高中人工智能課程

1、高中人工智能課程高中人工智能課程： 課標與教學資源課標與教學資源主講：張家華主講：張家華E-mail: 浙江師范大學教師教育學院浙江師范大學教師教育學院福建省高中新課程福建省高中新課程信息技術信息技術學科學科骨干教師省級培訓骨干教師省級培訓v什么是什么是AIAIv為何要開設為何要開設AIAI課程課程vAIAI課程的基本內容課程的基本內容v國內外國內外AIAI教育現(xiàn)狀教育現(xiàn)狀v高中高中AIAI課程的教學資源課程的教學資源研修班計劃主要內容什么是人工智能什么是人工智能v智能 人們在處理復雜事務、解決困難問題時所表現(xiàn)人們在處理復雜事務、解決困難問題時所表現(xiàn)出來的出來的智慧與能力智慧與能力v人工智能

2、(Artificial Intelligence，簡稱 AI） 用計算機來表示和執(zhí)行人類的智能活動用計算機來表示和執(zhí)行人類的智能活動 也稱人工人工智慧智慧vAI的特征 推理、學習、聯(lián)想推理、學習、聯(lián)想v當代三大尖端技術： 空間技術空間技術; ; 能源技術能源技術; ; 人工智能技術人工智能技術v人工智能處于信息技術發(fā)展的前沿，反映了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。信息技術的發(fā)展方向。AI的研究領域與目標的研究領域與目標vAIAI的研究領域的研究領域 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

3、、計算機視覺、明、自動程序設計、問題求解、博弈、計算機視覺、模式識別、智能機器人、人工神經網絡、模式識別、智能機器人、人工神經網絡、 vAIAI的研究目標的研究目標近期近期實現(xiàn)機器智能實現(xiàn)機器智能n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。工具。遠期遠期制造智能機器制造智能機器n要使計算機具有看、聽、說、寫等感知交互功能，具有聯(lián)想、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

4、析問題、解決推理、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)造的能力問題和發(fā)明創(chuàng)造的能力。為何要開設人工智能課程為何要開設為何要開設AI課程？課程？高中課程改革強調要高中課程改革強調要適應時代發(fā)展需要，適應時代發(fā)展需要，體現(xiàn)體現(xiàn)時代性時代性特征。特征。人工智能是信息技人工智能是信息技術的術的前沿前沿領域，應領域，應當被關注！當被關注！高中信息技術課程高中信息技術課程要有利于學生的要有利于學生的個個性發(fā)展性發(fā)展。高中高中AI課程的背景與目標課程的背景與目標v課程背景: 適應時代發(fā)展需要，體現(xiàn)時代性特征。適應時代發(fā)展需要，體現(xiàn)時代性特征。v目標定位：了解信息技術發(fā)展的前沿，信息技術

5、發(fā)展的前沿，體驗若干典型人工智能技術的應用，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，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。對信息技術未來的追求。 高中開設高中開設AI課程的意義課程的意義 1、開設人工智能課程的教育價值開設人工智能課程的教育價值 提高信息素養(yǎng)提高信息素養(yǎng) 培養(yǎng)多種思維能力和多樣化問題解決能力培養(yǎng)多種思維能力和多樣化問題解決能力提高學生的邏輯思維能力提高學生的邏輯思維能力促進個性化學習，培養(yǎng)創(chuàng)新人才促進個性化學習，培養(yǎng)創(chuàng)新人才激發(fā)對信息技術未來的追求激發(fā)對信息技術未來的追求 2、開設人工智能課程的必要性和可行性開設人工智能課程的必要性和可行性人

6、工智能在社會各個領域的應用越來越廣人工智能在社會各個領域的應用越來越廣 ，越來越多的人需要了解，越來越多的人需要了解和接觸人工智能和接觸人工智能目前我國已基本具備了實施人工智能基礎教育的條件目前我國已基本具備了實施人工智能基礎教育的條件 從問題解決角度看從問題解決角度看AIAI教育的必要性教育的必要性vITIT教育教育的最終目的目的是讓學生能夠自如地應用用ITIT解決問題解決問題。v問題解決問題解決是所面對的問題得到解決的認知活動過程。 問題的分類問題的分類: 1.1.結構化結構化（structured）問題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、良構問題算

