1、第一章 人工智能課程及其發(fā)展,粵教版人工智能初步教材教學(xué)研討,粵教版高中信息技術(shù)教材教學(xué)研究專家組 北師大深圳南山附屬學(xué)校吳良輝 2008年7月,引言,人工智能(Artificial Intelligence， 縮寫為AI ) 一詞自從1956 年在Dartmouth學(xué)會上提出至今，研究者們已經(jīng)發(fā)展了眾多理論和原理，人工智能的概念也隨之擴展。 人工智能是一門極富挑戰(zhàn)性的科學(xué)，它涉及計算機知識、心理學(xué)和哲學(xué)。 人工智能由不同的領(lǐng)域組成，如機器學(xué)習(xí)，計算機視覺等等。 人工智能研究的一個主要目標是使機器能夠勝任一些通常需要人類智能才能完成的復(fù)雜工作。,引言,何謂“復(fù)雜工作”？不同的時代、不同的人會有

2、不同的理解。例如，繁重的科學(xué)和工程計算本來是要人腦來承擔的, 而現(xiàn)代計算機不但能完成這種計算, 而且比人腦做得更快、更準確。當代人已不再把這種計算看作是“需要人類智能才能完成的復(fù)雜任務(wù)”。 復(fù)雜工作的定義是隨著時代的發(fā)展和技術(shù)的進步而變化的, 人工智能這門科學(xué)的具體目標也自然隨著時代的變化而發(fā)展。它一方面不斷獲得新的進展, 一方面又轉(zhuǎn)向更有意義、更加困難的目標。,引言,人工智能在某種意義上，可以把它理解成為機器系統(tǒng)的智能，是機器調(diào)度各種知識來解決問題的一種能力。如果機器有了這種能力，這個機器就可以幫助人去做很多很多的事情，甚至是相當復(fù)雜的事情。 已經(jīng)出現(xiàn)的許多不同功能的機器人，可以在很多場合來

3、完成本來應(yīng)該由人來完成的工作。 例如，清潔機器人、機器人足球、在一些具有危險性的場合運用機器人替代人去完成危險的操作，等等。,引言,機器的智能，顯然要介于植物和人類之間，它可以認識問題、解決問題，甚至能夠抽象的認識世界、優(yōu)化世界。 唯一與人不一樣的地方它不能夠像人一樣進行創(chuàng)造性思維。人工智能是要把人的智能的機制和信息科學(xué)技術(shù)相結(jié)合。因此我們講人工智能是生物學(xué)與信息學(xué)的一種交叉科學(xué)技術(shù)。,引言,目前能夠用來研究人工智能的主要物質(zhì)手段以及能夠?qū)崿F(xiàn)人工智能技術(shù)的機器就是計算機, 人工智能的發(fā)展歷史是和計算機科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展史聯(lián)系在一起的。 除了計算機科學(xué)以外, 人工智能還涉及信息論、控制論、自動化、

4、仿生學(xué)、生物學(xué)、心理學(xué)、數(shù)理邏輯、語言學(xué)、醫(yī)學(xué)和哲學(xué)等多門學(xué)科。,模塊學(xué)習(xí)目標對標準的理解,能描述人工智能的概念 由于人工智能涉及的學(xué)科、理論、方法和技術(shù)十分廣泛，它的應(yīng)用領(lǐng)域也是十分寬廣。我們認為，讓學(xué)生對“人工智能”有一個初步的、直觀的了解，引起他們對該課程的興趣是重要的。我們選擇知識與知識表示、專家系統(tǒng)、搜索技術(shù)以及Prolog語言的簡單應(yīng)用等內(nèi)容作為引導(dǎo)學(xué)生了解“人工智能”的入門。盡量結(jié)合一些實例介紹有關(guān)概念，讓學(xué)生能夠直觀地、準確地把握這些概念，盡管介紹是淺顯的。,對標準的理解,會使用一種人工智能語言解決簡單問題，把握其特點 為了讓學(xué)生能夠直觀地了解知識表示，我們選用Prolog語言

