知識(shí)工程與中學(xué)人工智能教育

1、高中人工智能： 課標(biāo)解讀與教學(xué)實(shí)施,張劍平浙江師范大學(xué)教師教育學(xué)院http://teacher.zjnu.cn/zjp,AI及其教育意義高中AI的課程標(biāo)準(zhǔn)AI教育的現(xiàn)狀A(yù)I的教學(xué)資源AI課程的教學(xué)實(shí)施有待探索的問(wèn)題,高中人工智能（AI）： 課標(biāo)解讀與教學(xué)實(shí)施,,人工智能的基本概念,智能 人們?cè)谔幚韽?fù)雜事務(wù)、解決困難問(wèn)題時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的智慧與能力人工智能 (Art

2、ificial Intelligence，簡(jiǎn)稱 AI） 用計(jì)算機(jī)來(lái)表示和執(zhí)行人類(lèi)的智能活動(dòng) 也稱人工智慧AI的特征 推理、學(xué)習(xí)、聯(lián)想當(dāng)代三大尖端技術(shù)： 空間技術(shù); 能源技術(shù); 人工智能技術(shù)人工智能處于信息技術(shù)發(fā)展的前沿，反映了信息技術(shù)的發(fā)展方向。,AI的研究領(lǐng)域與目標(biāo),AI的研究領(lǐng)域 知識(shí)表示、專(zhuān)家系統(tǒng)、自然語(yǔ)言理解、自動(dòng)定理證明、自動(dòng)程序設(shè)計(jì)、問(wèn)題求解、博弈、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、模式識(shí)別、智能機(jī)

3、器人、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、…… ……AI的研究目標(biāo)近期——實(shí)現(xiàn)機(jī)器智能部分地或者在一定程度上實(shí)現(xiàn)機(jī)器的智能，從而使現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)更靈活、更好用和更有用，成為人類(lèi)的智能化信息處理工具。遠(yuǎn)期——制造智能機(jī)器要使計(jì)算機(jī)具有看、聽(tīng)、說(shuō)、寫(xiě)等感知交互功能，具有聯(lián)想、推理、理解、學(xué)習(xí)等高級(jí)思維能力，還要有分析問(wèn)題、解決問(wèn)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(chǔ)，將問(wèn)題或知識(shí)表示成某種邏輯網(wǎng)絡(luò)，采用符號(hào)推演的方法，來(lái)

4、實(shí)現(xiàn)搜索、推理和學(xué)習(xí)，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(jī)理為基礎(chǔ)，對(duì)人腦的神經(jīng)細(xì)胞及其構(gòu)成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，采用神經(jīng)計(jì)算的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)、聯(lián)想、識(shí)別、推理；行為模擬通過(guò)模擬人在控制過(guò)程中的智能活動(dòng)和行為特性，如自尋優(yōu)、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自組織等，來(lái)研究和實(shí)現(xiàn)人工智能。,,從問(wèn)題解決角度看 AI教育的必要性,IT教育的最終目的是讓學(xué)生能夠自如地應(yīng)用IT解決問(wèn)題。問(wèn)題解決是所面對(duì)的問(wèn)題得到解決的認(rèn)知活

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

6、容標(biāo)準(zhǔn)： 結(jié)合實(shí)例，經(jīng)歷分析問(wèn)題、確定算法、編程求解等用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的基本過(guò)程，認(rèn)識(shí)算法和程序設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)： 通過(guò)簡(jiǎn)單博弈問(wèn)題的分析，了解用盲目搜索技術(shù)進(jìn)行狀態(tài)空間搜索的基本過(guò)程，知道啟發(fā)式搜索的基本思想及其優(yōu)點(diǎn)。 例：狀態(tài)空間的啟發(fā)式搜索,AI課程對(duì)于提升信息素養(yǎng)的作用,對(duì)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(wèn)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(wèn)題 智能程序＝知識(shí)＋推理體驗(yàn)人類(lèi)專(zhuān)家解決復(fù)雜問(wèn)題的思路，提高學(xué)生的邏輯思維能力 美國(guó)著名教育技術(shù)專(zhuān)家Jonassen認(rèn)為：那些自行設(shè)計(jì)專(zhuān)家系統(tǒng)的學(xué)生將會(huì)在這種活動(dòng)中受益匪淺，因?yàn)檫@是一個(gè)對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行深度加工的過(guò)程。 了解信息技術(shù)發(fā)展的前沿，激發(fā)對(duì)信息技術(shù)未來(lái)的追求,,高中AI的課程標(biāo)準(zhǔn),,多媒體技術(shù)應(yīng)用,算法與程序設(shè)計(jì),數(shù)據(jù)管理技術(shù),網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用,人工智能初步,信

