Un nouveau programme de lycée enseigne simultanément la chimie des couleurs et l’IA

Des chercheurs de l'Université d'État de Caroline du Nord ont développé un programme d'études secondaires d'une semaine qui aide les élèves à comprendre rapidement les concepts de la chimie des couleurs et de l'intelligence artificielle, tout en attisant leur curiosité pour la science et le monde qui les entoure.

Pour tester si un court module scientifique au lycée pourrait effectivement enseigner aux élèves quelque chose sur la chimie (un sujet notoirement épineux) et l'intelligence artificielle (IA), les chercheurs ont conçu une expérience relativement simple impliquant des niveaux de pH, qui reflètent l'acidité ou l'alcalinité d'un liquide. solution.

Lorsque vous testez les niveaux de pH sur une bandelette de test, les tableaux de conversion des couleurs constituent une référence pratique : les solutions plus acides rendent les bandelettes de test rouges lorsqu'une forte acidité est présente et les rendent jaunes et vertes lorsque les niveaux d'acide diminuent. Les bandelettes de test deviennent violet foncé lorsque les liquides sont très alcalins et deviennent bleues et vert foncé lorsque les niveaux alcalins diminuent.

Les plages numériques de pH vont de 0 à 14, sept étant neutres (environ le niveau de l'eau du robinet de votre maison) et les quantités les plus faibles reflétant une plus grande acidité, les nombres plus élevés reflétant une plus grande alcalinité.

“Nous voulions répondre à la question : 'Pouvons-nous utiliser l'apprentissage automatique pour lire les bandelettes de pH avec plus de précision que visuellement ?'”, a déclaré Yang Zhang, professeur adjoint d'ingénierie textile, de chimie et de sciences et co-auteur correspondant d'un article décrivant le travail. “Il s'avère que le modèle prédictif d'IA formé par les étudiants était environ 5,5 fois plus précis que les interprétations visuelles.”

Les étudiants ont utilisé l'appareil photo de leur téléphone portable pour prendre des photos de bandelettes de test de pH après les avoir mouillées dans divers liquides du quotidien (boissons, eau d'étang ou de lac, produits cosmétiques, etc.) et ont prédit visuellement leurs valeurs de pH. Ils ont également reçu des bandelettes de test des instructeurs avec des niveaux de pH connus pris avec des instruments sophistiqués et les ont prédits visuellement.

“Nous voulions que les étudiants réfléchissent aux implications concrètes de ce type de tests, par exemple dans des endroits sous-développés où l'eau potable pourrait poser un problème”, a déclaré Zhang. “Vous ne disposez peut-être pas d'un instrument sophistiqué, mais vous voulez vraiment savoir si le niveau de pH est inférieur à 5 par rapport à 7.”

Les étudiants ont saisi leurs données dans un logiciel d'apprentissage automatique gratuit appelé Orange, qui ne comporte aucune ligne de code, ce qui facilite le travail des novices. Ils ont travaillé pour convertir les images des bandelettes de test et les valeurs de pH en prédictions, l'apprentissage automatique améliorant la précision à mesure qu'il apprenait à délimiter les changements les plus subtils dans la couleur des bandelettes de test avec les valeurs de pH correspondantes.

Les étudiants ont ensuite comparé leurs prédictions de niveau de pH issues de l’apprentissage automatique avec leurs prédictions visuelles et ont constaté que les prédictions de l’IA, bien qu’imparfaites, étaient beaucoup plus proches de la valeur réelle du pH que leurs prédictions visuelles.

Les chercheurs ont également interrogé les étudiants avant et après le programme d’une semaine et ont constaté qu’ils se disaient plus motivés à apprendre et mieux informés sur la chimie et l’IA.

“Les étudiants ont pu constater la pertinence de la technologie de pointe lorsqu'elle est appliquée aux problèmes du monde réel et aux progrès scientifiques”, a déclaré Shiyan Jiang, professeur adjoint de conception et de technologie de l'apprentissage à NC State et co-auteur correspondant de l'article.

“Cette application pratique améliore non seulement leur compréhension de concepts scientifiques complexes, mais les incite également à explorer des solutions innovantes, favorisant ainsi une appréciation plus profonde de l'intersection de la technologie et de la science de pointe, en particulier de la chimie.”

« Du côté de la chimie, il existe de nombreux concepts similaires de chimie des couleurs que nous pouvons enseigner de cette façon », a déclaré Zhang. “Nous pouvons également étendre ce programme pour inclure davantage d'étudiants.”

La recherche est publiée dans le Journal d'éducation chimique.