5、，這是一種邏輯型語言，是基于謂詞邏輯知識表示的。希望通過學(xué)習(xí)，讓學(xué)生知道計算機是如何通過人工智能語言在計算機上實現(xiàn)“人工智能”的。,對標準的理解,能利用簡易的專家系統(tǒng)外殼開發(fā)簡單的專家系統(tǒng) 在教材中，我們介紹了一個簡易的專家系統(tǒng)外殼InterModeller，通過實踐體驗活動，讓同學(xué)了解如何使用InterModeller來設(shè)計和實現(xiàn)一個簡易的專家系統(tǒng)，讓他們體會到人工智能的研究和應(yīng)用是如何走近我們的。,對標準的理解,知道人工智能對人類學(xué)習(xí)、生活的影響 在教材中，我們引入并設(shè)計了若干個實踐體驗活動來引導(dǎo)學(xué)生加深對有關(guān)概念的了解和把握。這些活動涉及的問題對同學(xué)們來說并不是十分陌生的，只要稍加引導(dǎo)，

6、大家就會感覺到在我們的身邊確實會面臨這些問題。,編寫教材的指導(dǎo)思想,我們希望通過形象直觀的表述，讓學(xué)生對人工智能的概念有一個初步的了解，同時對人工智能的應(yīng)用成果有所知曉。 內(nèi)容的安排 介紹知識及其表示，因為這是在計算機上實現(xiàn)“智能”必須面臨的一步。 介紹Prolog入門，這是一種人工智能語言，通過學(xué)習(xí)，學(xué)生們可以知了解在機器上實現(xiàn)智能的工具，并初步知道如何使用它，這樣的安排也許可以引起他們在學(xué)習(xí)的過程中動手的興趣。,編寫教材的指導(dǎo)思想,“專家系統(tǒng)”是人工智能應(yīng)用比較成功的一個領(lǐng)域。該系統(tǒng)中，對于知識及其表示，以及知識的應(yīng)用推理方法，都有比較好的詮釋，通過學(xué)習(xí)，學(xué)生可以對知識、知識的表示、知識的

7、應(yīng)用以及知識的實現(xiàn)會有一個比較完整的認識。,編寫教材的指導(dǎo)思想,搜索是人工智能的一種問題求解方法，搜索策略決定著問題求解的一個推理步驟中知識被使用的優(yōu)先關(guān)系。可分為無信息導(dǎo)引的盲目搜索和利用經(jīng)驗知識導(dǎo)引的啟發(fā)式搜索。啟發(fā)式知識常由啟發(fā)式函數(shù)來表示，啟發(fā)式知識利用得越充分，求解問題的搜索空間就越小。對于搜索技術(shù)的探索一直是人們關(guān)注的焦點。在教材中，我們給出一些簡單的介紹，希望引起學(xué)生的興趣和關(guān)注。,開展本課程教學(xué)的基本思路,根據(jù)高中階段學(xué)生的認知特點，選擇那些中學(xué)生易于理解的人工智能實際應(yīng)用問題作為案例展開教學(xué)。 充分利用相關(guān)媒體上的信息資源和軟件資源。 在學(xué)習(xí)的過程中組織學(xué)生開展相關(guān)討論，拓展

8、學(xué)生的視野，了解人工智能技術(shù)對學(xué)習(xí)、生活的重要作用。,教材構(gòu)思,“人工智能初步”分為五章： （一）人工智能的簡介 （二）知識與知識表示 （三）Prolog入門 （四）專家系統(tǒng) （五）搜索技術(shù),教材結(jié)構(gòu),知識及其表示,搜索技術(shù),專家系統(tǒng),Prolog入門,算法,狀態(tài)空間表示,人工智能簡介,邏輯表示,產(chǎn)生式規(guī)則表示,一種工具,一種工具,人工智能簡介,首先介紹人工智能的基本概念，然后介紹人工智能的幾個應(yīng)用領(lǐng)域。 為了引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓他們知道這些應(yīng)用并不是紙上談兵，我們結(jié)合已經(jīng)實現(xiàn)的應(yīng)用系統(tǒng)，讓同學(xué)們通過實踐體驗的方式來體驗這些應(yīng)用。 在閱讀材料中，我們采用文字加插圖來介紹人工智能發(fā)展歷程中的幾

