第六章 人工智能初步.doc

第六章 人工智能初步人工智能技术是当前信息技术发展的热点之一，是一门研究运用计算机模拟和延伸人脑功能的综合性学科。“人工智能初步”部分强调在必修模块的基础上关注技术能力与人文素养的双重建构，是信息素养培养的继续，是支持个性发展的平台。人工智能技术在求解策略和处理手段上具有独到之处，是解决非结构化、半结构化问题的一类有效技术。“人工智能初步”模块的设置目的是使学生在掌握与使用技术的过程中，体验人类专家解决复杂问题的思路，培养多种思维方式，提高信息素养；了解信息技术发展的前沿，逐渐领会信息技术在现代社会中的应用对科学技术和人类社会发展的深远意义，产生对信息技术未来的追求。李艺：信息技术课程标准解读访问时间：2005-12-12。必修模块信息技术基础对人工智能也有所涉及。不同之处是必修模块只是建议使用自然语言进行对话，体验人工智能的应用，而本模块则要求学生掌握人工智能语言这一基本工具的主要特征及简单应用方法，对语言掌握程度的要求提高到简单开发层面。广东省普通高中信息技术课程标准教学指导意见广州教育科研网，访问时间2005年12月在本模块中，课程标准选择了人工智能领域内容易为高中学生所理解和掌握的部分内容：知识及其表达、推理与专家系统、人工智能语言与问题求解共3个主题，结构如下：第三章第六章第一章第四章第二章第五章知识及其表达推理与专家系统人工智能语言与问题求解人工智能初步“知识及其表达”主题涉及的内容相对其他两个主题而言具有一定的独立性，是整个模块的基础。通过本主题的学习，使学生理解知识及知识表示的概念，认识到知识表示在人工智能领域中的重要作用，掌握几种常见的知识表示方法；并通过对人工智能领域最新发展现状的描述和未来展望，使学生能够了解人工智能这个信息技术应用发展的前沿领域，增强学习兴趣，为后面专家系统、问题求解等内容的学习打好基础，同时激发对人工智能未来的追求。“推理与专家系统”主题旨在培养学生利用专家系统解决问题的能力。本主题让学生体验专家系统的魅力，了解专家系统如何利用知识进行推理，并基于生活实践开发一个简单实用的专家系统。通过一系列的学习，开阔视野，培养兴趣，激发学生探讨人工智能技术的热情。“人工智能语言与问题求解”主题实践性较强，主要让学生用人工智能方法来解决现实生活中的一些问题。通过学习，使学生能掌握人工智能语言的相关概念，了解其基本数据结构和程序结构，对人工智能语言及其特征形成一定的认识，并能够使用一种人工智能语言编写程序求解简单的问题，能够上机调试、执行相应的程序。并使学生知道用人工智能方法解决问题的实质就是计算机搜索，让学生学会用盲目搜索和启发式搜索等搜索方法求解问题，了解人机博弈的实质，能用搜索技术解决现实生活中的一系列问题。通过本主题的学习，能使学生初步掌握人工智能技术分析问题、解决问题的思路和方法，初步体验人工智能技术求解策略和处理手段的独特之处。通过本模块的教学，重点让学生能描述人工智能的基本概念，学会使用一种人工智能语言解决简单问题，把握其基本特点；能利用简易的专家系统外壳开发简单的专家系统；知道人工智能对人类学习、生活的影响；通过感受人工智能技术的丰富魅力，增强对信息技术发展前景的向往和对未来生活的追求。本模块的难点在于用人工智能方法解决实际问题。高中人工智能课程目标的基本点是了解和体验，在教学中，应根据高中学生的认知发展规律和本学科的特点组织教学内容，选择那些与学生们学习、生活关系密切的、看得见、摸得着的人工智能实际应用问题作为案例展开教学。人工智能初步作为一门独立的课程，其最基本的工具人工智能语言的介绍是不可缺少的，但必须考虑中学生的特点安排教学，只介绍它的主要特征和最为简单的应用方法。例如，了解一种常用的人工智能语言（如Prolog），能用递归方法编写简单程序求解问题等。 在人工智能课程的教学活动中，必须充分发挥网上信息资源和网上软件资源的作用。例如，利用相应的网站可以在线（Online）进行专家系统、符号运算、机器翻译等内容的教学与实验，直接通过Internet运行各种应用软件，既可节约大量的软件购置成本，又可降低应用软件安装与维护的技术难度。 张剑平：关于人工智能教育的思考，电化教育研究2003年第1期，第24页。第一节 知识及其表达“课标”相关内容1. 能描述人工智能的概念与基本特点；知道人工智能技术随着计算机硬、软件技术的进步和应用需求而发展的事实和客观规律。2. 列举人工智能的主要应用领域；通过演示或实际操作，体验人工智能的若干典型应用，知道其发展现状。3. 掌握知识的概念；学会知识表达的基本方法。