomar som ska hanteras. Kanske begränsar jag uppgiften till veterinärmedicin och vanliga symtom och sjukdomar hos vanliga husdjur - bland annat för att underlätta informationssökning men också för att undvika oro och missuppfattningar och bland eleverna.

Ett annat område som skulle fungera bra är juridik. Elever kan söka i en viss begränsad delmängd av någon lagstiftning och skapa ett system för att avgöra om vissa handlingar är olagliga, givet vissa omständigheter. Detta skulle naturligtvis passa utmärkt för elever på Samhälls- eller Ekonomiprogrammet (om de läser kursen Artificiell intelligens…)

Bearbetning av nivå

Jag har utgått från exemplet i laboration 1.2 och de enklaste exemplen i den webbaserade Prolog-motorn SWISH.

Jag förutsätter att eleverna inte har någon tidigare erfarenhet av eller kunskap om programmering.

Jag har undvikit avancerade funktioner för hantering av in- och utdata, menyer, formatering, repetition m.m. Detta gör själva kodningen så lätt som möjligt men körningen av programmen blir lite tråkigare och krångligare.

Jag har utgått från en färdig introduktion till Prolog på svenska, skriven för universitetsstudenter på grundnivå (Dalenius, 2006). Jag tror att nivån på texten är lagom för gymnasieelever. Däremot blir kanske några av de inkluderade övningsuppgifterna för krävande för att använda på gymnasiet.

Min tanke är att denna laboration föregås av en eller flera lektioner där delar av introduktionstexten presenteras och gås igenom. Eventuellt får eleverna i läxa att läsa den på egen tid. Texten används också som stöd för eleverna under laborationen.

Om jag använder detta material i verkligheten så kommer jag antagligen att skriva en egen introduktion. Då kan jag anpassa texten exakt efter omständigheterna.

Jag har använt AI för att generera några förslag och exempel, men jag är inte nöjd med resultatet. Om jag ska använda den här planeringen i verkligheten så vill jag hitta eller skriva egna, bättre exempel.

Innehåll, syfte och mål

Elevernas uppgift är att bygga ett modell-expertsystem i Prolog, som en illustration av symboliska metoder för AI.

Eleverna ska samla in information om en liten del av ett välkänt och väldokumenterat område inom medicin.

Därefter ska eleverna översätta den kunskapen till en samling axiom och regler i Prolog.

Sedan ska eleverna experimentera med att söka i databasen och eventuellt justera den.

Slutligen ska eleverna diskutera fördelar och begränsningar med expertsystem av denna typ.

Instruktioner till eleverna

I den här laborationen ska du skapa ett litet expertsystem som efterliknar hur en expert fattar beslut inom en viss domän, och hur datorer kan användas för att efterlikna processen. Du får lära dig om regelbaserade system, logiska resonemang och några grundläggande begrepp inom artificiell intelligens.

Område: Rådgivning för vård av husdjur

Du ska bygga ett expertsystem som kan vara till stöd för att avgöra vad som kan vara fel på ett husdjur. Tänk dig att en veterinär skulle kunna använda (en mycket större version av) systemet för att snabbt få förslag på några troliga diagnoser.

Många vanliga problem hos husdjur har entydiga symtom. Det är ofta ganska lätt att formulera regler för att bestämma vilka sjukdomar som ger upphov till vissa symtom.

Samtidigt finns det många många olika sjukdomar med liknande symtom, så ett bra expertsystem kan definitivt vara till hjälp.

Tillförlitlig information om husdjursproblem är ganska lätt att hitta på Internet, och ganska lätt att tolka.

Verktyg

SWISH, en webbaserad Prolog-miljö.

•    Gå till: https://swish.swi-prolog.org

•    Ingen installation krävs - miljön fungerar direkt i din webbläsare

•    Skapa ett gratis konto om du vill kunna spara ditt arbete direkt i miljön. Annars kan du klippa och klistra in din kod i ett vanligt textdokument.

