人工智能导论课程的兴趣教学法

1 / 10 人工智能导论课程的兴趣教学法 摘要：从作者的教学实践出发，在分析人工智能导论课程特点及教学内容精讲泛讲安排的基础上，提出三种提升学生学习兴趣的教学方法，并在教学中进行应用。实践结果表明，所提出的教学方法能有效促进学生对人工智能导论课程的学习。 关键词：人工智能；学习兴趣；教学方法 1956年，在美国 Dartmouth 大学，由数学家和他的三位朋友、和共同发起一个历时两 个个月的夏季学术讨论班 ，他们在此讨论班上第 一一次正式使用了人工智 能能 (Artificiaal Intellig ence)这一术语 。人工智能 是一门多学 科科交叉的课程，涉及计 算算机科学、数学、控制 论论、信息论、神经生理 学学、心理学、哲学及语 言言学等多个学科，是新 理理论和新技术不断出现 的的综合性学科。当前， 人人工智能领域加强了从 人人类智能与生命现象中 汲汲取养分的趋势，加快 了了向分布式系统与复杂 系系统靠拢的步伐，智能 化化的应用更为深入，影 响响更为广泛，其发展已 对对人 类的经济、社会、 文文化等方面产生了深远 影影响1。 1 人工 智智能导论课程特点 人 工工智能导论是人工智能 领领域的引导性课程，介 绍绍人工智能的基本理论 、方法和技术，目的是 使使学生了解和掌握 人工 智智能的基本概念和方法 ，为进一步学习奠定基 础础。人工智2 / 10 能是计算机 科科学与技术学科一门重 要要的基础课程，需要相 关关课程作支撑。离散数 学学、概率论与数理统计 等等课程是其数学基础， 数数据结构、程序设计基 础础、算法分析与设计等 课课程则为人工智能中知 识识表示、逻辑推理和问 题题求解提供了设计与实 现现手段。与其他软件课 程程相比，人工智能课程 有有鲜明的特点，主要表 现现在思想方法上强调启 发发性、算法上强调不确 定定性。同时，由于人工 智智能是一个新思想和新 技技术层出不穷的开拓性 领领域，因此其对学生的 训训练是鼓励创新的，具 有有其他课程不可替代的 作作用。 人工智能导论 是是计算机相关专业的必 修修课，在许多信息类相 关关的本科教学中也有开 设设，一般开设在第六或 者者第七学期。我国目前 本本科教育的定位是专才 教教育，培养某方面的专 业业人才。完成公共基础 课课程和部分专业基础课 程程的学习之后，本科高 年年级学生应该了解本专 业业的应用领域和发展前 景景，因此在教学过程中 要要注意内容的专业性和 应应用性。由于本科阶段 学学生缺乏科研意识，初 步步的科研训练设置在第 八八学期，即所有课程学 习习完毕之后的毕业设计 ，而人工智能课程强调 科科研性，因此教学难度 较较大， 由此带来的最直 接接后果就是学生学习兴 趣趣不高。同时，对有志 于于读研的学生而言，本 科科阶段的学业也是研究 生生教育的起点，在教学 过过程中要适时的进行科 研研引导，提升学生对科 学学研究的兴趣，为研究 生生阶段打下基础。可见 ，圆满完成人工智能导 论论课程这一教学任3 / 10 务是 重重要且极具挑战性的。 2 教学内容安排 人 工工智能的研究和应用领 域域非常广泛，包括问题 求求解、机器学习、自然 语语言理解、专家系统、 模模式识别、计算机视觉 、机器人学、搏弈、计 算算智能、人工生命自动 定定理证明、自动程序设 计计、智能控制、智能检 索索、智能调度 与指挥、 智智能决策支持系统、人 工工神经网络、数据挖掘 和和知识发现等。人工智 能能导论旨在为这些具体 领领域的研究提供引导和 基基础保障。 人工智能 导导论课程涵盖内容较多 ，因此需要明确“精讲 ”和“泛讲”的内容， 以以使教师和学生在教学 活活动中都有所侧重。当 然然，首先应和学生说明 ，泛讲并不代表内容不 重重要，只是由于课程性 质质和课时的关系，暂时 不不作深入探讨。日后如 有有需要，可在此基础上 进进一步学习和研究。结 合合当前人工智能学科的 发发展状况，根据教学大 纲纲和作者的教学经验， 对对人工智能导论课程教 学学内容的精讲和泛讲 安 排排如表 1 所示。 3 提提升学生学习兴趣的教 学学方法 穿插背景故事 为激发学习积极性，针 对对学生喜欢听奇闻轶事 、想象力丰富的心理特 点点，通过讲述一些与教 学学内容有关的故事或者 趣趣事来吸引其注意力， 辅辅助思维并丰富联想， 使使学生在愉悦4 / 10 中完成学 习习 2。下面列举几 个个我们在课程教学中用 到到的背景故事，通过这 些些故事，不但传授了知 识识，也活跃了课堂气氛 。 