一、内容结构图：概念与基本特点人工智能概述知识及其表达 应用领域 人工智能的应用发展现状 基本概念 表达方法 知识及其表达二、学习目标细目表学习内容学习结果行为指标(当学生获得这种学习结果时，他们能够)人工智能的概念与基本特点说出两到三种典型的人工智能定义，并了解其产生背景；通过实例说明人工智能技术的特点，如它是一门综合性的学科、研究内容广泛、应用广泛等；了解人工智能技术随着计算机软、硬件技术进步而发展的事实，简单地归纳其客观规律。人工智能的应用列举实例说明人工智能的主要应用领域，如工业、商业、教育以及日常事务处理等；熟悉三种以上人工智能典型应用，如符号运算、自然语言理解、模式识别（指纹识别、语音识别、光学字符识别等）。人工智能的发展查找人工智能领域研究最活跃的部分，举出应用实例；说出智能机器人研究的最新进展情况，并给出自己对未来智能机器人的设想。知识的概念描述人工智能技术中使用的知识的概念。知识表达的基本方法了解常用的知识表达的基本方法，如框架表示法、产生式规则表示法、状态空间表示法、与或图表示法等； 会手工或者借助工具软件进行上述各种知识表示形式的相互转换。三、重点与难点分析（一）重点1. 人工智能的概念通过了解人工智能的具体内容和涵义，使学生对人工智能有宏观的把握，形成整体认识，为学习后续各章节提供必要的知识准备。2. 智能机器人的定义及其研究现状该部分内容是人工智能领域中进展最活跃的部分，也是学生最感兴趣的部分，通过对其最新发展现状的描述，使学生能够进一步了解信息技术应用发展的前沿领域人工智能，从而增强学习兴趣，激发对人工智能未来的追求。3. 知识表达的常用的几种基本方法知识表示方法是人工智能技术求解问题的基础，也是学好人工智能课程的前提，是必须掌握的内容，掌握的好坏会对后面内容的学习产生直接的影响。需重点掌握框架表示法、产生式规则表示法、状态空间表示法。（二）难点1. 人工智能的概念目前人工智能还没有公认的定义，需要教师引导学生查找各种较为权威的说法，以加深学生对人工智能概念的理解。2. 人工智能的若干典型应用，如自然语言处理、模式识别、机器学习、智能代理等因大部分学生对人工智能了解尚不多，本部分的教学老师宜从贴近生活的角度来教学，以帮助学生较系统的了解人工智能技术给人类生活带来的影响，同时消除学生对人工智能的神秘感。3. 框架表示法、产生式规则表示法、状态空间表示法、与或图表示法的应用对大部分初次接触人工智能的学生来说，用这些方法表达知识往往显得比较抽象，难以理解，但本部分又是学好人工智能课程必须掌握的内容，需要教师精心设计教学。四、教学建议该部分能够使学生对人工智能及其应用有宏观的把握，涉及情感、态度、价值观的教育，内容概括性强，较抽象，对教学富有挑战性。教师上课时很容易落入说教的俗套，能否通过实例、演示等方法将抽象转为具体、形象，是在该部分的教学中需要特别关注的方面。老师备课时要多查找资料，引导学生探讨人工智能的其他内涵，思索有关人工智能的深层次问题。该模块中知识及其表示部分是人工智能的基本组成部分，学生能否掌握、掌握的怎么样对其它内容的学习会产生一定影响，所以必须引起教师的重视。特别是几种常用的知识表示方法，对初次接触人工智能的学生来说，往往难以理解，需要教师精心设计教学。建议教师在讲授理论性知识的同时，多涉及些实践活动，使学生通过主动参与来把握知识点。 李艺：人工智能教学初步教学用书教育科学出版社，2005年版，第52页。1、人工智能的概念教师在讲解概念的同时可以引导学生探讨智能及人工智能的其他内涵，思索有关人工智能的深层次问题，如思考人工智能给人类生活带来的影响。本节的教学可以用辩论的形式或者辩论式讨论来引发学生思考；也可以提供给学生相关的资料让学生阅读学习；或者采取问题探究的方式，但问题的设置应该考虑到教学环境条件和教学实际需要。例1你的周围有哪些方面用到了人工智能？你所希望的充满智能的生活是什么样子的？例2辩论：人工智能能否胜过人类智能。2、人工智能的主要应用领域，如自然语言处理、模式识别、机器学习、智能代理等教师宜采用学生熟悉的实例引导学生理解本部分内容，以使学生能从已有的经验建构新的知识体系，让学生形象直观的感受到人工智能技术给人们生活带来的诸多便利，初步感受人工智能的魅力。可以分小组查找相关资料、亲身体验并交流讨论，然后各组陈述讨论出的结果，最后教师点评。例1可以从生活中寻找类似机器翻译等学生较为熟悉的实例：让学生上网打开“译星”在线翻译，或者金山快译等软件中的全文翻译，让学生感受到人工智能技术给人们生活带来的诸多便利。例2人工智能的另一应用领域符号运算，考虑到在中学数、理、化、生物等学科中可能会有大量的符号运算问题，本节的教学可以通过引导学生打开网站，举在线运算实例Mathematica，使学生感受到用计算机辅助运算和解题的魅力。例3师：请同学们运用已经学过的知识来完成两个任务。生：分小组收集有关人工智能的信息，完成任务1，做出整理并形成报告。任务1：现实生活中，哪些地方使用了人工智能？ 