第二章 人工智能课程解读课件.ppt

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1、高中人工智能课程： 课标与教学资源,什么是AI为何要开设AI课程AI课程的基本内容国内外AI教育现状高中AI课程的教学资源,研修班计划,主要内容,什么是人工智能,智能 人们在处理复杂事务、解决困难问题时所表现出来的智慧与能力人工智能 (Artificial Intelligence，简称 AI） 用计算机来表示和执行人类的智能活动 也称人工智慧AI的特征 推理、学习、联想当代三大尖端技术： 空间技术; 能源技术; 人工智能技术人工智能处于信息技术发展的前沿，反映了信息技术的发展方向。,AI的研究领域与目标,AI的研究领域 知识表示、专家系统、自然语言理解、自动定理证明、自动程序设计、问题求解、

2、博弈、计算机视觉、模式识别、智能机器人、人工神经网络、 AI的研究目标近期实现机器智能部分地或者在一定程度上实现机器的智能，从而使现有的计算机更灵活、更好用和更有用，成为人类的智能化信息处理工具。远期制造智能机器要使计算机具有看、听、说、写等感知交互功能，具有联想、推理、理解、学习等高级思维能力，还要有分析问题、解决问题和发明创造的能力。,AI的研究方法,功能模拟以人脑的心理模型为基础，将问题或知识表示成某种逻辑网络，采用符号推演的方法，来实现搜索、推理和学习，模拟人脑的思维；结构模拟以人脑的生理结构和工作机理为基础，对人脑的神经细胞及其构成的神经网络进行研究，采用神经计算的方法来实现学习、联

3、想、识别、推理；行为模拟通过模拟人在控制过程中的智能活动和行为特性，如自寻优、自适应、自学习、自组织等，来研究和实现人工智能。,为何要开设人工智能课程,为何要开设AI课程？,高中课程改革强调要适应时代发展需要，体现时代性特征。,人工智能是信息技术的前沿领域，应当被关注！,高中信息技术课程要有利于学生的个性发展。,高中AI课程的背景与目标,课程背景: 适应时代发展需要，体现时代性特征。目标定位：了解信息技术发展的前沿，体验若干典型人工智能技术的应用，感受人工智能对学习和生活的影响，激发对信息技术未来的追求。,高中开设AI课程的意义,1、开设人工智能课程的教育价值 提高信息素养 培养多种思维能力和

4、多样化问题解决能力提高学生的逻辑思维能力促进个性化学习，培养创新人才激发对信息技术未来的追求 2、开设人工智能课程的必要性和可行性人工智能在社会各个领域的应用越来越广 ，越来越多的人需要了解和接触人工智能目前我国已基本具备了实施人工智能基础教育的条件,从问题解决角度看AI教育的必要性,IT教育的最终目的是让学生能够自如地应用IT解决问题。问题解决是所面对的问题得到解决的认知活动过程。 问题的分类: 结构化（structured）问题能够通过形式化（或称公式化）方法描述和求解的问题 也称：定义完善的问题、良构问题算法与程序设计课程要解决的问题非结构化（unstructured）问题难以用确定的形

5、式来描述，主要根据经验求解也称：定义不完善的问题、劣构问题人工智能初步课程要解决的问题半结构化（semi-structured）问题,AI课程对于提升信息素养的作用,对多种思维方式的培养和信息素养的综合锻炼求解结构化问题 传统程序算法数据结构求解非结构化问题 智能程序知识推理体验人类专家解决复杂问题的思路，提高学生的逻辑思维能力 美国著名教育技术专家Jonassen认为：那些自行设计专家系统的学生将会在这种活动中受益匪浅，因为这是一个对所学知识进行深度加工的过程。 了解信息技术发展的前沿，激发对信息技术未来的追求,高中AI课程的基本内容,高中AI课程的三大主题,高中AI课程的内容体系,1、基本

6、概念能描述人工智能的概念与基本特点2、知识及其表达 列举人工智能的主要应用领域掌握知识的概念、知识表达的基本方法3、推理与专家系统 演示或使用简单的产生式专家系统软件 知道专家系统正向、反向推理的基本原理 学会使用一个简易的专家系统外壳4、人工智能语言与问题求解 学会使用一种人工智能语言求解简单问题 了解状态空间的概念与方法 了解用盲目搜索技术进行搜索，知道启发式搜索,AI课程内容举例： AI语言,AI语言 是一类适应于AI领域的、具有符号处理和逻辑推理能力的程序设计语言。典型的AI语言LISP 表处理语言Prolog 逻辑型语言（用来描述事物之间的逻辑关系，接近于人类的自然语言）,用智能搜索

