人工智能初步-信息技术选修-教学建议PPT课件.ppt

人工智能初步 信息技术选修 1 课程简介 课程的意义教材的特点不同栏目的介绍任务提示板学习指引体验活动后续活动评价参考资料 2 内容简介 1 第1章初识人工智能 让学生通过实际操作 体验具有一定智能的软件 通过与计算机聊天 下棋等活动感受人工智能与人类智能之间的关系和区别 了解人工智能的概念和基本特点 了解人工智能的基本领域 帮助学生建立起对人工智能这门学科的初步认识 第2章知识的表示 让学生通过活动充分感受到知识表示是人工智能首先要解决的问题 即如何让知识以适合机器系统的方式进行表示 学生将学习框架表示法 产生式表示法 状态空间表示法 与 或图表示法 谓词逻辑表示法等人工智能中知识表示的方法 3 内容简介 2 第3章人工智能语言 让学生通过实践 学习一种人工智能语言 Prolog 并能够使用该语言设计简单的智能程序 第4章推理与专家系统 让学生通过使用简单的产生式专家系统软件 了解专家系统的基本结构 掌握专家系统正向 反向推理的基本原理 认识常用的不精确推理的基本过程 学会利用一个简易的专家系统外壳开发简单的专家系统 4 内容简介 3 第5章通过搜索求解问题 让学生从迷宫入手 了解状态空间的概念与方法以及用盲目搜索技术进行状态空间搜索的基本过程 掌握基于状态空间问题的求解过程和进行状态空间搜索的基本思想 知道博弈问题的基本知识以及搜索技术在博弈中的应用 课时安排 5 第1章初识人工智能 课标要求 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列举人工智能的重要应用领域 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 建议 通过体验智能软件 感受人工智能与人类智能的区别 对人工智能有初步认识 6 主要内容 什么是人工智能人工智能常见的研究与应用领域 7 什么是人工智能 1 活动意图 建立起对人工智能的感性认识 比较人类智能与人工智能的差异 重点难点 重点 人工智能的概念与基本特点难点 让学生在实际操作中体会 建立起对人工智能的初步认识课学准备 可以让学生预先收集一些资料 教师也可预先收集一些关于智能 人类智能 人工智能定义的资料 对聊天网站 一定要预先检查是否能正常链接 8 什么是人工智能 2 建议教学过程 导入新课开始活动教师介绍学习指引中的内容体验活动 9 人工智能常见的研究与应用领域 1 活动意图 通过人工智能的典型成果 即计算机棋手 文字识别 机器翻译和机器人 对人工智能的研究与应用领域有感性认识 重点难点 重点 让学生通过体验 了解人工智能的研究与应用领域 难点 让学生在实际操作中对软件的智能程度进行分析 比较和总结 课学准备 教师一定要预先收集相关软件 可以自己准备 也可让学生准备 并安装在机房的电脑上面 扫描的材料可由教师预先准备好 收集资料要提醒学生不要仅限于网络 有些操作教师甚至考虑要自己预先演示 10 人工智能常见的研究与应用领域 2 建议教学过程 与计算机下棋 完成活动1 了解人工智能学科中的问题求解识别英语短文 完成文章翻译 完成活动2 了解模式识别和自然语言理解了解各种各样机器人 了解机器人学的发展介绍 学习指引 中的自动定理证明 智能代理 专家系统 自动程序设计和人工神经网络 总结体验活动 11 人工智能常见的研究与应用领域 3 下棋 跳棋 五子棋 相同棋类的同学分成一组 文字识别和机器翻译 识别的材料教师先准备好 可以准备一些 好 的材料和 不好 的材料 翻译可单独进行 用翻译软件 或用google翻译对于各类机器人的讨论 可结合一些影视作品学习指引中的内容要给合前面的活动 12 后续活动与评价 活动目标 通过调查和资料收集 让学生感性地了解人工智能对人类生活的影响 全面地了解人工智能学科的发展过程 后续活动可在课余时间完成 如有时间也可一部分在课外 一部分在课内完成 评价举例 认识人类智能的特征 在教师的提示下能够辩别人类智能的特征 能够知道人类智能的特点 并在日常生活中找到其表现的实例 能够主动地分析人类日常的活动 