高中生已经有一定的分析归纳能力，让他们自己动手搜索，印象会更深刻，同时通过协作学习，培养其合作的能力。小组汇报任务1。任务1的汇报结束后，由教师点评，并与学生逐一学习人工智能技术的主要应用。如：(1)自然语言处理（可举例说明，如机器翻译，可以让学生体验在线翻译；再如自然语言理解，可让学生在线与Alice对话）;(2)智能代理（教师展示微软办公软件小助手，根据学生情况可适当增加一些例子，如智能搜索等；另外，可以推荐给学生致力于智能代理的开发与管理的网站：/ ）；(3)模式识别（这里教师可举指纹识别、脸部识别、语音识别、指纹识别等例子，并创设相应的情景）;(4)人机对弈（1997年，“深蓝”计算机战败国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫的故事）;每个活动可以安排3-5分钟的时间来完成，最后跟学生一起讨论：我们列举的生活中运用的人工智能分别属于哪些应用领域？ 这样不再是教师的单纯说教，而是让学生在体验中去理解人工智能的应用，进而自然过渡到对人工智能本质的探讨。任务2：在人们对人工智能的描述中，请总结出你认为较合适的人工智能的概念。这个问题主要解决人工智能的概念问题，但要了解其概念，对其历史、发展必然要进行一番探讨。课堂的目标关键是要解决“什么是人工智能”，人们对人工智能的描述是怎样的。小组汇报，教师总结。本环节引导学生自主学习、探究问题，让学生在体验中理解人工智能的本质，避免了教师在教学过程中对理论性较强的概念的单纯说教，主要是为了加深学生对人工智能概念的理解，为学生学习人工智能初步打下基础，培养他们学习研究的兴趣和能力。3、知识表达的常用的几种基本方法，重点是一阶谓词逻辑、产生式规则表示、状态空间表示法这些内容与后面人工智能语言、专家系统和通过搜索来求解问题有着紧密的联系。知识表示方法是学好人工智能课程必须掌握的内容，是该门课程的一个重要知识点，而大部分学生为初次接触，教学时教师应遵循认知规律，多用学生熟悉的例子，避免脱离实际，同时要与人工智能语言的相关知识点联系起来。这样才能有效的促进知识的迁移，使学生更好的理解、掌握该部分内容。一阶谓词逻辑较容易理解，但多做练习是必要的。学习产生式规则表示法时，建议在学生搞懂基本原理的前提下，结合学生熟悉的日常知识来设计例子，通过必要的联系来促进知识的迁移。状态空间表示法中，宜把状态空间图的概念与“汉诺塔”等问题结合起来分析，这样有助于学生对知识点的理解和掌握。例1 用产生式规则表达简单的“动物识别”知识。例2 将上述“动物识别”的产生式规则用“与/或图”来表达。例3 对以上几种常用的知识表示方法的特点、适用场合进行比较。第二节 推理与专家系统“课标”相关内容1. 演示或使用简单的产生式专家系统软件，感受用专家系统解决问题的基本过程；了解专家系统的基本结构。2. 通过实例分析，知道专家系统正向、反向推理的基本原理；会描述一种常用的不精确推理的基本过程。3. 了解专家系统解释机制的基本概念及其在专家系统中的重要作用。4. 了解专家系统外壳的概念；学会使用一个简易的专家系统外壳，并能用它开发简单的专家系统。一、内容结构图：专家系统工作原理系统外壳推理与专家系统 基本过程概念 开发 基本结构 反向推理不精确推理正向推理解释机制 二、学习目标细目表学习内容学习结果行为指标(当学生获得这种学习结果时，他们能够)用专家系统解决问题的基本过程会使用简单的产生式专家系统软件；体验用专家系统解决问题的基本过程。专家系统的基本结构说出专家系统的组成部分：人机接口、知识库、推理机、动态数据库、解释器；了解以上各部分的功能。专家系统的工作原理正向推理说出推理的含义；说出专家系统正向推理的含义；结合实例描述正向推理的基本过程，解释其基本原理。专家系统的工作原理反向推理了解专家系统反向推理的含义；结合实例描述反向推理的基本过程，解释其基本原理。专家系统的工作原理不精确推理了解专家系统不精确推理的含义；结合实例描述常用的不精确推理的基本过程。专家系统的解释机制了解专家系统中解释功能的作用；结合实例说明专家系统的解释机制在专家系统中的作用。专家系统外壳的概念了解专家系统外壳的概念和作用；掌握专家系统外壳的使用方法。简易的专家系统外壳描述用一个简易的专家系统外壳开发专家系统的基本步骤；结合身边的应用实例（如校园植物、动物园动物、交通工具等）构建一个专题知识库；将知识库填入所选的外壳，构建这个专家系统。三、重点与难点分析（一）重点1. 专家系统的组成部分及其各部分的功能。该内容是学习专家系统的工作原理的基础，应让学生扎实掌握。2. 推理机的基本工作原理推理机是专家系统的“思维”机构，是否理解本部分内容对掌握整个人工智能初步模块有着举足轻重的作用。推理机最基本的工作方式是正向推理和反向推理，而不精确推理是人工智能中经常碰到的处理不确定信息的推理方式。