高中人工智能

高中人工智能：课标解读与教学实施张剑平浙江师范大学教师教育学院•AI及其教育意义•高中AI的课程标准•AI教育的现状•AI的教学资源•AI课程的教学实施•有待探索的问题高中人工智能（AI）：课标解读与教学实施人工智能的基本概念•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(ArtificialIntelligence，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、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。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:1.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2.非结构化（unstructured）问题•难以用确定的形式来描述，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3.半结构化（semi-structured）问题IT视角下的问题求解策略•算法–《算法与程序设计》内容标准：结合实例，经历分析问题、确定算法、编程求解等用计算机解决问题的基本过程，认识算法和程序设计在其中的地位和作用。例：排序算法•启发式–《人工智能初步》内容标准：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。例：状态空间的启发式搜索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的课程标准多媒体技术应用算法与程序设计数据管理技术网络技术应用人工智能初步信息技术基础高中《信息技术》课程构成必修选修信息获取信息加工与表达信息资源管理信息技术与社会2学分2+X学分12345AI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AI的内容体系1、基本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[课标文本]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，李艺主编，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版高中教材:《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Prolog2.2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AI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）AI内容举例：用智能搜索求解问题•盲目搜索与启发式搜索•计算机博弈AI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.TomConlon人工智能教育的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（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，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。国外中学的AI教育•包括人工智能教育在内的中学信息技术教育呈现多样化发展的格局。•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。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（InformationSystems）•每门课包括三个层次：中级（Intermediate2）高级（Higher）高级提升（AdvHigher）•每个层次包括两部分：强制单元（Mandatoryunits）可选单元（Optionalunits）英国中学ICT课程的基本构成计算（Computing）信息系统（InformationSystems）中级Intermediate2高级Higher高级提升AdvHigherInt2HigherAdvHigher起步水平标准等级(Generallevel)或计算（Int1）标准等级(Creditlevel)或计算（Int2）计算（Higher）标准等级(Generallevel)计算研究或计算(Int1)标准等级(Creditlevel)计算研究或信息系统（Int2）信息系统（Higher）强制性单元计算机系统软件开发计算机项目计算机系统软件开发软件开发(20小时)计算机项目(60小时)计算机应用软件(Int2)数据库系统(Int2)数据库系统(H)信息组织(H)数据库系统(AH)（20小时)信息系统项目(AH)（60小时)可选单元N/A人工智能程序设计计算机网络多媒体技术人工智能计算机系统数据通讯IT在社会中的应用(Int2)多媒体(Int2)因特网(Int2)计算机应用软件(H)专家系统(H)超媒体(H)多媒体(AH)自然语言处理(AH)系统分析与设计(AH)单元评价11小时10小时45分20小时6小时45分14小时30分18小时40分考核1小时30分2小时30分2小时30分1小时30分2小时30分2小时30分英国JamesGillespies中学的AI教学AI教育的研究——以FLAIRS-2006为例•AmericanAssociationforAI（AAAI）和Florida技术学院联合举办•AIEducation专题：•ImplementationoftheComputingCurricula2001IntelligentSystemsArea•ModelAssignments/Experiences/SyllabiforAIInstruction•AIClassroomTechniquesorInnovationsforUndergraduateand/orGraduateInstruction•IntelligentApplicationsforInstructionofAIandAssessmentofSuchApplications•IncorporatingAIresearchintoAIcourses••~flairs06人工智能课程的教学资源AI的教学资源•《人工智能》•国家精品课程•中南大学蔡自兴主持••《现代教育技术》•国家精品课程•浙江师大张剑平主持•：•人工智能的教育应用：•信息技术课程网：•人工智能教育知识库：~manaris/ai-education-repository•因特网上的AI教育资源：《中小学信息技术教育》，2003（10）高中AI的教学实施实施策略•充分考虑高中生的认知特点，选择那些与他们学习、生活关系密切的，看得见、摸的着的AI应用问题作为案例展开教学。•将课程目标定位在了解和体验。•根据中学生的特点进行AI语言教学，只介绍其主要特征和最为简单的应用方法。–例如了解Prolog，能用递归方法编写简单程序。•充分发挥网上信息资源和网上软件资源的作用。–例如，在线进行专家系统、符号运算、机器翻译等内容的教学与实验。几点建议•注意教学对象的选择：兴趣+基础，努力激发和保持学生的学习兴趣。•合理组织“讲授课”和“探究性、自主性学习”。•要及时了解学习效果。•考虑将本课程与其他相关课程进行整合。例如，作为“通用技术”中简易机器人模块的软件基础或加以整合；可以尝试作为校本选修。•根据学生情况适当安排大的“课程设计”任务。有待探索的问题AI课程中需要探索的问题：•教学的内容选择、深度确定•适合中学生