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第一章人工智能课程及其发展粤教版《人工智能初步》教材教学研讨粤教版高中信息技术教材教学研究专家组北师大深圳南山附属学校吴良辉2008年7月引言人工智能(ArtificialIntelligence，缩写为AI)一词自从1956年在Dartmouth学会上提出至今，研究者们已经发展了众多理论和原理，人工智能的概念也随之扩展。人工智能是一门极富挑战性的科学，它涉及计算机知识、心理学和哲学。人工智能由不同的领域组成，如机器学习，计算机视觉等等。人工智能研究的一个主要目标是使机器能够胜任一些通常需要人类智能才能完成的复杂工作。引言何谓“复杂工作”？不同的时代、不同的人会有不同的理解。例如，繁重的科学和工程计算本来是要人脑来承担的,而现代计算机不但能完成这种计算,而且比人脑做得更快、更准确。当代人已不再把这种计算看作是“需要人类智能才能完成的复杂任务”。复杂工作的定义是随着时代的发展和技术的进步而变化的,人工智能这门科学的具体目标也自然随着时代的变化而发展。它一方面不断获得新的进展,一方面又转向更有意义、更加困难的目标。引言人工智能在某种意义上，可以把它理解成为机器系统的智能，是机器调度各种知识来解决问题的一种能力。如果机器有了这种能力，这个机器就可以帮助人去做很多很多的事情，甚至是相当复杂的事情。已经出现的许多不同功能的机器人，可以在很多场合来完成本来应该由人来完成的工作。例如，清洁机器人、机器人足球、在一些具有危险性的场合运用机器人替代人去完成危险的操作，等等。引言机器的智能，显然要介于植物和人类之间，它可以认识问题、解决问题，甚至能够抽象的认识世界、优化世界。唯一与人不一样的地方——它不能够像人一样进行创造性思维。人工智能是要把人的智能的机制和信息科学技术相结合。因此我们讲人工智能是生物学与信息学的一种交叉科学技术。引言目前能够用来研究人工智能的主要物质手段以及能够实现人工智能技术的机器就是计算机,人工智能的发展历史是和计算机科学与技术的发展史联系在一起的。除了计算机科学以外,人工智能还涉及信息论、控制论、自动化、仿生学、生物学、心理学、数理逻辑、语言学、医学和哲学等多门学科。模块学习目标——对标准的理解能描述人工智能的概念由于人工智能涉及的学科、理论、方法和技术十分广泛，它的应用领域也是十分宽广。我们认为，让学生对“人工智能”有一个初步的、直观的了解，引起他们对该课程的兴趣是重要的。我们选择知识与知识表示、专家系统、搜索技术以及Prolog语言的简单应用等内容作为引导学生了解“人工智能”的入门。尽量结合一些实例介绍有关概念，让学生能够直观地、准确地把握这些概念，尽管介绍是浅显的。对标准的理解会使用一种人工智能语言解决简单问题，把握其特点为了让学生能够直观地了解知识表示，我们选用Prolog语言，这是一种逻辑型语言，是基于谓词逻辑知识表示的。希望通过学习，让学生知道计算机是如何通过人工智能语言在计算机上实现“人工智能”的。对标准的理解能利用简易的专家系统外壳开发简单的专家系统在教材中，我们介绍了一个简易的专家系统外壳——InterModeller，通过实践体验活动，让同学了解如何使用InterModeller来设计和实现一个简易的专家系统，让他们体会到人工智能的研究和应用是如何走近我们的。对标准的理解知道人工智能对人类学习、生活的影响在教材中，我们引入并设计了若干个实践体验活动来引导学生加深对有关概念的了解和把握。这些活动涉及的问题对同学们来说并不是十分陌生的，只要稍加引导，大家就会感觉到在我们的身边确实会面临这些问题。编写教材的指导思想我们希望通过形象直观的表述，让学生对人工智能的概念有一个初步的了解，同时对人工智能的应用成果有所知晓。内容的安排1.介绍知识及其表示，因为这是在计算机上实现“智能”必须面临的一步。2.