并归纳总结出人类智能的特征 13 第2章知识的表示 课标要求 1掌握知识的概念2学会知识表达的基本方法建议本章是后面几章的基础 知识表示是把人的知识转换成计算机可以接受的形式 知识表示有多种形式 各有特点 14 主要内容 知识及知识的表示框架表示法产生式表示法状态空间表示法与 或图表示法谓词逻辑表示法 15 知识及知识的表示 1 活动意图 通过描述计算机硬件构造的知识 从使用三种不同的方法 自然语言 图 框架结构 描述计算机硬件构造开始 让学生体会同一个知识可以用不同的方法来描述 不同的描述方法各有特点 重点难点 重点 让学生使用不同的方法描述同一种知识 通过学生自己参与描述的过程体验知识与知识表示的概念 难点 抽象概念较多 尤其是让学生区分知识 信息与数据三者的概念 课学准备 教师一定要预先准备一个计算机主机的实物 并贴好相应的标签 如果实物有困难 可采用预先介绍一下计算机主机的知识 带一些图片 然后让学生进行活动 16 知识及知识的表示 2 建议教学过程 导入新课 交流什么是知识 我们是如何进行知识的表示与交流的执行活动中的第一个任务 用三种不同的方法描述计算机执行第二个任务 分析以上三种方法的特点执行第三个任务 比较不同的知识描述方法各有什么特点教师讲解 学习指引 中的内容小结体验活动 可在课堂上做 强化上述内容 17 框架表示法 活动意图 以名片为描述对象 通过收集名片上的信息 并加以归纳整理 逐渐引入框架表示法表示知识 通过活动 学生可以体会到框架的四个组成部分是如何从现实事物中被提取出来的 重点难点 重点 让学生通过观察 搜集信息 归纳整理信息和描述知识等过程 学会使用框架描述知识 难点 如何通过归纳整理获得框架的四个组成部分 教学准备 教师要让学生预先收集一些名片 鼓励学生互相进行名片交流 另外需要一些表示的知识 文本 要求这些知识应该内容相对复杂一些 帮助学生更好地理解框架 18 框架表示法 教学过程安排 导入新课 复习第一节中用框架结构表示计算机构造的知识执行活动的步骤 从收集到的名片中提取关键性项目执行活动的步骤 对收集到的信息进行归纳整理执行活动的步骤 完成框架的表述用学习指引中的内容进行小结应用 利用框架表示法表示一些其它的知识体验活动 可在课堂上做 强化上述内容 19 框架表示法 一个框架可以由框架名 槽 侧和值四部分组成 框架一般可表示成如下格式 框架名 框架虽然由四部分组成 但是有的时候可以缺损其中的一些结构 比如 地震的框架 20 产生式表示法 活动意图 活动要求学生从一个产生式表示法表示的知识中找到规则和事实的对应关系 学生通过寻找规则和答案的对应关系 可以体验到产生式表示法是如何推导出答案来的 重点难点 重点 掌握产生式的基本结构难点 正确地描述规则和事实之间的因果关系教学准备 有可能的话 教师制作一个小课件 模拟一个小小动物园里进行动物识别的场景 对每个小动物都做一个介绍 21 产生式表示法 建议教学过程 导入新课 通过模拟一个小小动物园 介绍七种动物 引入本课以其中一个动物为例 介绍如何通过产生式表示法中描述的规则找出事实完成27页上的表格阅读学习指引小结体验活动 可在课堂上做 强化上述内容 22 产生式表示法 在本节活动前 应对学生说明活动中设置的场景和条件 即并不是对全体动物进行识别 而是对预先设定的有限的几个动物进行识别 也不是严格地遵照动物学分类进行识别 所以这些识别在科学上存在一定的缺陷 要求学生把注意力放在寻找规则和事实的关联上 23 状态空间表示法 活动意图 状态空间表示法是用来表示问题及其搜索过程的一种知识表示方法 而迷宫问题就是典型的没有固定解题步骤 但是状态空间会随着解题过程发生变化的实例 通过该活动引出了两个问题 如何描述问题中可能存在的各种状态 如何用状态空间图描述搜索过程 重点难点 重点 用状态空间表示法的术语描述机器人走迷宫的过程难点 如何找到所有的移动可能 并准确地在状态空间图上描述出来 教学准备 教师既可让学生在纸上画迷宫 也可找相应的计算机软件代替 24 状态空间表示法 建议教学过程 导入新课 从迷宫游戏引入新课执行活动的步骤 