通过该部分的教学，利于学生多种思维方式的培养。（二）难点1. 专家系统的组成部分及其各部分的功能。本部分内容比较抽象，教学时应努力避免教条式的讲解。2. 专家系统正向推理、反向推理、不精确推理的基本过程和基本工作原理本部分内容比较抽象，形式化较难，需要教师特别注意。3. 运用简易的专家系统外壳开发专家系统的基本步骤通过引导学生实践，培养学生用人工智能方法解决问题的能力，体验人类专家解决复杂问题的思路，培养多种思维方式。借助专用的专家系统的“外壳”或开发工具，让学生在构建小型知识库的层面上参与人工智能的开发与应用实践，即从网上下载简易的专家系统外壳，利用其开发简单的专家系统，让学生通过对这种过程的亲历和体验，掌握开发专家系统的步骤，并利用其它学科知识作为知识库的内容，从而实现熟悉专家系统外壳和整理零碎知识的双重目的。四、教学建议专家系统是人工智能中的重要组成，也是其应用的一个主要方面，它是模拟人类专家解决问题的思路和经验，来解决现实社会特定领域中复杂问题的一类软件系统。一般而言，借助人工智能语言构筑专家系统是一个具有相当技术水平的工作，首先需要对人工智能语言的掌握与运用达到较高的水平。然而，标准中关于人工智能语言的初步要求符合学生的实际认知水平，但远远达不到构筑专家系统对语言能力的要求。因此，完全依靠学生自己的技术水平去开发专家系统是不现实的，学习任务超出了学生的“最临近发展区”，只会打击学生的积极性。李艺：信息技术课程标准解读访问时间：2005-12-12。这一部分内容大多比较抽象，学生的已有经验较少，教师可以将人类的大脑、人类推理的方式和特点与专家系统及其推理机相类比来帮助学生理解。虽然专家系统完全是个新事物，但是它与各种知识表示，尤其是学生有一定知识基础的产生式规则表示方式有密切的关系。教师在教学设计时，不能忽视这个有利于学生知识增长和能力发展的“最临近发展区”。1. 通过简单的程序来演示专家系统正向推理、反向推理、不精确推理的基本过程，从而理解推理机的基本工作原理。在这一部分中，专家系统的推理原理是教学的一大难点。“推理”这个词对于高二学生来说不会太陌生，在平常的学习和生活中已经有所接触，并有一定的感性经验，但专家系统的推理则属于新内容。因此，在这部分的教学中，应该尽量使用问题解决学习的方法，使学生在不断地提出问题、解决问题的过程中学到知识，促进推理思维和问题解决能力的进一步发展。 李艺：人工智能教学初步教学用书教育科学出版社，2005年版，第86页。推理机最基本的方式是正向推理和反向推理，学生只要掌握其中一种推理方式即可推演到另外一种。而不精确推理是人工智能中经常碰到的处理不确定信息的推理方式。2. 掌握用一个简易的专家系统外壳开发专家系统的基本步骤，并动手开发一个简单的专家系统为了对专家系统解决问题的模式有更深刻的了解，需要学生动手参与专家系统的开发，在过程中加深理解。为了降低难度，可以借助专用的专家系统的“外壳”或开发工具，让学生在构建小型知识库的层面上参与人工智能的开发与应用实践。不应让学生通过学习人工智能语言来开发专家系统外壳，因为这对绝大多数学生来说都有些偏难了。例1 在专家系统的教学过程中，让学生自行构建由产生式规则组成的知识库。例2 针对学生熟悉或感兴趣的一个分类问题，利用简易专家系统外壳开发一个简单的专家系统。如，用于识别校园中植物的专家系统（详见本章第四节案例一）。例3认识专家系统教学设计 转自人工智能教育网/zjh/ai/，访问时间2006年2月。唐浩 广东省佛山市南海区石门中学本节内容是新课标广东教育出版社人工智能初步选修模块第三章“专家系统”的入门篇，旨在引导学生对人工智能的应用有更进一步的了解，对诸如语音识别系统，生物医疗诊断系统，制定最佳行车路线的GPRS等类似的专家系统的结构、功能有一个较全面的理解。是对前一章“知识表示”学习的应用，之后将深入学习专家系统的知识获取、推理过程、解释功能和开发等。教学程序（一）新课引入展示智能机器人的画面，说明智能机器人是人工智能中的应用，人工智能中还有一种计算机系统广泛应用于我们的生活与科技中，以此引入将要学习的专家系统。播放疯狂医院看病记的Flash动画。学生观看动画，回忆自己曾接受医生治疗的情形。感受并讨论人类医学专家在解决复杂问题时的思维。（二）提出问题、学生实践探究及归纳总结在教学的不同阶段分别向学生提出两个问题，并通过多媒体网络广播系统演示专家系统操作过程，学生在操作中通过小组协作交流探究问题的解决。最后教师对学生的探究结果进行归纳总结，让学生透过现象看到本质。并通过辩论加深对专家系统的认识。【问题一】专家系统有什么特征？首先指导学生带着“专家系统和人类专家有什么相同点与不同点？”的问题操作“疾病诊断治疗专家系统”，体验电脑专家如何为人看病的。