Steg 1: Samla kunskap (1-2 lektioner)

Undersök vanliga symtom, diagnoser och åtgärder inom ett av dessa områden (eller liknande):

• beteendeproblem hos katter

• matsmältningsproblem hos hund

• matvanor hos små husdjur (hamster/kanin)

Förslag på källor

• AniCura: Har en omfattande webbplats med artiklar om olika sjukdomar och hälsotillstånd hos hundar och katter. Exempelvis kan du läsa om vanliga hundsjukdomar här: https://www.anicura.se/for-djuragare/hund/fakta-och-rad/tio-vanliga-hundsjukdomar

• Agria Djurförsäkring: Erbjuder en mängd artiklar och information om olika djursjukdomar och hälsotillstånd. Här finns också avdelningen Fråga veterinären. Se t.ex.: https://www.agria.se/fraga-veterinaren/hund/

• Lokala veterinärkliniker: De flesta veterinärer har en webbplats eller delar ut informationsmaterial om vanliga sjukdomar och hälsoproblem hos djur.

• Jordbruksverket: Har information om djurhälsa, smittsamma sjukdomar m.m..

• Böcker om djurhälsa: Det finns många böcker som riktar sig till djurägare och som ger information om vanliga sjukdomar och hälsoproblem. Kolla i ditt bibliotek.

Tips för att hitta tillförlitlig information

• Kolla källan: Se till att informationen kommer från en trovärdig källa, som en veterinär, en myndighet eller en vetenskaplig organisation.

• Var kritisk: All information behöver inte vara korrekt. Jämför information från olika källor. Varför inte kontakta en veterinär?

Regler

Samla in minst 10 enkla regler om ditt valda område. Försök att hitta tydliga samband på formen “om… så…” Här kommer några exempel.

Hundar

• Om hög feber, kräkningar och diarré, så infektion.

• Om halt, så skada eller ledproblem.

• Om klåda och håravfall, så allergi eller parasiter.

Katter

• Om svårt att kissa eller blod i urinen, så urinvägsinfektion.

• Om ökad aggressivitet eller gömmer sig, så smärta.

Steg 2: Organisera kunskapen (1 lektion)

Skapa en lista av regler och skriv motsvarande Prolog-kod. Undvik specialtecken och svenska tecken som å, ä och ö. Nedanstående kod motsvarar exemplen ovan.

% Regler

infektion(X) :- feber(X), kraker(X), diarre(X).

skada(X) :- halt(X).

ledproblem(X) :- halt(X).

allergi(X) :- klada(X), haravfall(X).

parasiter(X) :- klada(X), haravfall(X).

urinvagsinfektion(X) :- svart_att_kissa(X); blod_i_urinen(X).

smarta(X) :- aggressiv(X); gommer_sig(X).

Förklaringar

X representerar ett djur

:- betyder "om"

, betyder “och”

; betyder "eller"

Steg 4: Testa ditt system (1 lektion)

Hitta på minst fem olika husdjur med totalt minst tio symtom (varav minst fem olika symtom). Varje husdjur ska uppvisa minst ett symtom. Lägg in motsvarande fakta i ditt expertsystem. Några exempel:

%Fakta

feber(pelle).

kraker(pelle).

diarre(pelle).

halt(missan).

svart_att_kissa(måns).

blod_i_urinen(bill).

För att använda ditt expertsystem kan du nu ställa frågor som:

?- infektion(X).

?- skada(X).

?- ledproblem(X).

?- urinvagsinfektion(X).

Frågorna skriver du i det lilla fönstret nere till höger i SWISH-fönstret. Du ska inte skriva in tecknen “?-”.

Om du följt exemplet ovan så kommer du att få svaret:

X = pelle

på den första frågan och

X = missan

på de två följande frågorna. På den sista frågan får du två svar (du måste trycka på knappen “Next” för att få det andra svaret:

X = måns

X = bill

Detta kan du tolka så här:

• Pelle kan ha en infektion, men inte Missan.

• Missan kan ha antingen ledproblem eller en skada.

• Både Måns och Bill kan ha en urinvägsinfektion.

Steg 5: Utöka ditt system (1 lektion)

Repetera vad du har gjort hittills och fortsätt att experimentera med ditt system. Lägg till fler regler och fakta för att göra ditt system mer intressant.