8、息技術(shù)基礎(chǔ),,高中《信息技術(shù) 》課程構(gòu)成,必修,選修,信息獲取信息加工與表達(dá)信息資源管理信息技術(shù)與社會(huì),2 學(xué)分,2+X 學(xué)分,,1 2 3 4 5,AI課程的背景與目標(biāo),課程背景: 適應(yīng)時(shí)代發(fā)展需要，體現(xiàn)時(shí)代性特征。目標(biāo)定位：了解信息技術(shù)發(fā)展的前沿，體驗(yàn)若干典型人工智能技術(shù)的應(yīng)用，感受人工智能對(duì)學(xué)習(xí)和生活的影響，激發(fā)對(duì)信息技術(shù)未來(lái)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(diǎn)2、知識(shí)及其表達(dá) 列舉人工智能的主要應(yīng)用領(lǐng)域掌握知識(shí)的概念、知識(shí)表達(dá)的基本方法3、推理與專(zhuān)家系統(tǒng) 演示或使用簡(jiǎn)單的產(chǎn)生式專(zhuān)家系統(tǒng)軟件 知道專(zhuān)家系統(tǒng)正向、反向推理的基本原理 學(xué)會(huì)使用一個(gè)簡(jiǎn)易的專(zhuān)家系統(tǒng)外殼4、人工智能語(yǔ)言與問(wèn)題求解 學(xué)會(huì)使用一種人工智能語(yǔ)言求解簡(jiǎn)單問(wèn)題 了解狀態(tài)空間的概念與方法 了解用盲目搜索技術(shù)進(jìn)行搜索，知道啟發(fā)式搜索,[

10、課標(biāo)文本],當(dāng)前國(guó)內(nèi)的高中AI教材,普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū) 信息技術(shù)（選修5）《人工智能初步》教育科學(xué)出版社，李 藝主編，2004年第1版中國(guó)地圖出版社，祝智庭主編，2005年第1版上?？萍冀逃霭嫔?，應(yīng)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(lè)主編，2006年第1版,高中教材: 《人工智能初步》,第1章 初識(shí)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(yǔ)言2.1　了解Prolog2.2　使用Prolog2.3　人工智能語(yǔ)言第3章 用計(jì)算機(jī)表示知識(shí)3.1　知識(shí)及其類(lèi)型3.2　知識(shí)表示入門(mén)3.3　知識(shí)表示的常用方法第4章 用計(jì)算機(jī)推理4.1 什么是專(zhuān)家系統(tǒng)4.2 專(zhuān)家系統(tǒng)如何工作4.3 如何開(kāi)發(fā)專(zhuān)家系統(tǒng)第5章 用智能搜索解決問(wèn)題5.1 可以通過(guò)搜索求解的問(wèn)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(lái)6.1 人工智能的發(fā)展6.2 人工智能的未來(lái),張劍平主編教育科學(xué)出版社2004,當(dāng)前國(guó)內(nèi)的高中AI教材,,AI 內(nèi)容舉例： AI語(yǔ)言,AI語(yǔ)言 是一類(lèi)適應(yīng)于AI領(lǐng)域的、具有符號(hào)處理和邏輯推理能力的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。典型的AI語(yǔ)言LISP ——表處理語(yǔ)言Prolog ——邏輯型語(yǔ)言（用來(lái)描述事物之間的邏輯關(guān)系，接近于人類(lèi)的自然語(yǔ)言）,AI 內(nèi)容舉例：用智能搜索求解問(wèn)題,盲目搜索與啟發(fā)式

