Machine Learning unplugged - Brein in een tas

Bouw een neuraal netwerk

Geïnspireerd op materiaal van Teaching London Computing.

Leeftijd:

8 jaar en ouder

Voorkennis:

N.v.t.

Tijdsduur:

20-30 minuten voor presentatie

60 minuten als workshop

Aantal deelnemers:

7 (of een veelvoud daarvan)

Materiaal:

Algemeen

  • PowerPoint over echte neuronen.
  • Set speelkaarten (liefst groot format) of gebruik rood en zwart karton.
  • Een set (geplastificeerde) positiekaarten.
  • Ballon (optioneel)

Per brein (groepje) heb je het volgende nodig:

  • 7 leerlingen
  • 3 touwen van ongeveer 2 meter met een geknoopte lus in het midden
  • 6 buisjes of kartonnen kokertjes
  • 1 set van 7 (geplastificeerde) neuronkaarten
  • 1 tas of zak om de spullen in te doen

Onderwerpen en begrippen

Machine Learning werkt met neurale netwerken. Het principe is afgekeken van de manier waarop het menselijk brein werkt. In deze unplugged activiteit gaat het over:

Opbouw van de activiteit

  1. Uitleg (eventueel met presentatie) hoe neuronen in onze hersenen werken.
  2. Uitleg van het kaartspel Snap.
  3. In groepjes van 7 leerlingen bouw je met touw en kokertjes een model van een neuraal netwerk.
  4. Kunstbrein testen

Presentatie/les

Op https://www.youtube.com/watch?v=t5l1K-vF3B4 staat een Engels filmpje waarin je ziet hoe deze activiteit wordt uitgevoerd.

Voorbereiding

Start presentatie

Leg uit dat jullie met de spullen in de tas een werkend kunstbrein gaat maken.

Uitleg over neuronen

Gebruik de presentatie of teken het schema op het bord.

Voordat we het kunstbrein gaan bouwen, moet je eerst weten hoe een echt brein werkt. In het kort komt het hierop neer:




Tip: Blaas tijdens de uitleg zelf een ballon op

Door onderzoek van neurowetenschappers en gedragskundigen snappen we hoe ons brein werkt en kunnen we een kunstbrein bouwen dat op dezelfde manier werkt.


Snap spelen met een kunstbrein

Met de spullen uit de tas gaan we nu een kunstbrein bouwen waarmee we het kaartspel Snap gaan spelen.

Snap

Dit kaartspel wordt gespeeld door twee spelers. De kaarten worden verdeeld in twee gelijke stapels en iedere speler krijgt een stapel. De spelers leggen tegelijk een kaart neer. Als de twee kaarten een verschillende kleur hebben blijven ze op tafel liggen. Als de twee kaarten dezelfde kleur hebben dan roep je “Snap!”. Degene die dit als eerste roept krijgt alle kaarten die op tafel liggen.

Deelnemers opstellen

Leg uit dat iedere deelnemer één neuron is en stel ze op volgens dit schema:


De 7 deelnemers krijgen nu een rol:

Soorten neuronen

  • Sensorische neuronen

Deze zijn verbonden met onze zintuigen en kunnen dus waarnemen.

  • Inter-neuronen

Deze zijn niet verbonden met zintuigen maar reageren op signalen van andere neuronen.

  • Motorische neuronen

Deze zijn verbonden met spieren en besturen dus bijvoorbeeld de mond- en kaakspieren.

Neurotransmitters

Neuronen communiceren met elkaar via neurotransmitters. Geef de deelnemers aan het begin van ieder touw een kokertje en laat ze dit om het touw schuiven.

Neuronen leren in de loop van de tijd volgens welke regels ze moeten werken. Spraak ontwikkelt zich pas bijvoorbeeld vanaf het 4e levensjaar. In deze demonstratie hebben de neuronen al geleerd wat ze moeten doen.


De ogen moeten uiteraard ergens naar kijken. Dit zijn de twee positiekaarten.

Op deze positiekaarten komen straks de speelkaarten te liggen.