Exempel på tillägg:

• Tidpunkt och frekvens för beteendet

• Husdjurets ålder

• Flera möjliga symtom för en diagnos

• Flera möjliga diagnoser för vissa symtom

Tips

• Börja med bara 2-3 regler. Se till att de fungerar innan du lägger till fler.

• Testa ofta. Kontrollera varje ny regel när du lägger till den. Använd enkla frågor först.

• Vanliga misstag att undvika:

• Glöm inte punkter i slutet av fakta och regler

• Tänk på dina parenteser

• Se till att stavningen är konsekvent

• Ta hjälp

• Använd SWISH Prologs inbyggda exempel

• Sök upp dokumentation för SWI-Prolog på webben

• Be din lärare om hjälp med syntaxen

Tänk på att detta är en kort första introduktion till expertsystem. Fokusera på att förstå begreppen snarare än att skapa ett komplext system. Börja enkelt och bygg upp successivt.

Steg 6: Analys och reflektion (1-2 lektioner)

Skriv en rapport (1-2 sidor) där du funderar över följande frågor:

Om ditt eget system:

• Vad fungerar bra i ditt system?

• Vilka är systemets viktigaste begränsningar?

• Hur skulle det kunna förbättras?

• Hur förhåller sig ditt system till expertsystem som används i verkligheten?

Om expertsystem som används i verkligheten:

• Hur säkra är de?

• Hur tillförlitliga är de?

• Var kommer informationen ifrån?

• Hur fullständig är den?

• Vem har ansvaret för systemens diagnoser och rekommendationer?

• Vad händer när expertsystem är bättre på att ställa diagnoser än mänskliga läkare?

• Vad händer när läkare inte längre förstår hur expertsystemet har kommit fram till sin diagnos?

• Hur förhåller sig expertsystem till andra AI-metoder?

Steg 7: Inlämning

Följande ska lämnas in:

• En förteckning över de källor du använt, med referenser

• En lista över de regler som du har formulerat utifrån den fakta du har samlat in

• En lista över de husdjur och symtom som du har hittat på för att testa systemet

• Prolog-koden

• Redovisning av testkörningar

• Din rapport med analys och reflektioner

Några bedömningskriterier

Eleven har valt relevanta och tillförlitliga källor.

Eleven visar förståelse för logiska samband.

Eleven visar medvetenhet om informationens och systemets begränsningar och förståelse för hur det kan användas och tolkas.

Eleven har lagt till flera regler för att differentiera mellan olika typer av diagnoser med liknande symtom. Avancerat: Eleven har tilldelat olika vikter till olika symtom.

Eleven visar förståelse för att det egna systemet är en mycket förenklad representation av verkligheten. Listan över regler är inte uttömmande och täcker inte alla möjliga fall.

Eleven visar förståelse för att även expertsystem som används i verkligheten kan baseras på och ge en förenklad representation av ett komplext område. Många sjukdomar har överlappande symtom och diagnostik kräver ofta mer omfattande undersökningar.

Eleven för en tydlig diskussion om det egna systemets styrkor och begränsningar, och om expertsystem i allmänhet.

Eleven reflekterar klokt över expertsystems roll i och påverkan på samhället, exempelvis med avseende på juridik och etik.

Referenser

Dalenius, P. (2006). Prova på-laboration i Prolog. Institutionen för datavetenskap, Linköpings universitet. Hämtad 2024-12-01 från: https://www.ida.liu.se/~TDP001/2011/material/prova-pa/Prolog.pdf

SWISH. https://swish.swi-prolog.org

Planering av lektion om AI och etik för gymnasiet

Kunskapsmål

Målgruppen för lektionen (eller lektionerna) är elever som läser kursen Artificiell intelligens 1 under sitt tredje år på det Naturvetenskapliga programmet.

Lektionen följer metoden Strukturerad undervisning (Skolverket, 2024a) och behandlar främst följande centrala innehåll (Skolverket, 2024b):

• Drivkrafter bakom utvecklingen av AI.