设计意图：软件操作不但能使学生更好的理解问题，而且也能促进思维，为学生理解复杂抽象的难题提供了帮助。学生探究：学生通过小组协作的方式，结合软件操作和人类医生的思维过程可以得出最大的相同点是专家系统能模拟人类医生的思维过程，一步一步循序渐进从而提出诊断问题。教师总结：教师引导学生学生从探究结果归纳出专家系统的特征。教师从专家系统的特征引出专家系统的概念。【问题二】专家系统有哪几个基本组成部分？各部分功能是什么？指导学生分组操作“动物识别专家系统”，并推理出表1中的动物分别是什么，并要求学生思考：这个动物识别专家系统由哪几个部分组成、各部分的功能与作用是什么？表1 动物特征表第一组有羽毛，会游泳，不会飞，有黑白二色产奶，吃肉，黄褐色，有暗斑点有蹄，产奶，有黑条纹有羽毛，有长脖子，有长腿，不会飞，有黑白二色 *第二组有暗斑点，有长脖子，有长腿，产奶，有蹄产奶，吃肉，黄褐色，有黑条纹有羽毛，会游泳，不会飞，人养，嘎嘎叫，会下蛋不会飞，人养，有羽毛， 早晨叫 *第三组有羽毛，吃肉，夜间活动，睁一只眼睡觉不会飞，人养，会下蛋，陆地生活，有羽毛吃杂食，吃了就睡直立行走，会制造工具，会使用工具 *设计意图：让学生实际操作，通过小组协作和自主学习相结合的方式，完成对问题的探究。培养学生观察分析问题的能力。表1提供的动物特征都是学生比较感兴趣的，这样能引起他们的学习兴趣。教师演示：演示表1中某个动物的推理操作。学生探究：通过实际操作，推理得出每组里面的动物各是什么。在操作过程中能对该系统的组成和功能有感性的认识。注：教师设置系统的知识库中，每组最后一个动物都不能推理出来，以促使学生思考，加深对专家系统“知识库”的认识。教师总结：引导学生归纳动物识别系统的组成及各部分功能后，推广到广泛意义的专家系统。专家系统由人机交互接口、综合数据库、推理机、知识库、解释器组成。并讲解各部分功能和工作流程。【辩论赛】专家系统VS人类专家情景设置：为了加深学生对专家系统的认识，组织学生分两组辩论，从而比较出专家系统与人类专家的优缺点分别是什么。在辩论之前，教师讲述斯坦福大学实验的故事（图6.1），为辩论开始作铺垫，激发学生的辩论激情。图6.1 斯坦福大学实验现场图右边是9个医生和一个专家系统，他们分别对10个病人诊断并开出处方，图左边是由8个专家组成的评判小组，对10个处方进行评判。实验的结果是专家系统开的处方更全面。学生辩论：双方就各自的观点对对方予以反驳、辩论。学生能从辩论中得出人类专家有人情味，处理问题更灵活，而专家系统成本低，使用期限不受限制，而且专家系统可被复制的特点能降低成本、增加效益。这些需要教师引导学生归纳出来。（三）活动探究学生首先阅读专家系统的类型，然后分组自主上网体验国内外开发的各类专家系统，了解它们的分类，感受专家系统的应用前沿。在动手操作与比较分析的基础上，每组同学就各自的想法和体验，按照专家系统处理问题的类型，对教师提供的专家系统进行分类（表6.1）。表6.1 专家系统分类表第一组农业专家系统、环境情况自我评价系统、摄像机购买选择系统、人力资源分配系统、飞机故障诊断与维修系统第二组奶牛专家系统、生物(医疗)诊断系统、设备故障诊断系统、天气预报、制定最佳行车路线的CARG系统第三组计算机辅助教学CAI、农作物收成预测、高危病人监护系统VM、电话电缆维护ACE系统、自动程序设计系统PSI教师抽样小组的活动成果并总结。分析：在教学中采用了“情景教学”和“问题驱动”的教学方法。利用疯狂医院看病记的有趣的Flash动画，作为引入，并让学生从中体验并思考人类医生为病人治病的思维过程。以辩论赛的方式加深学生对专家系统的认识。在教学过程中让学生亲自操作专家系统，活跃了课堂气氛；在学生的实践活动中教师适时提出探究的问题，以帮助学生理解专家系统的构成及原理。第三节 人工智能语言与问题求解“课标”相关内容1. 了解一种人工智能语言的基本数据结构和程序结构，掌握相关概念，知道人工智能语言的主要特征。2. 初步学会使用该语言设计程序求解简单问题，并能够上机调试、执行相应的程序。3. 了解状态空间的概念与方法，学会用该方法描述待求解的问题。4. 通过简单博弈问题的分析，了解用盲目搜索技术进行状态空间搜索的基本过程，知道启发式搜索的基本思想及其优点。一、内容结构图：人工智能语言基本结构主要特征求解简单问题问题求解搜索的类型 盲目搜索启发式搜索 运行机理人工智能语言与问题求解 二、学习目标细目表学习内容学习结果行为指标(当学生获得这种学习结果时，他们能够)人工智能语言的基本结构了解某种人工智能语言如Prolog语言的数据结构和程序结构；描述该人工智能语言的编程思路；用该人工智能语言表示简单的问题。人工智能语言的运行机理理解该种人工智能语言的匹配、递归等运行机理。