7、法與程序設計課程要解決的問題2.2.非結構化非結構化（unstructured）問題問題n難以用確定的形式來描述，主要根據(jù)經驗求解n也稱：定義不完善的問題、劣構問題n人工智能初步課程要解決的問題v半結構化半結構化（semi-structured）問題問題AIAI課程對于提升信息素養(yǎng)的作用課程對于提升信息素養(yǎng)的作用 v對多種思維方式的培養(yǎng)和信息素養(yǎng)的綜合鍛煉求解結構化問題 傳統(tǒng)程序算法數(shù)據(jù)結構求解非結構化問題 智能程序知識推理v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

8、識進行深度加工的過程。 v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 高中高中AIAI課程課程的的基本內容基本內容高中高中AI課程課程的的三大主題三大主題人工智能初步人工智能初步知識及其表達知識及其表達推理與專家系統(tǒng)推理與專家系統(tǒng)人工智能語言與問題求解人工智能語言與問題求解高中高中AI課程課程的的內容體系內容體系1、基本概念、基本概念能描述人工智能的概念與基本特點能描述人工智能的概念與基本特點2、知識及其表達、知識及其表達 列舉人工智能的主要應用領域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)、推理與專家系統(tǒng) 演示或使用

9、簡單的產生式專家系統(tǒng)軟件演示或使用簡單的產生式專家系統(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、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)式搜索了解用盲目搜索技術進行搜索，知道啟發(fā)式搜索AI課程內容舉例： AIAI語言語言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

10、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課程內容舉例：用智能搜索求解問題用智能搜索求解問題v盲目搜索與啟發(fā)式搜索v計算機博弈AI課程內容舉例： 專家系統(tǒng)及其外殼v學習一個簡單的專家系統(tǒng)外殼學習一個簡單的專家系統(tǒng)外殼 Intermodellerv它是一個適合中學生使用的軟件適合中學生使用的軟件v作者為英國的作者為英國的 Dr. Tom Conlon國內外人工智能教育現(xiàn)狀我國高校的人工智能教育我國高校的人工智能教育v高校一直將AI作為計算機專業(yè)的必修課程v“智能科學與技術”本科專業(yè)的建立n北京大學（2004）n北京郵電大學（2005）n南開大學（2005）

11、n西安電子科技大學（2005）n （2006）n （2007）v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我國中學的AI教育教育v20042004年之前尚未在中學設置獨立的年之前尚未在中學設置獨立的AIAI課程。課程。v奧林匹克信息學競賽中一直包含奧林匹克信息學競賽中一直包含AIAI的題目。的題目。v近年開展的機器人競賽及其相關活動中，已經在近年開展的機器人競賽及其相關活動中，已經在AIAI方面進行嘗試。方面進行嘗試。v對青少年對青少年AIAI的啟蒙教育，愈來愈受到重視。的啟蒙教育，愈來愈受到重視。19971997年

12、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十萬個為什么（全套共教育叢書計算機與信息科學十萬個為什么（全套共1212本）中，包括了人本）中，包括了人工智能一書。工智能一書。20002000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術系列一套8 8本中，也包含有人類智慧與人工智能一書。本中，也包含有人類智慧與人工智能一書。v20032003年頒布的普通高中信息技術課標中，將年頒布的普通高中信息技術

13、課標中，將AIAI作為選修模塊。作為選修模塊。目前已經出版目前已經出版5 5套教材，并在實驗省份的部分地區(qū)開展教學。套教材，并在實驗省份的部分地區(qū)開展教學。國外中學國外中學AI課程的發(fā)展和現(xiàn)狀課程的發(fā)展和現(xiàn)狀1、英國中學人工智能課程的開設情況、英國中學人工智能課程的開設情況英國是較早開展人工智能基礎教育的國家之一。不少中學開設了人工智能課英國是較早開展人工智能基礎教育的國家之一。不少中學開設了人工智能課程，并通過組織和開展相關教育競賽活動來擴展和延伸人工智能教育。程，并通過組織和開展相關教育競賽活動來擴展和延伸人工智能教育。 2、美國中學人工智能課程的開展情況、美國中學人工智能課程的開展情況在