• Demokratiska, sociala, ekonomiska, miljömässiga och säkerhetsmässiga möjligheter och risker med AI-användning samt dess konsekvenser för samhället.

Lektionen är utformad för att motsvara främst följande betygskriterium (Skolverket, 2024b):

• Eleven resonerar om möjligheter och risker med AI samt dess konsekvenser för samhället.

Lektionen syftar till att eleverna ska arbeta med, utveckla kunskaper, samt bedömas inom området.

Presentation

Efter en inledning som avslutas med att lektionens syfte redovisas, får eleverna se ett filmat föredrag av Olle Häggström: The ongoing AI transformation - what is at stake? (Vetenskapsrådet, 2024). Föredraget är 20 minuter långt och hålls mestadels på engelska. Föredraget spelades in så sent i slutet av oktober 2024 och dess aktualitet är väsentlig, vilket framhålls före och efter visningen. (Föredraget byts ut mot något mer aktuellt i framtiden.)

Föredraget tydliggör den mycket snabba och radikala förändring som AI just nu orsakar för våra liv, samhällen och framtid. Häggström behandlar risker med AI, och behovet av att reglera AI-utvecklingen.

Övning med stöd

Efter föredraget (och eventuellt en kort rast där spontana reflektioner och diskussioner kan komma igång) delas eleverna i grupper om 3-4 personer. De får nu ut nedanstående diskussionsfrågor (på papper eller digitalt) och ombeds att diskutera dessa utan att använda digitala hjälpmedel. Detta görs för att stimulera till egna tankar och fri diskussion.

Tiden för diskussionen är cirka 20 minuter. Eleverna uppmanas att inte fastna för länge på varje enskild fråga utan försöka göra en snabb översikt. Alternativt presenteras endast ett urval av frågorna. Beroende på elevgrupp och situation, samt hur många lektionspass som ägnas åt momentet, kan tiden för diskussion utökas till 40 minuter eller mer.

• Är det OK att använda AI för att skriva inlämningsuppgifter i skolan?

• Kan man lita på det en AI svarar när man frågar om något?

• Vad händer om allt mer av all forskning och vetenskap görs av AI?

• Kommer det att finnas några arbeten för människor i framtiden? Vilka?

• Hur kommer AI att förändra samhället? Kommer förändringarna att bli större än under den industriella revolutionen? Ge möjliga exempel.

• Kommer AI att förändra risken för krig och konflikter? Hur?

• Kan AI lösa miljö- och klimatproblemen?

• Bör vi förhindra att företag och länder tävlar med varandra om att skapa allt kraftfullare AI? Kan vi det?

• Vad händer om AI blir bättre än människor på allt? Kommer det att hända? När?

• Vet politiker och vanliga människor tillräckligt mycket om riskerna med AI? Om inte, varför inte? Vad kan och bör i så fall göras?

• På vilken nivå av den teknologiska Richter-skalan ligger AI? Nu? I framtiden?

• Kommer konsekvenserna av AI-utvecklingen att bli huvudsakligen positiva eller negativa? På kort sikt? På lång sikt?

• Kan vi veta hur AI kommer att bete sig, och varför? Kan vi kontrollera det? Hur?

Under diskussionens gång går läraren runt bland grupperna: lyssnar, ger förslag, ställer följdfrågor, ber om exempel, motiveringar, konkretiseringar m.m.

Sammanfattning och kontroll

Efter att gruppernas diskussioner avslutats följer en lärarledd repetition, där grupperna ges möjlighet att redovisa sina diskussioner runt de olika frågorna. Läraren kommenterar och fyller på med perspektiv och fakta som eventuellt inte framkommit bland elevernas bidrag. Läraren tipsar också om material för fördjupning inom de olika frågorna.

Sammanfattningen är ett tillfälle för både läraren och eleverna själva att utvärdera och jämföra elevernas insatser. Den är också ett tillfälle för läraren att exemplifiera vad betygskriterierna (enkelt, utvecklat, nyanserat m.fl.) innebär, och att inspirera till och modellera fördjupade reflektioner. 