9、件有影響的事，以一種比較形象的方式介紹人工智能發(fā)展史。,人工智能簡介,我們引進一些網(wǎng)站的目的就是希望引導(dǎo)同學(xué)主動的去查找一些人工智能的成功應(yīng)用案例，激發(fā)他們自主學(xué)習(xí)的能力，學(xué)會如何從不同的媒體中尋找自己感興趣的資料和信息。,人工智能研究的主要內(nèi)容,人工智能學(xué)科研究的主要內(nèi)容包括： 知識表示 自動推理和搜索方法 機器學(xué)習(xí)和知識獲取 知識處理系統(tǒng) 自然語言理解 計算機視覺 智能機器人 自動程序設(shè)計 ,知識表示,知識表示是人工智能的基本問題之一，推理和搜索都與表示方法密切相關(guān)。常用的知識表示方法有：邏輯表示法、產(chǎn)生式表示法、語義網(wǎng)絡(luò)表示法和框架表示法等。 常識的表示受到人們的關(guān)注。已提出多種方法，如

10、非單調(diào)推理、定性推理，從不同角度來表達常識和處理常識。,自動推理和搜索方法,問題求解中的自動推理是知識的使用過程，由于存在多種知識表示方法，相應(yīng)地有多種推理方法。 推理過程一般可分為演繹推理和非演繹推理。謂詞邏輯是演繹推理的基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)化表示下的繼承性推理是非演繹性的。 由于知識處理的需要，近幾年來提出了多種非演澤的推理方法，如連接機制推理、類比推理、基于示例的推理、反繹推理和受限推理等。,自動推理和搜索方法,搜索是人工智能的一種問題求解方法，搜索策略決定著問題求解的一個推理步驟中知識被使用的優(yōu)先關(guān)系。 無信息導(dǎo)引的盲目搜索：廣度優(yōu)先，深度優(yōu)先。 利用經(jīng)驗知識導(dǎo)引的啟發(fā)式搜索：啟發(fā)式知識常由啟發(fā)

11、式函數(shù)來表示，啟發(fā)式知識利用得越充分，求解問題的搜索空間就越小。 搜索方法的研究已經(jīng)關(guān)注那些具有百萬節(jié)點的超大規(guī)模的搜索問題。出現(xiàn)了諸如模擬退火、遺傳算法、蟻群算法等優(yōu)化搜索算法。,機器學(xué)習(xí)和知識獲取,機器學(xué)習(xí)是人工智能的另一重要課題。機器學(xué)習(xí)是指在一定的知識表示意義下獲取新知識的過程，按照學(xué)習(xí)機制的不同，主要有歸納學(xué)習(xí)、分析學(xué)習(xí)、連接機制學(xué)習(xí)和遺傳學(xué)習(xí)等。機器學(xué)習(xí)是要使計算機能模擬人的學(xué)習(xí)行為，自動地通過學(xué)習(xí)獲取知識和技能，不斷改善性能，實現(xiàn)自我完善： 三個方面的研究內(nèi)容：（）學(xué)習(xí)機理研究（）學(xué)習(xí)方法研究（）面向任務(wù)研究,知識處理系統(tǒng),知識處理系統(tǒng)主要由知識庫和推理機組成 知識庫存儲系統(tǒng)所需

12、要的知識，當知識量較大而又有多種表示方法時，知識的合理組織與管理是重要的。 在問題求解時，規(guī)定使用知識的基本方法和策略，推理過程中為記錄結(jié)果或通信需要設(shè)置數(shù)據(jù)庫或采用黑板機制。 如果在知識庫中存儲的是某一領(lǐng)域(如醫(yī)療診斷)的專家知識，則這樣的知識系統(tǒng)稱為專家系統(tǒng)。為適應(yīng)復(fù)雜問題的求解需要，單一的專家系統(tǒng)向多主體的分布式人工智能系統(tǒng)發(fā)展，這時知識共享、主體間的協(xié)作、矛盾的出現(xiàn)和處理將是研究的關(guān)鍵問題。,自然語言理解,自然語言處理 自然語言的處理是人工智能技術(shù)應(yīng)用于實際領(lǐng)域的典型范例，經(jīng)過多年艱苦努力，這一領(lǐng)域已獲得了大量令人注目的成果。目前該領(lǐng)域的主要課題是：計算機系統(tǒng)如何以主題和對話情境為基礎(chǔ)

