知識工程與中學人工智能教育

1、高中人工智能： 課標解讀與教學實施,張劍平浙江師范大學教師教育學院http://teacher.zjnu.cn/zjp,AI及其教育意義高中AI的課程標準AI教育的現(xiàn)狀AI的教學資源AI課程的教學實施有待探索的問題,高中人工智能（AI）： 課標解讀與教學實施,,人工智能的基本概念,智能 人們在處理復雜事務、解決困難問題時所表現(xiàn)出來的智慧與能力人工智能 (Art

2、ificial Intelligence，簡稱 AI） 用計算機來表示和執(zhí)行人類的智能活動 也稱人工智慧AI的特征 推理、學習、聯(lián)想當代三大尖端技術： 空間技術; 能源技術; 人工智能技術人工智能處于信息技術發(fā)展的前沿，反映了信息技術的發(fā)展方向。,AI的研究領域與目標,AI的研究領域 知識表示、專家系統(tǒng)、自然語言理解、自動定理證明、自動程序設計、問題求解、博弈、計算機視覺、模式識別、智能機

3、器人、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、…… ……AI的研究目標近期——實現(xiàn)機器智能部分地或者在一定程度上實現(xiàn)機器的智能，從而使現(xiàn)有的計算機更靈活、更好用和更有用，成為人類的智能化信息處理工具。遠期——制造智能機器要使計算機具有看、聽、說、寫等感知交互功能，具有聯(lián)想、推理、理解、學習等高級思維能力，還要有分析問題、解決問題和發(fā)明創(chuàng)造的能力。,AI的研究方法,功能模擬以人腦的心理模型為基礎，將問題或知識表示成某種邏輯網(wǎng)絡，采用符號推演的方法，來

4、實現(xiàn)搜索、推理和學習，模擬人腦的思維；結(jié)構(gòu)模擬以人腦的生理結(jié)構(gòu)和工作機理為基礎，對人腦的神經(jīng)細胞及其構(gòu)成的神經(jīng)網(wǎng)絡進行研究，采用神經(jīng)計算的方法來實現(xiàn)學習、聯(lián)想、識別、推理；行為模擬通過模擬人在控制過程中的智能活動和行為特性，如自尋優(yōu)、自適應、自學習、自組織等，來研究和實現(xiàn)人工智能。,,從問題解決角度看 AI教育的必要性,IT教育的最終目的是讓學生能夠自如地應用IT解決問題。問題解決是所面對的問題得到解決的認知活

5、動過程。 問題的分類: 結(jié)構(gòu)化（structured）問題能夠通過形式化（或稱公式化）方法描述和求解的問題 也稱：定義完善的問題、良構(gòu)問題《算法與程序設計》課程要解決的問題非結(jié)構(gòu)化（unstructured）問題難以用確定的形式來描述，主要根據(jù)經(jīng)驗求解也稱：定義不完善的問題、劣構(gòu)問題《人工智能初步》課程要解決的問題半結(jié)構(gòu)化（semi-structured）問題,IT 視角下的 問題求解策略,算法《算法與程序設計》內(nèi)

6、容標準： 結(jié)合實例，經(jīng)歷分析問題、確定算法、編程求解等用計算機解決問題的基本過程，認識算法和程序設計在其中的地位和作用。 例： 排序算法 啟發(fā)式《人工智能初步》內(nèi)容標準： 通過簡單博弈問題的分析，了解用盲目搜索技術進行狀態(tài)空間搜索的基本過程，知道啟發(fā)式搜索的基本思想及其優(yōu)點。 例：狀態(tài)空間的啟發(fā)式搜索,AI課程對于提升信息素養(yǎng)的作用,對多種思維方式的培養(yǎng)和信息素養(yǎng)的綜合鍛煉求

7、解結(jié)構(gòu)化問題 傳統(tǒng)程序＝算法＋數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)求解非結(jié)構(gòu)化問題 智能程序＝知識＋推理體驗人類專家解決復雜問題的思路，提高學生的邏輯思維能力 美國著名教育技術專家Jonassen認為：那些自行設計專家系統(tǒng)的學生將會在這種活動中受益匪淺，因為這是一個對所學知識進行深度加工的過程。 了解信息技術發(fā)展的前沿，激發(fā)對信息技術未來的追求,,高中AI的課程標準,,多媒體技術應用,算法與程序設計,數(shù)據(jù)管理技術,網(wǎng)絡技術應用,人工智能初步,信