介绍Prolog入门，这是一种人工智能语言，通过学习，学生们可以知了解在机器上实现智能的工具，并初步知道如何使用它，这样的安排也许可以引起他们在学习的过程中动手的兴趣。编写教材的指导思想3.“专家系统”是人工智能应用比较成功的一个领域。该系统中，对于知识及其表示，以及知识的应用——推理方法，都有比较好的诠释，通过学习，学生可以对知识、知识的表示、知识的应用以及知识的实现会有一个比较完整的认识。编写教材的指导思想4.搜索是人工智能的一种问题求解方法，搜索策略决定着问题求解的一个推理步骤中知识被使用的优先关系。可分为无信息导引的盲目搜索和利用经验知识导引的启发式搜索。启发式知识常由启发式函数来表示，启发式知识利用得越充分，求解问题的搜索空间就越小。对于搜索技术的探索一直是人们关注的焦点。在教材中，我们给出一些简单的介绍，希望引起学生的兴趣和关注。开展本课程教学的基本思路根据高中阶段学生的认知特点，选择那些中学生易于理解的人工智能实际应用问题作为案例展开教学。充分利用相关媒体上的信息资源和软件资源。在学习的过程中组织学生开展相关讨论，拓展学生的视野，了解人工智能技术对学习、生活的重要作用。教材构思“人工智能初步”分为五章：（一）人工智能的简介（二）知识与知识表示（三）Prolog入门（四）专家系统（五）搜索技术教材结构知识及其表示搜索技术专家系统Prolog入门算法状态空间表示人工智能简介逻辑表示产生式规则表示一种工具一种工具人工智能简介首先介绍人工智能的基本概念，然后介绍人工智能的几个应用领域。为了引起学生的学习兴趣，让他们知道这些应用并不是纸上谈兵，我们结合已经实现的应用系统，让同学们通过实践体验的方式来体验这些应用。在阅读材料中，我们采用文字加插图来介绍人工智能发展历程中的几件有影响的事，以一种比较形象的方式介绍人工智能发展史。人工智能简介我们引进一些网站的目的就是希望引导同学主动的去查找一些人工智能的成功应用案例，激发他们自主学习的能力，学会如何从不同的媒体中寻找自己感兴趣的资料和信息。人工智能研究的主要内容人工智能学科研究的主要内容包括：1.知识表示2.自动推理和搜索方法3.机器学习和知识获取4.知识处理系统5.自然语言理解6.计算机视觉7.智能机器人8.自动程序设计……知识表示知识表示是人工智能的基本问题之一，推理和搜索都与表示方法密切相关。常用的知识表示方法有：逻辑表示法、产生式表示法、语义网络表示法和框架表示法等。常识的表示受到人们的关注。已提出多种方法，如非单调推理、定性推理，从不同角度来表达常识和处理常识。自动推理和搜索方法问题求解中的自动推理是知识的使用过程，由于存在多种知识表示方法，相应地有多种推理方法。推理过程一般可分为演绎推理和非演绎推理。谓词逻辑是演绎推理的基础。结构化表示下的继承性推理是非演绎性的。由于知识处理的需要，近几年来提出了多种非演泽的推理方法，如连接机制推理、类比推理、基于示例的推理、反绎推理和受限推理等。自动推理和搜索方法搜索是人工智能的一种问题求解方法，搜索策略决定着问题求解的一个推理步骤中知识被使用的优先关系。无信息导引的盲目搜索：广度优先，深度优先。利用经验知识导引的启发式搜索：启发式知识常由启发式函数来表示，启发式知识利用得越充分，求解问题的搜索空间就越小。搜索方法的研究已经关注那些具有百万节点的超大规模的搜索问题。出现了诸如模拟退火、遗传算法、蚁群算法等优化搜索算法。机器学习和知识获取机器学习是人工智能的另一重要课题。机器学习是指在一定的知识表示意义下获取新知识的过程，按照学习机制的不同，主要有归纳学习、分析学习、连接机制学习和遗传学习等。机器学习是要使计算机能模拟人的学习行为，自动地通过学习获取知识和技能，不断改善性能，实现自我完善：三个方面的研究内容：（１）学习机理研究（２）学习方法研究（３）面向任务研究知识处理系统知识处理系统主要由知识库和推理机组成1.知识库存储系统所需要的知识，当知识量较大而又有多种表示方法时，知识的合理组织与管理是重要的。2.在问题求解时，规定使用知识的基本方法和策略，推理过程中为记录结果或通信需要设置数据库或采用黑板机制。