7、求解问题,盲目搜索（宽度优先、深度优先）启发式搜索计算机博弈,盲目搜索：宽度优先,求解8数码问题,盲目搜索： 深度优先,求解8数码问题,启发式搜索 应用全局择优法求解8数码问题,估价函数：f (n)=d(n)+h(n),节点n与目标节点之间位置不相同的棋子数。,节点n的搜索深度,1234,深度：,AI语言,AI语言 是一类适应于AI领域的、具有符号处理和逻辑推理能力的程序设计语言。AI语言的特点 具有符号运算能力； 具有递归和回溯的功能； 适合于推理。典型的AI语言LISP 表处理语言Prolog 逻辑型语言（用来描述事物之间的逻辑关系，接近于人类的自然语言）,Prolog语言,Visual

8、Prolog 6.1,Turbo Prolog 2.0,专家系统（ES）,知识获取部分,解释部分,工作记忆区,知识库,推理机,人机 界 面,专家系统：模拟专家经验和推理过程来完成复杂专业任务的软件。基本结构：,例：“常见病诊断专家系统”中的 知识库/*- 头部病 诊断 -*/if 病位=头部 and 流鼻涕 and 头晕then 病=感冒刚起. if 病位=头部 and 鼻塞 and 浑身无力then 病=一般感冒.if 病位=头部 and 发烧 and 头晕 and 扁桃体肿then 病=严重感冒./*- cf1 感冒处方 -*/if 病位=头部 and 病=感冒刚起then 处方=服用新速

9、效伤风胶囊,日服三次,每次一颗.if 病位=头部 and 病=一般感冒then 处方=服用感冒通,日服三次,每次三颗.,ES 的正向推理,推理机,人机 界 面,头部、 鼻塞、浑身无力,一般感冒,工作记忆区,知识库,if 头部 and 鼻塞 and 浑身无力then 一般感冒.,if 头部 and 一般感冒then 服用感冒通,日服三次,每次三颗.,服用感冒通,日服三次,每次三颗,服用感冒通,日服三次,每次三颗,头部、 鼻塞、浑身无力,演示,专家系统的推理与解释机制,推理机制正向推理（从事实到结论）反向推理（从假设到事实）混合推理不精确推理解释机制How? （这个结论是如何得出的？）Why? （

10、为什么问我这个问题？）,实例：解释机制,人机 界 面,头部、鼻塞、浑身无力、 一般感冒,工作记忆区,知识库,A. if 头部 and 鼻塞 and 浑身无力then 一般感冒.,B. if 头部 and 一般感冒“then 服用感冒通,日服三次,每次三颗.,服用感冒通,日服三次,每次三颗,解释模块,您说“头部”、“鼻塞”、“浑身无力”，由规则A,您是“一般感冒”；又由规则B，您需“服用感冒通”。,专家系统实例,在线专家系统：PC机配置顾问 http:/ 打开头灯开关，结果如何（它们亮了）当你准备发动汽车时，发生了什么？（汽车正常发动了）油表情况（油箱不空）开着头灯发动时是否灯光昏暗（yes)花

11、费（填写200给出换电池的答案，填写2再出现一个有没有汽油味的问题，选择是，答案为十分钟后再发动汽车）,专家系统工具与外壳,M1基于DOS是一个产生式系统南京大学计算机系的“找水专家系统”OPS83用C语言实现的产生式系统JESS用Java语言实现，适用于网络运用Intermodeller适用于中学生的学习,AI课程内容举例： 专家系统及其外壳,学习一个简单的专家系统外壳 Intermodeller它是一个适合中学生使用的软件作者为英国的 Dr. Tom Conlon,国内外人工智能教育现状,我国高校的人工智能教育,高校一直将AI作为计算机专业的必修课程“智能科学与技术”本科专业的建立北京大学

12、（2004）北京邮电大学（2005）南开大学（2005）西安电子科技大学（2005） （2006） （2007）第一届全国人工智能教育学术研讨会（2002. 北京）中国AI学会教育工作委员会主办首都师范大学信息工程学院承办,我国中学的AI教育,2004年之前尚未在中学设置独立的AI课程。奥林匹克信息学竞赛中一直包含AI的题目。近年开展的机器人竞赛及其相关活动中，已经在AI方面进行尝试。对青少年AI的启蒙教育，愈来愈受到重视。1997年清华大学出版，由时任教育部长陈至立任名誉主任、出版的计算机科普教育丛书计算机与信息科学十万个为什么（全套共12本）中，包括了人工智能一书。2000年清华大学出版，

13、由李衍达院士主编的青少年科学教育丛书信息科学与技术系列一套8本中，也包含有人类智慧与人工智能一书。2003年颁布的普通高中信息技术课标中，将AI作为选修模块。目前已经出版5套教材，并在实验省份的部分地区开展教学。,国外中学AI课程的发展和现状,1、英国中学人工智能课程的开设情况英国是较早开展人工智能基础教育的国家之一。不少中学开设了人工智能课程，并通过组织和开展相关教育竞赛活动来扩展和延伸人工智能教育。 2、美国中学人工智能课程的开展情况在美国现行的中学信息技术课程中，部分学校将人工智能作为必修或选修课程加以开设。美国各州根据自身的教育特点和目标，对人工智能教育的内容有不同的要求。3、澳大利亚