描述问题中所有可能的状态执行活动的步骤 定义算符执行活动的步骤 完成状态空间图执行活动的步骤 寻找最短通路阅读 学习指引 中的内容拓展思考 生活中还有哪些问题可以使用状态空间表示法表示体验活动 可在课堂上做 强化上述内容 25 状态空间表示法 任何问题的求解本质都是一个搜索过程为了让计算机能够有效的搜索 需要对所求解的问题用适当的形式表现出来状态空间的一些术语状态空间表示法表示问题的步骤 26 与 或图表示法 活动意图 通过解三层汉诺塔问题让学生体会到与 或图表示法求解问题的过程 学会把比较复杂的原始问题转换成等价的比较容易解决的几个问题的方法 重点难点 重点 使用与 或图把复杂问题分解转换成若干个问题并加以解答 从而实现最终问题的解决 难点 如何理解与图与或图 教学准备 教师既可让学生在纸上 也可找相应的计算机软件代替 27 与 或图表示法 建议教学过程创设情境 讲述汉诺塔的传说 为学生创设解题环境解汉诺塔问题 记录解题过程 即每个盘的搬运过程交流讨论 如何正确解答三层汉诺塔问题利用学习引导深入学习与 或图拓展与 图的应用体验活动 强化学习 28 与 或图表示法 虽然与图和或图存在差异 但是在解决实际问题时不能只用一种方法简单地描述问题 需要兼用分解和转换的方法 才能成功地解决问题在总结与 或图表示法解题的关键时候 学生讨论可能有许多种 此时教师有必有适时引导 29 谓词逻辑表示法 活动意图 通过活动比较谓词逻辑表示语句与自然语言之间的关系 强调谓词逻辑表示法的优越性 与人类的自然语言接近 且可方便地存储到计算机内 让计算机作精确处理 活动通过对比谓逻辑表示法语句和人类自然语言 寻找出谓词逻辑表示法中关键的组成部分 谓词 重点难点 重点 了解谓词逻辑表示法的基本概念 术语 教师要指导学生充分理解和掌握谓词 符号 量词等术语及其使用 难点 寻找知识中的谓词 谓词不一定指动词 能够表现知识中的对象之间的关系的词语都可以作为谓词 30 谓词逻辑表示法 建议教学过程通过活动引出自然语言的表示和谓词逻辑的表示 比较两者差异讲授学习指引中的谓词逻辑表示法的组成讲授学习指引的用谓词表示知识的步骤对本章内容进行总结体验活动 强化上述内容 31 谓词逻辑表示法 挑选各种各样的知识 包含不同种类的对象之间的关系 让学生充分认识到谓词所能表示的范围 32 后续活动与评价 后续活动让学生从整体上对知识表示法有更深入的认识 不仅能够学会使用不同的表示法表示知识 还需用根据不同的表示法的特点选择合适的使用场合 33 第3章人工智能语言 课标要求 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2知道人工智能语言的主要特征3初步学会使用人工智能语言求解简单问题4能够上机调试 执行相应的程序建议 从 读 程序开始 引导学生逐步适应人工智能语言的开发环境 并提供实例帮助学生克服学习中的障碍 在理解prolog语言的基本概念之后 通过调试 改写 填充程序等活动 学会开发简单的程序 34 主要内容 认识 rolog语言 rolog程序的编写 35 认识 rolog语言 活动意图 以运行一个范例程序并观察运行结果的方式 让学生直接接触 rolog程序语言及相关程序 用直观的形式让学生建立起感性认识 然后通过对照范例程序源文件中的语句和运行结果 让学生了解 rolog语言的基本数据结构和程序结构 知道人工智能语言的主要特征 重点难点 重点 让学生通过观察 调试 比较和分析 了解 rolog语言的程序结构和基本数据结构 难点 理解事实 规则 目标之间的关系 这些内容分散在程序的各个地方 教师应该在帮助学生正确划分程序结构的基础上 通过对比程序和运行结果 找到它们之间的关系 课学准备 教师一定要预先在计算机上安装 isualProlog软件 并将范例程序存放在指定的位置 注意 rolog版本差异大 36 认识 rolog语言 建议教学过程导入新课 复习谓词逻辑表示法启动 isualProlog 认识开发环境运行范例程序 了解程序的结构阅读程序语句 了解 rolog的数据结构小结体验活动 37 认识 rolog语言 