3.如果在知识库中存储的是某一领域(如医疗诊断)的专家知识，则这样的知识系统称为专家系统。为适应复杂问题的求解需要，单一的专家系统向多主体的分布式人工智能系统发展，这时知识共享、主体间的协作、矛盾的出现和处理将是研究的关键问题。自然语言理解自然语言处理自然语言的处理是人工智能技术应用于实际领域的典型范例，经过多年艰苦努力，这一领域已获得了大量令人注目的成果。目前该领域的主要课题是：计算机系统如何以主题和对话情境为基础，注重大量的常识——世界知识和期望作用，生成和理解自然语言。这是一个极其复杂的编码和解码问题。智能信息检索技术受信息技术迅猛发展的影响，信息获取和精化技术已成为当代计算机科学与技术研究中迫切需要研究的课题，将人工智能技术应用于这一领域的研究是人工智能走向广泛实际应用的契机与突破口。智能机器人机器人一般地可以看作为自动机器。自动机器就是自动机。比方说大家家里用的洗衣机也好，电冰箱也好，甚至你家庭的这些操作系统也好，或者像大家比较熟悉的程控交换机，通信网里头的所有这些装置都是自动机。自动机器的共同特点：由设计机器的人，事先用一个程序来描述机器要做的各种各样的工作。机器只能够按部就班地完成这些程序，它不能做别的事，程序里头没有的事情，机器不会做，它是一个严格受限于设计者事先设计的内容，而且只能解决特定的问题。智能机器人智能机器它没有一个事先固定的，按部就班的程序。设计者事先给它输入的东西：一、是必要的知识；二、是你的问题；三、是你的规则；四、是你的目标或者成功和失败的准则。当一个问题出现以后，智能机器会针对这个问题，在知识当中去寻找能够解决这个问题的知识，这些知识形成一个规则，然后去解决这个问题。而不是按人类事先指定的程序按部就班地走，这就是它的智能所在。智能化的发展智能化对我们的现代化和我们国家现在正在推进的信息化，意义是非常大的。智能化模型告诉我们社会的进步依赖于科学技术提供的先进的生产工具，人利用这种工具去跟各种劳动对象打交道，形成先进的生产力。先进的生产力要求先进的生产关系跟它相适应，从而导致先进的经济形态，产生好的产品来满足社会的需求。老的需求满足之后，新的需求又会出现，这样不断地循环，不断地走向更高的阶段。智能化的发展智能系统除了别的系统具有的功能以外，还具有智能。具有智能的机器，可以帮助人做更多、更好、更复杂、更重要的事情。一切有理想、有抱负的民族和个人都可以在这样一个充满梦想、机会和创新的事业中大显身手。内容提要《人工智能初步》课标内容剖析教材模块介绍课堂教学教学评价一、课标内容剖析本书以应用人工智能技术解决问题为主线,按照“知识表达与人工智能语言——推理与专家系统——问题求解”这一线索呈现学习内容。全书分为五章：1.人工智能初探2.知识表示及PROLOG语言3.专家系统4.问题求解5.人工智能的回顾与展望1.1课程目标知识的介绍了解人工智能的一些基本概念、方法，典型应用，人工智能对人类学习、生活的影响。技能的培养解决的问题类型：结构不良的问题以及结构化的难问题。难度要求：基本原理和方法的简单应用。人文素质的培养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。一、课标内容剖析1.2课标内容结构一、课标内容剖析人工智能初步知识及其表达推理与专家系统人工智能语言与问题求解知识及其表达相关的背景知识——了解人工智能的概念与基本特点；了解、体验人工智能某些典型应用、发展现状掌握知识表达的几种基本方法。1.2课标内容结构一、课标内容剖析1.2课标内容结构一、课标内容剖析推理与专家系统了解专家系统的基本结构、工作的基本过程。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。了解专家系统解释机制。会用专家系统外壳来开发简单的专家系统。人工智能语言与问题求解了解一种人工智能语言，初步学会使用该语言设计程序上机求解简单问题。了解状