13、，注重大量的常識世界知識和期望作用，生成和理解自然語言。這是一個極其復(fù)雜的編碼和解碼問題。 智能信息檢索技術(shù) 受信息技術(shù)迅猛發(fā)展的影響，信息獲取和精化技術(shù)已成為當代計算機科學(xué)與技術(shù)研究中迫切需要研究的課題，將人工智能技術(shù)應(yīng)用于這一領(lǐng)域的研究是人工智能走向廣泛實際應(yīng)用的契機與突破口。,智能機器人,機器人一般地可以看作為自動機器。自動機器就是自動機。比方說大家家里用的洗衣機也好，電冰箱也好，甚至你家庭的這些操作系統(tǒng)也好，或者像大家比較熟悉的程控交換機，通信網(wǎng)里頭的所有這些裝置都是自動機。 自動機器的共同特點：由設(shè)計機器的人，事先用一個程序來描述機器要做的各種各樣的工作。機器只能夠按部就班地完成這些

14、程序，它不能做別的事，程序里頭沒有的事情，機器不會做，它是一個嚴格受限于設(shè)計者事先設(shè)計的內(nèi)容，而且只能解決特定的問題。,智能機器人,智能機器它沒有一個事先固定的，按部就班的程序。設(shè)計者事先給它輸入的東西： 一、是必要的知識； 二、是你的問題； 三、是你的規(guī)則； 四、是你的目標或者成功和失敗的準則。 當一個問題出現(xiàn)以后，智能機器會針對這個問題，在知識當中去尋找能夠解決這個問題的知識，這些知識形成一個規(guī)則，然后去解決這個問題。而不是按人類事先指定的程序按部就班地走，這就是它的智能所在。,智能化的發(fā)展,智能化對我們的現(xiàn)代化和我們國家現(xiàn)在正在推進的信息化，意義是非常大的。 智能化模型告訴我們社會的進步

15、依賴于科學(xué)技術(shù)提供的先進的生產(chǎn)工具，人利用這種工具去跟各種勞動對象打交道，形成先進的生產(chǎn)力。先進的生產(chǎn)力要求先進的生產(chǎn)關(guān)系跟它相適應(yīng)，從而導(dǎo)致先進的經(jīng)濟形態(tài)，產(chǎn)生好的產(chǎn)品來滿足社會的需求。老的需求滿足之后，新的需求又會出現(xiàn)，這樣不斷地循環(huán)，不斷地走向更高的階段。,智能化的發(fā)展,智能系統(tǒng)除了別的系統(tǒng)具有的功能以外，還具有智能。具有智能的機器，可以幫助人做更多、更好、更復(fù)雜、更重要的事情。 一切有理想、有抱負的民族和個人都可以在這樣一個充滿夢想、機會和創(chuàng)新的事業(yè)中大顯身手。,內(nèi)容提要,人工智能初步課標內(nèi)容剖析 教材模塊介紹 課堂教學(xué) 教學(xué)評價,一、課標內(nèi)容剖析,本書以應(yīng)用人工智能技術(shù)解決問題為主線

16、,按照“知識表達與人工智能語言推理與專家系統(tǒng)問題求解”這一線索呈現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容。全書分為五章： 1.人工智能初探 2.知識表示及PROLOG語言 3.專家系統(tǒng) 4.問題求解 5.人工智能的回顧與展望,1.1課程目標 知識的介紹了解人工智能的一些基本概念、方法，典型應(yīng)用， 人工智能對人類學(xué)習(xí)、生活的影響。 技能的培養(yǎng)解決的問題類型：結(jié)構(gòu)不良的問題以及結(jié)構(gòu)化的難問題。 難度要求：基本原理和方法的簡單應(yīng)用。 人文素質(zhì)的培養(yǎng)感受人工智能技術(shù)的豐富魅力，增強對信息技術(shù)發(fā)展前景的向往和對未來生活的追求。,一、課標內(nèi)容剖析,1.2課標內(nèi)容結(jié)構(gòu),一、課標內(nèi)容剖析,人工智能初步,知識及其表達,推理與專家系統(tǒng),人工智