rolog是一种以逻辑推理为基础的逻辑型程序设计语言 计算被看作是对逻辑式的证明 rolog语言解决问题时只要求描述给定问题中的对象和反映它们之间关系的已知事实 强调各对象之间的关系 而且不需要告诉计算机运算执行的先后次序 rolog语言的三种基本语句 事实 规则和目标 rolog程序的基本结构 论域段 谓词段 子句段和目标段 rolog提供一个一致的数据结构 项 所有的数据和 rolog程序都是由项构造而成 rolog通过对项进行模式匹配来求解 项包括简单项 常量 变量 复合项 结构 表等 38 rolog程序的编写 活动意图 由于独立进行 rolog编程工作比较困难 所以活动中从一个范例程序入手 通过输入程序 调试 运行程序 让学生逐渐进入角色 通过添加目标语句 修改原有语句等活动 通过实践加深对语法和程序运行机制的理解 重点难点 重点 指导学生掌握 rolog程序解决简单问题的方法 难点 让学生理解 rolog程序的运行机制 课学准备 需要通过回答 小练习等方式对学生上一节的学习情况作一个了解 教师一定要预先准备一些范例程序 以便于是在教学中举一反三 39 rolog程序的编写 建议教学过程调试 运行范例程序按照活动要求修改程序中的语句 记录运行结果通过以上一系列的尝试 结合学习指引 寻找 rolog的执行机制根据学习指引第61页的程序 辅导学生理解回溯机制学习 学习指引 中 用 rolog解决递归问题 的内容总结通过体验活动独立编写一段程序 40 rolog程序的编写 rolog的运行机制匹配合一回溯用 rolog解决递归问题什么是递归 rolog中的递归 41 后续活动和评价 活动分小组进行 通过输入程序 调试获得运行结果 然后可以根据运行结果试着搬运汉诺塔 体验解题过程 最后分析程序源代码 思考活动中的问题 后续活动一方面可以强化对于递归的认识 另一方面则通过分析程序中的语句 巩固对 rolog语言的认识 教学评价举例评价内容 信息技术能力 能够编制简单的人工智能程序 能够在教师的指导下模仿教师的步骤和方法完成程序的编制 能够独立完成大部分的程序编制 存在一些错误 能够完全独立地完成程序的编制 有创意 42 第 章推理与专家系统 课标要求 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2了解专家系统的基本结构3知道专家系统正向 反向推理的基本原理4会描述一种常用的不精确推理的基本过程5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6了解专家系统外壳的概念7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建议 这部分内容可操作性强 趣味性也较强 很容易激发学生的学习兴趣 教师应充分利用这个优势 让学生充分发挥自主学习的能力 在实践中不断地去获取新知识 43 主要内容 了解专家系统专家系统中的推理简单专家系统的开发 44 了解专家系统 1 活动意图 从请教人类专家的活动着手 让学生了解专家是如何帮助人们解决疑难问题的 然后让学生使用一个能够判别笔类文具种类的专家系统 从专家系统软件的构造 运行结果等方面了解专家系统的基本结构和解释机制 重点难点 重点 了解专家系统的基本结构和解释机制难点 学生会发现通过专家系统获得知识和事实会存在一定的出入 教师应提示学生发生这种现象的原因和解决的方法 课前准备 教师需了解一下学生对专家系统的了解程度 以便于在教学中纠正 预先下载好intermodeller软件 供学生课上使用 提供笔规则文具种类的专家系统的规则 存储在学生计算机内 45 了解专家系统 2 建议教学过程以活动导入新课模仿人类专家的解题过程指导学生阅读 学习指引 中的 什么是专家系统 执行活动2中的步骤1 6 使用识别笔类文具种类的专家系统指导学生阅读 学习指引 中的专家系统基本结构执行活动2中的步骤7 了解专家系统的识别结论的由来指导学生完成阅读 学习指引 中的专家系统与传统程序的区别 专家系统的解释 知识的获取小结并完成体验活动 46 