人工智能语言的主要特征列举人工智能语言的主要特征，如无固定的运行顺序、有强大的递归功能、能自动逻辑推理、数据和程序结构统一等；描述人工智能语言与其它计算机程序设计语言如Basic、FoxPro等的不同。编写程序求解简单问题初步使用该语言设计程序求解简单问题；上机调试、执行相应的程序。搜索的类型了解人工智能求解问题的实质是计算机搜索；用状态空间法表示简单问题；解释盲目搜索和启发式搜索的基本思路并说明它们的异同。盲目搜索理解宽度优先搜索方法并结合实例说明宽度优先搜索的基本过程；理解深度优先搜索方法并结合实例说明深度优先搜索的基本过程；了解宽度优先搜索和深度优先搜索的异同和优缺点；根据实际需要选择合适的搜索方法。启发式搜索描述启发式搜索的基本思想及其优点；能用启发式搜索算法求解一些简单的实际问题，如博弈问题。三、重点与难点分析（一）重点1. 使用人工智能语言设计程序求解简单问题，并上机调试、执行相应的程序该部分内容实践性较强，重在培养学生用人工智能方法分析问题和解决问题的能力。2. 宽度优先搜索的基本原理和基本方法需要学生扎实掌握该部分内容，因为对宽度优先搜索的基本算法掌握的好坏，会直接影响后面几种搜索方法的学习。3. 启发式搜索的基本思想及其优点启发式搜索的方法是在搜索中加入启发性信息，用以指导搜索，以缩小搜索范围，提高搜索速度。（二）难点1. 人工智能语言中递归的运行机理初学者会觉得递归思想比较抽象，较难理解，对大部分学生是个很大的挑战。2. 使用该语言设计程序求解简单问题，并上机调试、执行相应的程序该部分要求学生会编写比较简单的程序解决常见问题，会调试和运行程序；实践性较强，对没有编程基础的同学有一定的难度。3. 启发式搜索的基本思想及其优点通过具体的例子来介绍各算法的实际运用，使学生能灵活运用这些搜索的思想解决实际问题。教师不能局限于表面知识点的介绍，一定要结合现实生活中的具体问题，真正做到理论与实践相结合。四、教学活动建议该部分实践性较强，可以多安排一些上机课时。1. 理解人工智能语言中匹配和递归的运行机理。递归等思想较难理解，对学生来说是个很大的挑战，教学方式宜以教师为主的教学方式。在教师引导下，请学生举出生活中的递归例子，如镜子互相映像的递归现象，理解递归的思想。例1 用递归方法求解汉诺塔（Hanoi）问题。例2 用递归方法求n的阶乘。例3 用匹配方法解决简单的查询问题。2. 用状态空间法求解问题。可以通过分析简单的博弈问题，让学生了解用盲目搜索技术进行状态空间搜索的基本过程。例 “井字棋”问题。3. 说出搜索的基本类型：盲目搜索和启发式搜索。搜索的基本类型如下图，讲解时着眼于这些搜索之间的区别会比较容易为学生所接受。搜索的基本类型宽度优先搜索 盲目搜索启发式搜索 深度优先搜索 利用问题本身的一些相关信息来指导搜索的进行例“启发式搜索与人机博弈”的教学设计转自人工智能教育网/zjh/ai/，访问时间2006年3月。李永前 浙江师范大学附属中学在该部分的教学中，将通过相关活动，让学生进一步了解启发式搜索的过程、启发式搜索与穷举式搜索的不同之处。在本节教学之前，学生已经学习了穷举式搜索的知识，如宽度优先搜索和深度优先搜索；已经了解了状态空间、状态空间搜索及启发式搜索的基本概念。教学过程：任务1：让学生实际操作电子字典(例如文曲星)或博弈网站中的“黑白棋”游戏，写出该游戏的规则，并在“玩”的过程中，总结出自己设想的“致胜”法则。任务2：进入因特网，查找“人机博弈”的相关资料。教学步骤教师活动学生活动设计意图新课导入1.讲解如何启动黑白棋程序。2.讲解黑白棋的基本规则，并简单演示如何“玩”黑白棋。3.重点说明在“玩”的过程中，本节课教学要完成的任务。1.了解本节课的两个教学任务。2.启动并开始“玩”黑白棋。通过“玩”黑白棋游戏，理清自己（也就是“人”）在走棋时的思路。教学任务11.指导学生如何从教师机上获取表格一和表格二。2.在表格一中，将黑白棋的第一条规则，也是最难写一条规则，提供给学生作为范例。3.讲解黑白棋的上述规则。如：现轮到黑棋走。若黑棋在“C6”位下一棋，则垂直方向的“C5”和对角线方向的“D5”白棋均变为黑棋了。4.与学生讨论一些“致胜”法则。如：“吃子越多越好”等。并引导学生进行深入讨论，如：“吃子越多越好”是一条最好的“致胜”法则吗？5.指导学生将填写好表格一和表格二的Word文档，以自己的学号为文件名，上传到教师机上。1.通过例一，了解黑白棋的最基本规则。回答：当黑棋在图一的其它位置上下一棋子时，棋局发生什么变化？2.写出黑白棋的游戏规则，并填写表格一。3.总结自己认为的“致胜”法则，并填写表格二。4.整理自己的“致胜”法则。如：各条“致胜”法则的优先级；哪些“致胜”法则将受哪种条件的制约等。对自己想不清楚的问题，可放到校园网的论坛中进行讨论。5.上传填写好表格一、表格二的Word文档。