14、中学人工智能课程的开设情况部分中学在信息处理与技术课程中也开设了人工智能相关的课程。,国外中学的AI教育,以美国为例，在将信息技术作为独立课程进行设置与教学的学区中，信息技术课程的内容通常包括：（1）旨在培养学生信息技术技能与意识的内容。信息加工与应用。信息技术系统概论。人工智能概论。使学生认识人工智能的意义及其应用，并介绍自动化系统、机器人、虚拟现实技术等。使学生认识信息技术的大量运用以及人工智能的产生与发展可能对人类社会造成的各种影响。（2）计算机程序设计的内容,美国Chesterfield县公立中学AI课程设置,在佛吉尼亚州Chesterfield县公立中学的信息网站上，列出了为该县十几

15、所高中的在校学生提供的各类课程。在其中的“职业和技术教育类”课程中，人工智能是作为其中“信息系统技术”选修课程的一部分为优等生特别开设的。人工智能课程包括两个层次：ARTIFICIAL INTELLIGENCE (EXPERT SYSTEMS)和ADVANCED ARTIFICIAL INTELLIGENCE (EXPERT SYSTEMS)。,英国的ICT课程与AI教育 以苏格兰地区为例,ICT课程： 计算（Computing） 信息系统（Information Systems）每门课包括三个层次： 中级（Intermediate2） 高级（Higher） 高级提升（Adv Higher）每

16、个层次包括两部分： 必修单元（Mandatory units） 选修单元（Optional units）,英国中学ICT课程的基本构成,英国James Gillespies 中学的AI教学,澳大利亚Marsden高中AI课程的设置,澳大利亚昆士兰州的Marsden州立高中在开设的信息处理与技术（Information Processing and Technology）课程中，人工智能、信息系统、算法和程序设计、社会和伦理道德、计算机系统作为5个主题共同构成了该课程的教学内容。在该课程的大纲中规定，人工智能部分的教学内容在高中第三学期为12年级的学生开设，教学时间为10周，课时为35小时，共计

17、60堂课，其中核心教学内容的课时占2/3，拓展教学内容的课时占1/3。另外，在人工智能这一主题下，又分为人工智能I（专家系统）和人工智能II（人工智能的领域）两部分内容，课时安排分别为24和36堂课。,高中人工智能课程的教学资源,国内中学AI课程建设的现状,1、教材及相关读物的编写一些相关科普丛书先后出版，成为中学人工智能教育的参考书籍多家出版社组织编写了人工智能初步新教材，并开发了配套的教辅材料2、人工智能教育网络资源的建设国内已经开发和建设了一些适合中学生学习与体验的人工智能软件和网络资源3、人工智能教育活动和赛事的举办部分发达地区，一些部门、公司、学校早已开展了许多与人工智能教育相关的活

18、动4、中小学人工智能教学和实验的开展在我国比较发达的地区，不少条件较好的中小学都开展了机器人教育少数高中（广州、金华、武汉等）在新课标颁布后开展了人工智能教学实验,当前国内的高中AI教材,普通高中课程标准实验教科书 信息技术（选修5）人工智能初步教育科学出版社，张剑平主编，2004年第1版中国地图出版社，祝智庭主编，2005年第1版上海科技教育出版社，应吉康主编，2005年第1版广东教育出版社，李冠英主编，2005年第1版浙江教育出版社，陶增乐主编，2006年第1版,教科版人工智能初步,第1章 初识人工智能1.1什么是人工智能1.2人工智能可以为我们做什么第2章 了解人工智能语言2.1了解Pr

19、olog2.2使用Prolog2.3人工智能语言第3章 用计算机表示知识3.1知识及其类型3.2知识表示入门3.3知识表示的常用方法第4章 用计算机推理4.1 什么是专家系统4.2 专家系统如何工作4.3 如何开发专家系统第5章 用智能搜索解决问题5.1 可以通过搜索求解的问题5.2 穷举式搜索5.3 启发式搜索与博弈第六章 人工智能的发展与未来6.1 人工智能的发展6.2 人工智能的未来,张剑平主编教育科学出版社2004,当前国内的高中AI教材的比较,高中AI专题学习网站的建设,专题学习网站的意义当前有关高中人工智能教育、教学的专题学习网站非常缺乏，筹建一个专门针对高中人工智能教育教学的专题

20、学习网站十分必要。专题学习网站的规划和建设浙江师大教育技术系从2003年9月开始筹建该专题网站，经过三年多来的持续努力和不断建设，一个内容丰富、针对性强的专题学习网站已经初步建成，并逐渐成为相关师生的重要网络参考资源。华南师大附中在2005年上半年开设人工智能课程时，同步开发了支持教学的专题学习网站，为师生提供了较为丰富的网络资源。,人工智能教育应用,人工智能教育网,人工智能初步课程学习网,AI的网络教学资源：,人工智能的教育应用： http:/人工智能教育网： http:/ 人工智能初步课程学习网： http:/ai.itedu.info/中南大学国家精品课程 人工智能：http:/,Thank You!,