了解专家系统 3 专家系统一般都是总结某个领域某些专家的经验 而这些专家的经验并不一定足够识别某个领域中的所有知识 所以就会造成专家系统在识别上的偏差 教师要提示学生充分认识到这一点 这也说明了知识库的重要性 47 专家系统中的推理 1 活动意图 本节设计的活动是 动物识别的正向推理 通过把己知的动物体貌特征与专家系统中的规则集合进行比较 匹配 最终完成推理 识别符合该特征的动物的种类或名称 让学生初步了解推理的过程 重点难点 重点 了解专家系统中推理机的控制策略难点 两种控制策略实施过程中事实库 规则库的变化课前准备 提供识别动物的专家系统的规则 并以文本文件的形式存储在学生的计算机内 准备一个用演示 动物识别的正向推理 的大表格 便于教师和学生一起完成推导过程 48 专家系统中的推理 2 建议教学过程用活动导入新课指导学生阅读 学习指引 中的 正向推理 指导学生运用正向推理方法 完成活动中 讨论 部分指向学生阅读 学习指引 中的 逆向推理 讨论正向推理与逆向推理的差异与适用场合指导学生阅读 学习指引 中的 不确定推理 小结通过体验活动强化学到的知识 49 专家系统中的推理 3 正向推理的流程逆向推理的流程不确定推理学生在学习可信度方法时 对可信度因子这一概念的理解可能存在困难 教师可以结合生活中的实例进行讲解 同时需要强调 可信度推理方法只是不确定推理方法中的一种 课程介绍的是一种非常简化的方法 只能起说明作用 50 简单专家系统的开发 1 活动意图 通过创建动物识别系统这个范例 让学生学习专家系统外壳的概念 掌握利用专家系统外壳开发专家系统的一般步骤 学会使用一个简易的专家系统外壳 并能用它独立开发简单的专家系统 重点难点 重点 让学生了解使用外家系统外壳 intermodeller软件创建一个简单的专家系统的步骤 并让学生亲身体验这个开发过程 难点 理解使用专家系统外壳开发专家系统的过程中的策略课前准备 提供识别动物的专家系统的规则 并以文本文件的形式存储在学生的计算机内 预先了解一下学生对于专家系统的构造 解释机制等方面的了解程度 针对实际情况在新课中进行适当复习和补充 51 简单专家系统的开发 2 建议教学过程导入新课 以第二节动物识别规则集为依据 使用intermodeller软件创建动物识别专家系统指导学生阅读 学习指引 中的 专家系统的开发工具 了解专家系统外壳的概念要求学生学习 学习指引 中的 用专家系统外壳开发专家系统的步骤 指导学生阅读 学习指引 中的 适于专家系统的求解问题 结合动物识别专家系统和选择运输工具专家系统了解专家系统的适用情况教师小结后续活动 52 简单专家系统的开发 3 学习指引 中的 用专家系统外壳开发专家系统步骤 只适合于小型 简单的专家系统的开发 它的核心思想是软件工程 53 后续活动和评价 宾馆选择专家系统 通过观察一个现成的知识库 建立一个自己的知识库 植物分类顾问专家系统的设计 帮助学生回顾利用专家系统外壳开发专家系统的具体步骤 以小组合作形式完成专家系统的开发 评价 信息技术能力 能够开发简单的专家系统 在教师的指导下参与简单的专家系统的开发 体验开发的过程 能够独立完成专家系统的开发 但存在比较多的错误和缺陷 能够独立完成专家系统的开发 基本不存在错误和缺陷 54 第5章通过搜索求解问题 课标要求 1了解状态空间的概念与方法2学会用状态空间法描述待求解的问题3了解用盲目搜索技术进行状态空间搜索的基本过程4知道启发式搜索的基本思想及优点建议 本章虽然介绍的是最基本的搜索知识 但学生在理解上仍会存在一定的困难 具体教学可以在活动中穿插知识 让学生从第2章学习过的迷宫问题入手 初步体验搜索的策略 指导学生由易至难 最后分析简单的博弈问题 了解搜索技术在博弈中的应用 55 主要内容 状态空间搜索求解博弈问题 56 状态空间搜索 1 活动意图 从第2章迷宫问题的入手 通过迷宫问题的求解过程 了解用盲目搜索技术进行状态空间搜索的基本过程 通过实验体会各种搜索策略 比较各种方法的差异重点难点 重点 了解用盲目搜索技术进行状态空间搜索的基本过程难点 搜索过程中closed表和open表的