8、息技術基礎,,高中《信息技術 》課程構(gòu)成,必修,選修,信息獲取信息加工與表達信息資源管理信息技術與社會,2 學分,2+X 學分,,1 2 3 4 5,AI課程的背景與目標,課程背景: 適應時代發(fā)展需要，體現(xiàn)時代性特征。目標定位：了解信息技術發(fā)展的前沿，體驗若干典型人工智能技術的應用，感受人工智能對學習和生活的影響，激發(fā)對信息技術未來的追求。,高中AI的內(nèi)容體系,1、基

9、本概念能描述人工智能的概念與基本特點2、知識及其表達 列舉人工智能的主要應用領域掌握知識的概念、知識表達的基本方法3、推理與專家系統(tǒng) 演示或使用簡單的產(chǎn)生式專家系統(tǒng)軟件 知道專家系統(tǒng)正向、反向推理的基本原理 學會使用一個簡易的專家系統(tǒng)外殼4、人工智能語言與問題求解 學會使用一種人工智能語言求解簡單問題 了解狀態(tài)空間的概念與方法 了解用盲目搜索技術進行搜索，知道啟發(fā)式搜索,[

10、課標文本],當前國內(nèi)的高中AI教材,普通高中課程標準實驗教科書 信息技術（選修5）《人工智能初步》教育科學出版社，李 藝主編，2004年第1版中國地圖出版社，祝智庭主編，2005年第1版上?？萍冀逃霭嫔?，應吉康主編，2005年第1版廣東教育出版社，李冠英主編，2005年第1版浙江教育出版社，陶增樂主編，2006年第1版,高中教材: 《人工智能初步》,第1章 初識人工智能1.1　什么是人工智能1.2　人工智能可以

11、為我們做什么第2章 了解人工智能語言2.1　了解Prolog2.2　使用Prolog2.3　人工智能語言第3章 用計算機表示知識3.1　知識及其類型3.2　知識表示入門3.3　知識表示的常用方法第4章 用計算機推理4.1 什么是專家系統(tǒng)4.2 專家系統(tǒng)如何工作4.3 如何開發(fā)專家系統(tǒng)第5章 用智能搜索解決問題5.1 可以通過搜索求解的問題5.2 窮舉式搜索5.3 啟發(fā)式搜索與博弈第六章 人

12、工智能的發(fā)展與未來6.1 人工智能的發(fā)展6.2 人工智能的未來,張劍平主編教育科學出版社2004,當前國內(nèi)的高中AI教材,,AI 內(nèi)容舉例： AI語言,AI語言 是一類適應于AI領域的、具有符號處理和邏輯推理能力的程序設計語言。典型的AI語言LISP ——表處理語言Prolog ——邏輯型語言（用來描述事物之間的邏輯關系，接近于人類的自然語言）,AI 內(nèi)容舉例：用智能搜索求解問題,盲目搜索與啟發(fā)式

13、搜索計算機博弈,,,AI 內(nèi)容舉例： 專家系統(tǒng)及其外殼,學習一個簡單的專家系統(tǒng)外殼 Intermodeller它是一個適合中學生使用的軟件作者為英國的 Dr. Tom Conlon,,,人工智能教育的現(xiàn)狀,,我國高校的人工智能教育,高校一直將AI作為計算機專業(yè)的必修課程“智能科學與技術”本科專業(yè)的建立北京大學（2004）北京郵電大學（2005）南開大學（2005）西安電子科技大學（2005）…… （2006）…… （

14、2007）第一屆全國人工智能教育學術研討會（2002. 北京）中國AI學會教育工作委員會主辦首都師范大學信息工程學院承辦,我國中學的AI教育,2004年之前尚未在中學設置獨立的AI課程。奧林匹克信息學競賽中一直包含AI的題目。近年開展的機器人競賽及其相關活動中，已經(jīng)在AI方面進行嘗試。對青少年AI的啟蒙教育，愈來愈受到重視。1997年清華大學出版，由時任教育部長陳至立任名譽主任、出版的計算機科普教育叢書《計算機與信息科學十

15、萬個為什么》（全套共12本）中，包括了《人工智能》一書。2000年清華大學出版，由李衍達院士主編的青少年科學教育叢書信息科學與技術系列一套8本中，也包含有《人類智慧與人工智能》一書。…………2003年頒布的普通高中信息技術課標中，將AI作為選修模塊。目前已經(jīng)出版5套教材，并在實驗省份的部分地區(qū)開展教學。,國外中學的AI教育,包括人工智能教育在內(nèi)的中學信息技術教育呈現(xiàn)多樣化發(fā)展的格局。 以美國為例，在將信息技術作為獨立課程進行設置