17、能語言與 問題求解,知識及其表達,相關(guān)的背景知識了解人工智能的概念與基本特點； 了解、體驗人工智能某些典型應(yīng)用、發(fā)展現(xiàn)狀,掌握知識表達的幾種基本方法。,1.2課標內(nèi)容結(jié)構(gòu),一、課標內(nèi)容剖析,1.2課標內(nèi)容結(jié)構(gòu),一、課標內(nèi)容剖析,推理與專家系統(tǒng),了解專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、工作的基本過程。,知道專家系統(tǒng)正向、反向推理的基本原理。會描述一種常用的不精確推理的基本過程。,了解專家系統(tǒng)解釋機制。,會用專家系統(tǒng)外殼來開發(fā)簡單的專家系統(tǒng)。,人工智能語言與問題求解,了解一種人工智能語言，初步學(xué)會使用該語言設(shè)計程序上機求解簡單問題。,了解狀態(tài)空間的概念與方法，學(xué)會用該方法描述待求解的問題。,了解盲目搜索、啟發(fā)式搜

18、索的基本思想及其特點。,1.2課標內(nèi)容結(jié)構(gòu),一、課標內(nèi)容剖析,1.3各部分之間的關(guān)系,一、課標內(nèi)容剖析,知識表示是基礎(chǔ) 搜索技術(shù)是核心 專家系統(tǒng)是目標,1.4重點難點,一、課標內(nèi)容剖析,知識表示 產(chǎn)生式規(guī)則、狀態(tài)空間、Prolog語言。 專家系統(tǒng)的推理原理；簡單專家系統(tǒng)的構(gòu)造。 各種搜索策略的基本原理。,二、人工智能初探,2.1教材編寫思路,學(xué)生通過觀摩或?qū)嶋H操作，體驗人工智能在模式識別、專家系統(tǒng)、問題求解等方面的典型應(yīng)用。,第一課時 師：在信息技術(shù)基礎(chǔ)同學(xué)們已經(jīng)學(xué)會了收集、處理、分析信息，選擇學(xué)習(xí)人工智能初步，也是因為你們能人工智能有著極大的興趣，不知道大家對人工智能了解多少？下面，我們請同

19、學(xué)們運用已經(jīng)學(xué)過的知識來完成一個任務(wù)。 任務(wù)：分小組收集有關(guān)人工智能的信息，做出整理并形成報告。 問題1：人工智能的概念、歷史、發(fā)展過程 問題2：現(xiàn)實生活中，哪些地方使用了人工智能？ 要求：小組長對本組成員進行分工，每人根據(jù)自己的特長完成相應(yīng)的任務(wù)，最終小組進行討論，完成小組任務(wù)，并推薦一人在下一課時報告本小組任務(wù)完成情況，交流知識。 說明：小組在課前確定，成員自由組合，人數(shù)確定，小組長由小組成員推舉產(chǎn)生。 給各小組一個課時的時間用來搜集資料，完成相關(guān)任務(wù)。 本環(huán)節(jié)的設(shè)計，一方面是運用已有知識，讓學(xué)有所用；另一方面，基于高中生已經(jīng)有一定的分析歸納能力，對于概念性的東西不喜歡拿來主義的原因，讓他

20、們自已搜索，可能會印象更深刻一些，同時達到協(xié)作學(xué)習(xí)的目標，無意間培養(yǎng)其合作的能力。,二、人工智能初探,2.2內(nèi)容介紹,什么是人工智能 人工智能的基本內(nèi)容,環(huán)境,機器感知 獲取知識,機器學(xué)習(xí) 獲取知識,機器思維 處理知識,機器行為 運用知識,使機器具有類似于人的這些感知能力,讓機器能夠識別并理解文字、圖像、語言等。,使機器能夠模擬人類的思維活動，對通過感知得來的外部信息及機器內(nèi)部的各種工作信息進行有目的地處理。,二、人工智能初探,人工智能的主要應(yīng)用領(lǐng)域,人工智能,模式 識別,自然 語言 理解,自動 程序 設(shè)計,智能 代理,機器 證明,專家 系統(tǒng),人工 神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò),2.3教學(xué)重點,人工智能的概念與基本特點 人工智能基本內(nèi)容 人工智能的主要應(yīng)用領(lǐng)域,理解人工智能的基本概念 人工智能的主要應(yīng)用領(lǐng)域,二、人工智能初探,2.4教學(xué)難點,二、人工智