1) 人类智能的 计计算机模拟与人机大战 。 讲授人类智能的计 算算机模拟时，可以给学 生生简述一下IBM 公司 的的超级电脑和国际象棋 世世界冠军卡斯帕罗夫之 间间 的人机大战，以促进 学学生对人类智能和人工 智智能的进一步思考。北 京京时间 1997 年 5 月 112 日凌晨 4 点 50 分 ，在美国纽约公平大厦 ，当 IBM公司的 “ 深 蓝蓝 ” 超级电脑将棋盘上 的的一个兵走到 C4 的位 置置上时，国际象棋世界 冠冠军卡斯帕罗夫对“ 深 蓝蓝 ” 的人机大战落下帷 幕幕， “ 深蓝 ” 以的 总总比分战胜卡斯帕罗夫 。 XX 年 1 月 26 日至 2 月 7 日，卡斯帕罗夫 与与深蓝的升级版 “ 小深 ” 又进行了一场人机大 战战，先后进行了6 局比 赛赛，最终卡斯帕罗夫以 1 胜 1 负 4 平的 结果和 “小深”握手言和。这 也也表明了人工智能和人 类类智能之 间的较量还将 持持续下去。 2) 问 题题规约法与老和尚说教 。 问题规约法是从要 解解决的问题出发逆向推 理理，建立子问题以及子 问问题的子问题，直到最 后后把初始问题归约为一 个个本原问题集合。本原 问问题指不能再分解或变 换换且直接可解的子问题 。可见，问题规约的本 质质是递归的思想。此时 ，可以给学生简述我们 小小时候就听说过的老和 尚尚说教的故事，即“从 前5 / 10 前有座山，山上有座庙 ，庙里有个老和尚，老 和和尚对小和尚说，从前 有有座山”。 3) 模糊理论与秃头悖论 。 模糊推理是一种重 要要的不确定性推理方式 ，是指基于模糊 理论进 行行的推理。讲授模糊理 论论时，可以先讲一下秃 头头悖论让学生讨论。一 个个人有 10 万根头发， 肯肯定不能算秃头，不是 秃秃头的人，掉了一头发 ，仍然不是秃头，按照 这这个道理，让一个不是 秃秃头的人一根一根地减 少少头发，就得出一条结 论论，即没有一根头发的 光光头也不是秃头！秃头 悖悖论的出现源于在严格 的的逻辑推理中使用了 “ 秃秃头 ” 这一模糊概念， 因因此需要以模糊逻辑代 替替传统的二值逻辑解决 该该问题。 课堂辩论和 多多媒体教学 人工智能 从从其诞生之日起就充满 争争议，各种学派的争论 使使得人工智能的发展更 趋趋完善，加快了其纵深 发发展。目前，人工智能 的的争论主要有两方面， 即即研究方法的争论和技 术术路线的争论。前者争 论论的主要问题有人工智 能能是否得模拟人的智能 ；对结构模拟和行为模 拟拟是否可以分离研究； 对对感知、思维和行为是 否否可分离研究；对认知 与与学习以及逻辑思维和 形形象思维等问题是否可 以以分离研究；是否有必 要要建立人工智能的统一 理理论体系。后者争论的 主主要问题是沿着什么样 的的技术路线和策略来发 展展人工智能。 在课堂 教教学中，可以充分利用 人人工智能中存在的争论 较较6 / 10 多这一特点，针对相 关关议题组织课堂辩论， 如如可用议题“机器的反 叛叛 机器的智能会超 越越人类吗？”。让学生 在在图书馆或者从网上查 阅阅相关资料，明确自己 的的论点并准备证据材料 ，并在课堂上进行辩论 。这类辩论无所谓输赢 ，旨在通过这种活动， 增增进学生思考 3。 教教学中，还可以充分利 用用多媒体教学的特点， 如如让学生观摩电影终 结结者系列、人工智 能能、黑客帝国等 ，增强学生对人工智能 的的直观感受，提高课堂 教教学效果 4。 应 用用实例分析 普遍而言 ，本科学生对单纯的理 论论讲解不太感兴趣，因 此此在教学过程中，适当 增增加一些实验和设计， 提提高学生分析问题的能 力力和实 际动手能力。比 如如，讲解知识的产生式 表表示法时，给出产生式 的的概念和基本表示形式 之之后，可以通过“野人 与与传教士过河”问题来 说说明产生式表示法的具 体体应用过程；讲解计算 智智能的进化计算部分时 ，给出进化算法的几种 具具体形式和算法流程之 后后，可以通过中国旅行 商商问题 (CTSP)来 说说明算法求解问题的过 程程。教师在教学过程中 ，可以根据需要，选择 一一些合适的应用实例进 行行分析。通过这些实例 ，既能加深学生对知识 的的理解，又能增加学习 的的 兴趣。下面给出两个 实实例的简单描述。 1) 产生式表示法求解 “ 野野人与传教士 过河 ” 问 题题。 问题：传教士和 野野人各 N 人过河，现只 有有一条船，传教7 / 10 士和野 人人都会划船，船一次只 能能载 k 人，船上野人多 于于传教士时野人就会吃 掉掉传教士，问如何安全 过过河？ (不失一般性， 以以 N=3， k=2 为例 求求解 )。 求解简述： 设设综合数据库中状态用 三三元组 (m, c, bb)表示，其中 m、 c、 b 分别表示传教士、 野野人和船的数目，则有 ： 0m, c3 , b 0, 1 以左岸为参照点， 则则初始状态和目标状态 分分别为 (3， 3，1)和和 (0， 0， 0)。据 此此，可以给出一条产生 式式规则如下： IF ( m, c, 1) T HEN (m-1, c, 0) 以此类 推推，把所有可行的规则 都都求出之后，就可按照 规规则集和控制策略得到 问问题的解。 2) 遗 传传算法求解 31个城市 的的 CTSP问题 5。 问题：给定有限个 城城市的集合 C=c1, c2, ,cm 及及每两个 城 市 之 间 的 距 离 离矩阵 D dijm m ，其中mN ， d ij=d(ci, c j)Z+ ， ci、 cjC ， 1i 、 j m ，求出满足的城 市市序列 c(1) 、 c(2) 、 、 c( mm)，其中(1) ， (2) ， ， (m ) 是 1、 2、 、 m 的 一一个全排列。我们以 CTTSP问题为例，即求 解解中国 31个城市之间 最最短巡回路线的问题。 求解简述：路径表示直 接接使用城市在路径中的 相相对位置，如有编号分 别别为 1、 2、 3、 4、 5 的 5 个城市的一条路 径径4 1 2 5 3，用路径表示方法直接 可可写为 (1)。适应度 函函8 / 10 数值用路径的实际长 度度表示。交叉算子采用 次次序杂交，即选择父体 的的两杂交点，交换相应 的的段，其它城市则保持 在在父体中的相应次序。 变变异算子采用倒位算子 ，即随机选择两个位置 ，然后将它们之间的城 市市反序。通过运用遗传 算算法求解 ，可得最优解 为为 140km，对应的 巡巡回路线为 “ 北京 呼 和和浩特 太原 石家庄 郑州 西安 银川 兰兰州 西宁 乌鲁木齐 拉萨 成都 昆明 贵贵阳 南宁 海口 广 州州 长沙 武汉 南昌 福州 台北 杭州 上上海 南京 合肥 济 南南 天津 沈阳 长春 哈尔滨 北京”。实 例例讲解完成后，可要求 学学生采用相同或者不同 的的方案自己去实现一下 问问题的求解过程。 4 结结语 人工智能是计算 机机科学与技术专业的一 门门核心课程，同时也是 一一门交叉学科，涉及面 广广，理论性强，教学难 度度较大，学生的学习兴 趣趣有待提高。本 文作者 根根据自己在人工智能导 论论课程中的教学实践和 课课程特点，明确了教学 中中的精讲内容和泛讲内 容容，总结了三种提高学 生生学习兴趣的教学方法 ，并给出相应的实例说 明明，旨在为本门课程的 教教师提供教学参考。 中中国论文联盟 参考文 献献： 1 蔡自兴 , 徐光祐 . 人工智能 及及其应用 (本科生用书 ) M. 北京 :清 华华大学出版社 ,XX:2288-296. 9 / 10 22 薛占熬 ,齐歌 ,杜杜浩翠 ,等 . 离散数 学学的课堂导入法研究 JJ. 计算机教育 ,2 016(8):95- 99. 3 徐 新新黎 ,王万良 ,杨旭华 . “ 人工智能导论 ” 课课程的教学与实践改革 探探索 J. 计算机 教教育 ,2016(11) :129-132. 4 李春贵 ,王萌 , 何春华 . 基于案例 教教学的 “ 人工智能 ” 教 学学的实践与探索 J. 计算机教育 ,XX( 9):53-54. 5 杨利英 ,覃征 , 贺升平 ,等 . 改进 的的演化近似算法求解 TSSP问题 J. 微 电电子学与计算机 ,XX, 21(6):126- 128. Teach ing Method s for Prom oting Lear ning Inter ests in Inntroduction to Artifi cial Intel ligence YA NG Liying (School of Computer Science, X idian Univ ersity, Xi An10071, China) Abs tract: Thi s paper pr esents thr ee teachin g methods for promot ing learni ng interes ts based o n the char acteristic s of Intro duction to Artificia l