通过书写游戏规则和游戏的“致胜”法则，让学生学会如何分解自己“瞬间”的思维（即“放慢”思维速度），将“模糊”的、原始的思维，逐步转化为可用文字表达的、较为清晰的游戏规则和游戏“致胜”法则。游戏规则虽然是事先确定的，但也允许学生用自己的方式表达。而对于游戏的“致胜”法则，每个学生都会有自己不同的想法，要鼓励学生发表自己独特的见解。教学任务21.教学任务2是针对已经较好完成任务1的同学而设置的。2.在参考网址中提供了一些有关的网站。1.进入教师提供的网站，浏览人机博弈的相关资料。2.自己查找更多有关人机博弈的资料。3.将查到的好的网址或好的资料，发布到校园网的论坛上，供大家讨论。通过查找人机博弈的资料，让学生了解人机博弈研究的进展，了解编写人机博弈程序的复杂程度，激发学生对人机博弈的兴趣。表格一：黑白棋的游戏规则序号游戏规则1双方轮流走，所走的棋在水平、垂直、对角线方向，将对方所夹的棋，均变为自己颜色的棋。234表格二：你认为的“致胜”法则序号“致胜”法则备注12345注：尽量标明“致胜”法则的优先级。各种“致胜”法则在不同情况下，如果优先级会发生变化，请在备注中说明。图6.2 黑白棋的某一状态图（现在由黑棋下子）附：参考答案表格一：黑白棋的游戏规则序号游戏规则1双方轮流走，所走的棋在水平、垂直、对角线方向，将对方所夹的棋，均变为自己颜色的棋。2当轮到一方下子，而该方又无法下子时，则由对方下子。3当一方的子被另一方全部吃完时，则被吃完的一方被认为是“输家”。4当所有的棋格均被填满后，棋子多的一方被认为是“赢家”。表格二：自己认为的“致胜”法则序号“致胜”法则备注1能占角的，尽量先占角。序号1的法则，优先于序号2的法则。2能占边的，尽量先占边。如果本方能占边，但导致对方能占角，则本法则不适用。3尽量将对方占边的子吃掉。可能导致对方占角的，则该法则不适用。4尽可能将对角线上的对方子吃掉。可能导致对方占角的，则该法则不适用。5尽可能多地吃掉对方的子。在上述法则均不适用的情况，再使用该法则。注：上述是一种可行的“致胜”法则，并不是最优的法则。任务3：写出在理想状态下，对黑白棋走两步后的评价函数。任务4：进入因特网查找资料，讨论与人机博弈相关的问题。例如：(1)“致胜”法则的优劣与评价函数的关系。(2)在博弈搜索中，为什么会产生节点爆炸问题。(3)在人机博弈中，除了采用启发式搜索外，还可以用哪些搜索策略？(4)通过前面的实践操作和分析，谈谈在人机对弈游戏中所指“棋力”的含义是什么？教学步骤教师活动学生活动设计意图复习讨论1.引导学生讨论哪些“致胜”法则较为有效。2.提出问题，如何将“致胜”法则，转换为判断在某个位置下子的依据。3.给出一种黑白棋的状态（由哪方下子），如果黑棋下一子，白棋下一子，黑棋再下一子后的状态作为目标状态。引导学生讨论该如何搜索。1.通过浏览、讨论，了解自己与其他同学的“致胜”法则的优缺点。2.思考“致胜”法则的优劣，与对弈取胜的关系。3.针对教师给定的状态，讨论如何进行搜索。将具体的黑白棋，与“抽象难懂”的搜索算法联系起来，逐步化解搜索算法的难度，让更多的学生对启发式搜索算法感兴趣。教学任务31.回忆以前学过的知识，与学生一起讨论穷举式搜索的空间状态图和搜索量。2.提醒学生，上述讨论出黑方最佳的下子位置，是在一种理想状态下的搜索得到的，即白方是按黑方的愿望来下子的，也没有“致胜”法则的介入。3.继续在这种理想状态下，讲解如何用启发搜索减少搜索量。4.给出一种求评价函数f的方法：其g值为当前状态下白棋的个数；h取即使白棋不下子，黑棋最多能杀白棋的个数。如图6.4，以此方法计算出的各个节点的评价函数，并画出搜索路径图。5.引导学生讨论：比较完全搜索与启发式搜索的不同点。并讨论编写人机对弈程序的困难程度。1.利用图三，分析穷举式搜索的空间状态图和搜索量。2.学生分成三组，根据教师在B分枝给出的范例，分别完成A、C、D三个分枝各个节点的g、h值及该节点的评价函数f值的计算。3.每组学生在自己这一分枝上，根据评价函数画出启发式空间状态搜索图。4.通过对比穷举搜索和启发式搜索，分析启发式搜索的优越性。5.讨论：若加入某一“致胜”算法，那么各节点的g、h、f又该如何计算？利用学生已经熟悉的黑白棋，来讨论在人机对弈时，如何计算各个节点的评价函数f，进一步了解启发式搜索，以及启发式搜索在人机对弈中的作用。有没有更好的求评价函数f的方法？加入某一“致胜”算法后又如何求评价函数？通过多种方法，让学生充分了解求出在启发式搜索中具有重要地位的评价函数。教学任务41.教学任务4是针对已经较好完成任务3的同学而设置的。2.对任务4的四个问题，教师作简要的说明。如人机博弈程序除加入启发式信息外，程序还要具备自学习功能；另外，极小极大法，剪枝法也是人机博弈程序中常用的方法等，帮助学生完成相关问题的回答。1.