13、搜索計(jì)算機(jī)博弈,,,AI 內(nèi)容舉例： 專(zhuān)家系統(tǒng)及其外殼,學(xué)習(xí)一個(gè)簡(jiǎn)單的專(zhuān)家系統(tǒng)外殼 Intermodeller它是一個(gè)適合中學(xué)生使用的軟件作者為英國(guó)的 Dr. Tom Conlon,,,人工智能教育的現(xiàn)狀,,我國(guó)高校的人工智能教育,高校一直將AI作為計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的必修課程“智能科學(xué)與技術(shù)”本科專(zhuān)業(yè)的建立北京大學(xué)（2004）北京郵電大學(xué)（2005）南開(kāi)大學(xué)（2005）西安電子科技大學(xué)（2005）…… （2006）…… （

14、2007）第一屆全國(guó)人工智能教育學(xué)術(shù)研討會(huì)（2002. 北京）中國(guó)AI學(xué)會(huì)教育工作委員會(huì)主辦首都師范大學(xué)信息工程學(xué)院承辦,我國(guó)中學(xué)的AI教育,2004年之前尚未在中學(xué)設(shè)置獨(dú)立的AI課程。奧林匹克信息學(xué)競(jìng)賽中一直包含AI的題目。近年開(kāi)展的機(jī)器人競(jìng)賽及其相關(guān)活動(dòng)中，已經(jīng)在AI方面進(jìn)行嘗試。對(duì)青少年AI的啟蒙教育，愈來(lái)愈受到重視。1997年清華大學(xué)出版，由時(shí)任教育部長(zhǎng)陳至立任名譽(yù)主任、出版的計(jì)算機(jī)科普教育叢書(shū)《計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)十

15、萬(wàn)個(gè)為什么》（全套共12本）中，包括了《人工智能》一書(shū)。2000年清華大學(xué)出版，由李衍達(dá)院士主編的青少年科學(xué)教育叢書(shū)信息科學(xué)與技術(shù)系列一套8本中，也包含有《人類(lèi)智慧與人工智能》一書(shū)?！?003年頒布的普通高中信息技術(shù)課標(biāo)中，將AI作為選修模塊。目前已經(jīng)出版5套教材，并在實(shí)驗(yàn)省份的部分地區(qū)開(kāi)展教學(xué)。,國(guó)外中學(xué)的AI教育,包括人工智能教育在內(nèi)的中學(xué)信息技術(shù)教育呈現(xiàn)多樣化發(fā)展的格局。 以美國(guó)為例，在將信息技術(shù)作為獨(dú)立課程進(jìn)行設(shè)置

16、與教學(xué)的學(xué)區(qū)中，信息技術(shù)課程的內(nèi)容通常包括：（1）旨在培養(yǎng)學(xué)生信息技術(shù)技能與意識(shí)的內(nèi)容。信息加工與應(yīng)用。信息技術(shù)系統(tǒng)概論。人工智能概論。使學(xué)生認(rèn)識(shí)人工智能的意義及其應(yīng)用，并介紹自動(dòng)化系統(tǒng)、機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等。使學(xué)生認(rèn)識(shí)信息技術(shù)的大量運(yùn)用以及人工智能的產(chǎn)生與發(fā)展可能對(duì)人類(lèi)社會(huì)造成的各種影響。（2）計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的內(nèi)容。,英國(guó)的ICT課程與AI教育 ——以蘇格蘭地區(qū)為例,ICT課程： 計(jì)算（C

17、omputing） 信息系統(tǒng)（Information Systems）每門(mén)課包括三個(gè)層次： 中級(jí)（Intermediate2） 高級(jí)（Higher） 高級(jí)提升（Adv Higher）每個(gè)層次包括兩部分： 強(qiáng)制單元（Mandatory units） 可選單元（Optional units）,英國(guó)中學(xué)ICT課程的基本構(gòu)成,英國(guó)James Gillespies 中學(xué)的AI教學(xué),AI教育的研究

18、 ——以FLAIRS-2006為例,American Association for AI（AAAI）和Florida技術(shù)學(xué)院聯(lián)合舉辦AI Education 專(zhuān)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(xué)資源,,AI的教學(xué)資源,《人工智能》國(guó)家精品課程中南大學(xué) 蔡自興主持http://cai.csu.edu.cn/jpkc《現(xiàn)代教育技術(shù)》國(guó)家精品課程浙江師大 張劍平主持http://course.zjnu.cn/met,AI的教學(xué)資源：,人工智能的教育應(yīng)用： http://www.zcmet.net/A