De regels

Ieder neuron heeft eigen regels. Deze staan op de neuronkaarten die je uitdeelt.

Neuron 1

Oog 1

Stuur signaal als ik op positie 1 een RODE kaart zie.

Neuron 2

Oog 2

Stuur signaal als ik op positie 2 een RODE kaart zie.

Neuron 3

Oog 3

Stuur signaal als ik op positie 1 een ZWARTE kaart zie.

Neuron 4

Oog 4

Stuur signaal als ik op positie 2 een ZWARTE kaart zie.

Neuron 5

Inter-neuron 1

Stuur signaal als ik TWEE SIGNALEN ontvang.

Neuron 6

Inter-neuron 2

Stuur signaal als ik TWEE SIGNALEN ontvang.

Neuron 7

Snap-neuron

Roep SNAP als ik tenminste ÉÉN SIGNAAL ontvang.

De deelnemers versturen het signaal door het touw omhoog te houden waardoor het kokertje naar beneden schuift.

De drempel voor de inter-neuronen is dus twee signalen en voor het snap-neuron één signaal.

Het kunstbrein testen

Nu we een getraind brein hebben, kunnen we het gaan testen.

  1. Leg een rode speelkaart op positie 1 en zeg hierbij “rode kaart op positie 1”. Neuron 1 moet nu een signaal geven. Verder gebeurt er nog niets.
  2. Leg een rode speelkaart op positie 2, zeg “rode kaart op positie 2”. Neuron 2 moet nu een signaal geven. Neuron 5 ontvangt nu twee signalen en geeft dus ook een signaal af naar het snap-neuron. De 7e deelnemer roept nu “Snap!”

Laat de deelnemers de kokertjes weer in de startpositie schuiven en probeer nu een andere combinatie speelkaarten.

Tip:

Je kan deze activiteit ook een competitie element geven.

  • Als je met één team bent kan je kijken welke neuron het snelste reageert en de minste fouten maakt.
  • Heb je meerdere teams dan kan je een wedstrijd tussen de teams houden.

Afronding

Leg uit dat we een kunstmatig brein hebben gebouwd dat op dezelfde manier werkt als ons eigen brein. Als je het kaartspel in het echt speelt dan gaan er signalen (neurotransmitters) door ketens van neuronen. In het kunstbrein waren dit de kokertjes die langs het touw schuiften.

Je eigen brein heeft verschillende manieren om te leren (bijvoorbeeld door beloning of straf).

Van een afstandje bekeken

We hebben bij deze oefening een computational[1] model van het brein gemaakt. Dit model is een hele eenvoudige weergave van de werkelijkheid. Het is een abstract model dat helpt de werking te begrijpen.


Doe meer: Uitgebreide modellen

Als je op Internet zoekt naar informatie over Machine Learning dan kom je vaak het schema zoals je hierboven ziet. Dit is aanzienlijk complexer als het abstracte model dat we gebruikten voor de oefening.

Op basis van dit model kan je een eigen opdracht maken.


Bronnen en (her)gebruik

Neuronkaart 1

Sensorisch neuron 1

Stuur signaal als er een RODE kaart ligt op POSITIE 1

Neuronkaart 2

Sensorisch neuron 2

Stuur signaal als er een RODE kaart ligt op POSITIE 2


Neuronkaart 3

Sensorisch neuron 3

Stuur signaal als er een ZWARTE kaart ligt op POSITIE 1

Neuronkaart 4

Sensorisch neuron 4

Stuur signaal als er een ZWARTE kaart ligt op POSITIE 1


Neuronkaart 5

Inter-neuron 1

Stuur alleen een signaal als je
TENMINSTE TWEE signalen ontvangt


Neuronkaart 6

Inter-neuron 2

Stuur alleen een signaal als je
TENMINSTE TWEE signalen ontvangt


Neuronkaart 7

Motorisch neuron

Roep SNAP als je TENMINSTE ÉÉN signaal ontvangt

Positie 1

1


Positie 2

2

 van


[1] Vlamingen gebruiken hiervoor inmiddels het woord computationeel.