进入因特网，针对任务2的四个问题，查找相关资料。2.对一般同学，要求回答其中的一个问题。对能力较强的同学，要求尽可能多地回答问题。也可自己提出问题，发布在校园网的论坛上。3. 提交作业。通过教学任务2，让学生了解到，人机博弈程序中，除了教学中要求掌握的启发式搜索外，还有许多问题有待研究和解决。图6.3 黑白棋的状态图（注：图中的数值是由“WZebra”黑白棋程序提供的在该位置下子的估算值）图6.4 黑白棋的状态空间图（注：f评价函数；g当前状态下白棋的个数；h即使白棋不下子，黑棋最多能杀白棋的个数）分析：在本节教学中用了任务驱动法，让学生亲自操作黑白棋游戏，然后教师及时引导，将具体的黑白棋与抽象难懂的搜索算法联系起来，激发了学生的学习兴趣，并逐步化解了搜索算法的难度，活跃了学生的思维。第四节 典型教学案例案例一 专家系统及其设计选自中小学信息技术教育2004年7月。设计者杨银辉单位浙江师范大学田家炳教育学院案例名称专家系统及其设计适应范围人工智能初步课时3课时【教学内容分析】人工智能作为一门研究运用计算机模拟和延伸人脑功能的综合性学科，在一定程度上代表着信息技术的发展前沿。新颁的高中信息技术课程标准把人工智能初步作为选修课程纳入我国的中学信息技术教育中，此为适时之举。但是人工智能在国内中学的开设尚属首次，教师教学经验缺乏，对学生来说，也是一个陌生的事物，所以要能全面贯彻新课标精神，与其他几门选修课程相比，难度较大。专家系统是人工智能领域的重要组成内容，也是该领域发展得较为成熟的部分。为了缩小现实与理想之间的矛盾，在人工智能课程“专家系统”内容的教学中，我们希望“以问题解决为中心”的教学方式，通过小组协作，让学生在感受什么是专家系统的基础上既了解有关专家系统的基本知识，又能利用专家系统外壳自行开发一个简易的专家系统，由此既增强他们对人工智能的认识，又促进问题解决能力，发散性思维能力和社会合作能力的培养。【学生分析】选修这门课程的学生通常已具有一定的信息技术基础知识（信息技术基础是所有高中学生的必修课程），懂得如何操作计算机、上网浏览信息和收集资料等。“专家系统”的学习内容在人工智能教材中一般都是置于“知识表示”之后，因此学生对各种知识表示方式都有初步了解，掌握了例如产生式规则、状态空间图、语义网络等的基本表示方法。但是各种知识表示如何在人工智能中得到应用，学生们对这个问题在上一阶段的学习中还难以深入体会。专家系统通过把领域专家的大量知识加以计算机编程嵌入到计算机内部，产生式规则的知识表示方式在专家系统的知识库建设中得到了实际应用。因此对于学生来说，虽然专家系统完全是个新事物，但是它与各种知识表示，尤其是产生式规则表示方式，有着理论与实际应用的关系。教师在教学设计时，不能忽视这个有利于学生知识增长和能力发展的“最邻近发展区”。【教学目标】知识与技能目标：1、感受什么是专家系统，知道专家系统和专家系统外壳之间的区别和联系；2、了解专家系统的基本构造和工作机制；3、能利用专家系统外壳自行开发一个简易的专家系统。过程与方法：1、能够根据任务的要求，有效采集、分类和管理信息；2、通过感受人类专家解决复杂问题的思路，增强逻辑思维和问题解决能力。情感态度与价值观：1、进一步增强对人工智能领域的认识，感受人工智能技术的丰富魅力；2、增强协作学习和人际交流能力。【课时安排】本次教学计划用3个课时完成专家系统及其设计的课程内容：第1课时：主要让学生感受什么是专家系统，并了解有关专家系统的一些基本知识；第2课时：主要让学生能够利用InterModeller专家系统外壳自行设计一个简易的植物识别专家系统；第3课时：学生展示设计的植物识别专家系统，在互相交流中提高口头表达能力和作品鉴赏能力。【课前准备】在网络教室的教师机和每台学生机上安装InterModeller专家系统外壳和由这个外壳开发的“疾病诊断治疗专家系统”。教师收集人类专家给病人诊断治疗病情的录像资料和有关自然界各类植物介绍的录像资料。【教学过程】（一）情境创设，激发兴趣教师通过网络教室的大屏幕播放人类专家给病人诊断治疗病情的录像，并要求学生回忆自己曾经接受医生治疗的情形，让学生感受并讨论人类专家在解决复杂问题时的思维。然后要求学生运行安装在学生机上的“疾病诊断治疗专家系统”（部分截图如图6.5(a),(b),(c)），体验电脑专家是如何为人们治病的。(a)(b)(c)图6-5 “疾病诊断治疗专家系统”咨询界面让学生以小组为单位（全班学生以每4人为一组）讨论下列问题：电脑专家与人类专家相比较，它们各有怎样的优势和劣势？学生展开讨论。最后教师小结：虽然人类专家比电脑专家在问题处理上更灵活，但是成功的专家系统通过模拟领域专家处理问题的思想，可以处理具体领域中的复杂问题，从而减少劳务开支和人才培养费用；而且由于软件的便于复制性，专家系统能够