Individuellt arbete

Eleverna får nu i uppgift att välja ut en (eller flera) av frågorna att undersöka djupare på egen hand. (Detta kan göras under följande lektion. Alternativt kan eleverna uppmanas att påbörja uppgiften utanför lektionstid.). Eleverna instrueras att:

1. söka och välja ut någon eller några relevanta källor

2. läsa, fundera och anteckna

3. fortlöpande söka återkoppling

4. skriva en reflektion kring sin valda fråga, som behandlar:

1. föredraget

2. gruppdiskussionen

3. de valda källorna

4. egna tolkningar, värderingar och förslag

5. konsekvenser och framtidsprognos

6. motiveringar

Läraren hjälper eleverna att komma igång, först och främst med materialförslag och sedan med fortlöpande återkoppling.

Eleverna får en viss tid (på eller utanför lektionstid) för att förbereda en muntlig presentation inför klassen. Eleven får instruktioner om omfattning och målgrupp (vilka kan varieras) samt bedömning.

Ett trevligt alternativ är att, om möjligheten finns, låta eleverna turas om att presentera för en annan klass som inte själva läser kursen.

Avslutning med kontroll och bedömning

Detta moment utgörs av elevernas individuella presentationer för varandra. Läraren bedömer och antecknar under tiden. Dessa presentationer kan ta en eller flera lektioner i anspråk.

Avslutande reflektionsövning

Denna utgörs av två delar. Efter att alla elever genomfört sina presentationer sammanfattar läraren och leder en kort reflektion och diskussion med syftet att tydliggöra viktiga fakta och lärdomar, men också att lyfta fram tydliga problem och meningsskiljaktigheter.

Därefter genomför läraren korta samtal med varje elev, och ger formativ bedömning. Detta är också tillfälle för läraren att utvärdera momentet inför kommande kurser.

Reflektion

För detta område är det väsentligt att använda dagsaktuella källor. Just här har jag hittat ett föredrag på engelska, vilket kan vara både en fördel och en nackdel, beroende på elevgrupp. Nivån på just detta föredrag bedömer jag vara medelhög: Föredraget förstås bäst om åhöraren redan har en viss förståelse. Å andra sidan används inga avancerade begrepp eller resonemang. Även detta går naturligtvis att variera.

Man kan variera momentet genom att variera tillgången till digitala hjälpmedel och AI, och genom att variera formerna för eget arbete och redovisning. En variant kan vara att eleverna explicit uppmanas att (endast) använda AI som diskussionspartner eller som källa.

Jag tror att just frågor om AI:s påverkan på samhället är de viktigaste för elever - alla elever - att konfronteras med (därför är det en god idé att elever som läser kursen AI 1 redovisar för elever som inte läser kursen). Tekniska detaljer blir snabbt föråldrade. Man kan heller inte förutsätta att medborgare i ett demokratiskt samhälle ska behärska sådana för att kunna vara välinformerade och delaktiga i samhällsutvecklingen. Det är politiskt olämpligt och inte heller praktiskt möjligt.

Referenser

Skolverket (2024a). Strukturerad undervisning – en modell i sex steg. https://www.skolverket.se/skolutveckling/inspiration-och-stod-i-arbetet/stod-i-arbetet/strukturerad-undervisning---en-modell-i-sex-steg

Skolverket. (2024b). Artificiell Intelligens 1 [Ämnesplan]. https://www.skolverket.se/undervisning/gymnasieskolan/laroplan-program-och-amnen-i-gymnasieskolan/gymnasieprogrammen/amne?url=907561864%2Fsyllabuscw%2Fjsp%2Fsubject.htm%3FsubjectCode%3DART%26version%3D1%26tos%3Dgy&sv.url=12.5dfee44715d35a5cdfa92a3

Vetenskapsrådet (2024, 3 oktober). Theme 1: AI, existential risk, and safety. Olle Häggström: The ongoing AI transformation - what is at stake [Video] (1.00.30’ - 1.20’’.30). https://www.vr.se/english/just-now/events/event-archive/2024-04-11-ethics-arena-2024-ai-and-research-ethics.html