21、I 信息技術(shù)課程網(wǎng)： http://www.ictedu.cn 人工智能教育知識(shí)庫(kù)： http://www.cs.cofc.edu/~manaris/ai-education-repository因特網(wǎng)上的AI教育資源： 《中小學(xué)信息技術(shù)教育》，2003（10）,,高中AI的教學(xué)實(shí)施,,實(shí)施策略,充分考慮高中生的認(rèn)知特點(diǎn)，選擇那些與他們學(xué)習(xí)、生活關(guān)系密切的，看得見(jiàn)、摸的著的AI應(yīng)用問(wèn)題作為案

22、例展開(kāi)教學(xué)。 將課程目標(biāo)定位在了解和體驗(yàn)。 根據(jù)中學(xué)生的特點(diǎn)進(jìn)行AI語(yǔ)言教學(xué)，只介紹其主要特征和最為簡(jiǎn)單的應(yīng)用方法。例如了解 Prolog，能用遞歸方法編寫(xiě)簡(jiǎn)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(jìn)行專(zhuān)家系統(tǒng)、符號(hào)運(yùn)算、機(jī)器翻譯等內(nèi)容的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)。,幾點(diǎn)建議,注意教學(xué)對(duì)象的選擇：興趣+基礎(chǔ)，努力激發(fā)和保持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。合理組織“講授課”和“探究性、自主性學(xué)習(xí)”。要及時(shí)了解學(xué)習(xí)效果。考慮將本課程與

23、其他相關(guān)課程進(jìn)行整合。例如，作為“通用技術(shù)”中簡(jiǎn)易機(jī)器人模塊的軟件基礎(chǔ)或加以整合；可以嘗試作為校本選修。根據(jù)學(xué)生情況適當(dāng)安排大的“課程設(shè)計(jì)”任務(wù)。,,有待探索的問(wèn)題,,AI課程中需要探索的問(wèn)題：,教學(xué)的內(nèi)容選擇、深度確定適合中學(xué)生學(xué)習(xí)的教材編寫(xiě)教學(xué)設(shè)計(jì)與教學(xué)方法數(shù)字化教學(xué)資源的建設(shè)與利用高校信息技術(shù)教育專(zhuān)業(yè)的建設(shè),AI課程中需要探索的問(wèn)題： 關(guān)于人工智能與機(jī)器人教育的有機(jī)結(jié)合,從國(guó)外情況看，

24、英、美等發(fā)達(dá)國(guó)家包括人工智能和機(jī)器人在內(nèi)的中小學(xué)信息技術(shù)教育正呈現(xiàn)多樣化發(fā)展的格局。 人工智能與機(jī)器人之間的關(guān)系密切,有必要將它們有機(jī)結(jié)合 從知識(shí)和技術(shù)的系統(tǒng)性角度看 從信息技術(shù)師資的培養(yǎng)角度看應(yīng)當(dāng)將AI&R教育與基礎(chǔ)教育課程改革相結(jié)合小學(xué)和初中階段，在“綜合實(shí)踐活動(dòng)”課程中開(kāi)展機(jī)器人教育，在此過(guò)程中讓學(xué)生初步了解人工智能的相關(guān)知識(shí)；高中階段，可以將教育機(jī)器人與“人工智能初步”、“算法與程序設(shè)計(jì)”

25、、“簡(jiǎn)易機(jī)器人制作”、“電子控制技術(shù)”等技術(shù)類(lèi)課程有機(jī)結(jié)合開(kāi)設(shè)“人工智能與機(jī)器人”校本課程。對(duì)不同層次的學(xué)生，應(yīng)當(dāng)有不同的教學(xué)目標(biāo)應(yīng)當(dāng)提高機(jī)器人的智能程度 例如：可以把簡(jiǎn)單的實(shí)時(shí)專(zhuān)家系統(tǒng)平臺(tái)軟件嵌入機(jī)器人， 提供友善的人機(jī)接口，小學(xué)生只需用文本格式建立 知識(shí)庫(kù)，即可驅(qū)動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行相應(yīng)的智能活動(dòng)。,,謝 謝,張劍平浙江師范大學(xué)教師教育學(xué)院,http://ai.zjnu.net.cnhttp://teacher