16、與教學的學區(qū)中，信息技術課程的內(nèi)容通常包括：（1）旨在培養(yǎng)學生信息技術技能與意識的內(nèi)容。信息加工與應用。信息技術系統(tǒng)概論。人工智能概論。使學生認識人工智能的意義及其應用，并介紹自動化系統(tǒng)、機器人、虛擬現(xiàn)實技術等。使學生認識信息技術的大量運用以及人工智能的產(chǎn)生與發(fā)展可能對人類社會造成的各種影響。（2）計算機程序設計的內(nèi)容。,英國的ICT課程與AI教育 ——以蘇格蘭地區(qū)為例,ICT課程： 計算（C

17、omputing） 信息系統(tǒng)（Information Systems）每門課包括三個層次： 中級（Intermediate2） 高級（Higher） 高級提升（Adv Higher）每個層次包括兩部分： 強制單元（Mandatory units） 可選單元（Optional units）,英國中學ICT課程的基本構(gòu)成,英國James Gillespies 中學的AI教學,AI教育的研究

18、 ——以FLAIRS-2006為例,American Association for AI（AAAI）和Florida技術學院聯(lián)合舉辦AI Education 專題：Implementation of the Computing Curricula 2001 Intelligent Systems Area Model Assignments/Experiences/Syllabi for AI Instruction AI C

19、lassroom Techniques or Innovations for Undergraduate and/or Graduate Instruction Intelligent Applications for Instruction of AI and Assessment of Such Applications Incorporating AI research into AI courses,http://www.a

20、aai.org http://www.indiana.edu/~flairs06,,人工智能課程的教學資源,,AI的教學資源,《人工智能》國家精品課程中南大學 蔡自興主持http://cai.csu.edu.cn/jpkc《現(xiàn)代教育技術》國家精品課程浙江師大 張劍平主持http://course.zjnu.cn/met,AI的教學資源：,人工智能的教育應用： http://www.zcmet.net/A

21、I 信息技術課程網(wǎng)： http://www.ictedu.cn 人工智能教育知識庫： http://www.cs.cofc.edu/~manaris/ai-education-repository因特網(wǎng)上的AI教育資源： 《中小學信息技術教育》，2003（10）,,高中AI的教學實施,,實施策略,充分考慮高中生的認知特點，選擇那些與他們學習、生活關系密切的，看得見、摸的著的AI應用問題作為案

22、例展開教學。 將課程目標定位在了解和體驗。 根據(jù)中學生的特點進行AI語言教學，只介紹其主要特征和最為簡單的應用方法。例如了解 Prolog，能用遞歸方法編寫簡單程序。 充分發(fā)揮網(wǎng)上信息資源和網(wǎng)上軟件資源的作用。例如，在線進行專家系統(tǒng)、符號運算、機器翻譯等內(nèi)容的教學與實驗。,幾點建議,注意教學對象的選擇：興趣+基礎，努力激發(fā)和保持學生的學習興趣。合理組織“講授課”和“探究性、自主性學習”。要及時了解學習效果?？紤]將本課程與

23、其他相關課程進行整合。例如，作為“通用技術”中簡易機器人模塊的軟件基礎或加以整合；可以嘗試作為校本選修。根據(jù)學生情況適當安排大的“課程設計”任務。,,有待探索的問題,,AI課程中需要探索的問題：,教學的內(nèi)容選擇、深度確定適合中學生學習的教材編寫教學設計與教學方法數(shù)字化教學資源的建設與利用高校信息技術教育專業(yè)的建設,AI課程中需要探索的問題： 關于人工智能與機器人教育的有機結(jié)合,從國外情況看，

24、英、美等發(fā)達國家包括人工智能和機器人在內(nèi)的中小學信息技術教育正呈現(xiàn)多樣化發(fā)展的格局。 人工智能與機器人之間的關系密切,有必要將它們有機結(jié)合 從知識和技術的系統(tǒng)性角度看 從信息技術師資的培養(yǎng)角度看應當將AI&R教育與基礎教育課程改革相結(jié)合小學和初中階段，在“綜合實踐活動”課程中開展機器人教育，在此過程中讓學生初步了解人工智能的相關知識；高中階段，可以將教育機器人與“人工智能初步”、“算法與程序設計”

25、、“簡易機器人制作”、“電子控制技術”等技術類課程有機結(jié)合開設“人工智能與機器人”校本課程。對不同層次的學生，應當有不同的教學目標應當提高機器人的智能程度 例如：可以把簡單的實時專家系統(tǒng)平臺軟件嵌入機器人， 提供友善的人機接口，小學生只需用文本格式建立 知識庫，即可驅(qū)動機器人進行相應的智能活動。,,謝 謝,張劍平浙江師范大學教師教育學院,http://ai.zjnu.net.cnhttp://teacher