14、美國現(xiàn)行的中學信息技術課程中，部分學校將人工智能作為必修或選修課在美國現(xiàn)行的中學信息技術課程中，部分學校將人工智能作為必修或選修課程加以開設。美國各州根據(jù)自身的教育特點和目標，對人工智能教育的內容程加以開設。美國各州根據(jù)自身的教育特點和目標，對人工智能教育的內容有不同的要求。有不同的要求。3、澳大利亞、澳大利亞中學人工智能課程的中學人工智能課程的開設情況開設情況部分中學在信息處理與技術課程中也開設了人工智能相關的課程。部分中學在信息處理與技術課程中也開設了人工智能相關的課程。國外中學的AI教育 v以美國為例，在將信息技術作為獨立課程進行設置與教學的學區(qū)中，信息技術課程的內容通常包括：（1）旨在

15、培養(yǎng)學生信息技術技能與意識的內容。n信息加工與應用。n信息技術系統(tǒng)概論。n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容美國美國Chesterfield縣公立中學縣公立中學AI課程設置課程設置v在佛吉尼亞州在佛吉尼亞州ChesterfieldChesterfield縣公立中學的信息網站上，列出了為該縣縣公立中學的信息網站上，列出了為該縣十幾所高中的在校學生提供的各類課程。在其中的十幾所高中的在校學生提供的各類課程。在其中的“職業(yè)和技術教育職業(yè)和

16、技術教育類類”課程中，人工智能是作為其中課程中，人工智能是作為其中“信息系統(tǒng)技術信息系統(tǒng)技術”選修課程的一部選修課程的一部分為優(yōu)等生特別開設的。分為優(yōu)等生特別開設的。v人工智能課程包括兩個層次：人工智能課程包括兩個層次：ARTIFICIAL INTELLIGENCE ARTIFICIAL INTELLIGENCE (EXPERT SYSTEMS)(EXPERT SYSTEMS)和和ADVANCED ARTIFICIAL ADVANCED ARTIFICIAL INTELLIGENCE (EXPERT SYSTEMS)INTELLIGENCE (EXPERT SYSTEMS)。 英國的ICT課程

17、與AI教育 以蘇格蘭地區(qū)為例 vICT課程： 計算（Computing） 信息系統(tǒng)（Information Systems）v每門課包括三個層次： 中級（Intermediate2） 高級（Higher） 高級提升（Adv Higher）v每個層次包括兩部分： 必修單元（Mandatory units） 選修單元（Optional units） 英國中學ICT課程的基本構成 計算（計算（ComputingComputing）信息系統(tǒng)（信息系統(tǒng)（Information SystemsInformation Systems）中級中級Intermediate2Intermediate2高級高級Hig

18、herHigher高級提升高級提升Adv HigherAdv HigherIntInt 2 2HigherHigherAdv HigherAdv Higher起步水起步水平平標準等級標準等級(General level) (General level) 或或計算（計算（IntInt 1 1）標準等級標準等級 (Credit (Credit level) level) 或或計算（計算（IntInt 2 2）計算計算（HigherHigher） 標準等級標準等級 (General (General level) level) 計算研計算研究究或或 計算計算( (IntInt 1)1)標準等級標準等

19、級 (Credit (Credit level) level) 計算計算研究研究 或或 信息系統(tǒng)信息系統(tǒng)（IntInt 2 2）信息系統(tǒng)信息系統(tǒng)（HigherHigher）必修單必修單元元計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng) 軟件開發(fā)軟件開發(fā) 計算機項目計算機項目 計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng) 軟件開發(fā)軟件開發(fā)軟件開發(fā)軟件開發(fā) (20 (20 小時小時) )計算機項目計算機項目(60 (60 小時小時) )計算機應用軟計算機應用軟件件 ( (IntInt 2) 2) 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)( (IntInt 2) 2) 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(H) (H) 信息組織信息組織(H) (H) 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(AH)(A

20、H)（2020小小時時) )信息系統(tǒng)項信息系統(tǒng)項目目(AH) (AH) （60 60 小時小時) )選修單選修單元元N/AN/A人工智能人工智能程序設計程序設計 計算機網絡計算機網絡多媒體技術多媒體技術人工智能人工智能計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊數(shù)據(jù)通訊ITIT在社會中的在社會中的應用應用 ( (IntInt 2) 2) 多媒體多媒體( (IntInt 2) 2) 因特網因特網 ( (IntInt 2) 2) 計算機應用計算機應用軟件軟件(H) (H) 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) (H)(H) 超媒體超媒體 (H) (H) 多媒體多媒體 (AH) (AH) 自然語言處自然語言處理理 (AH) (AH)

21、系統(tǒng)分析與系統(tǒng)分析與設計設計(AH) (AH) 單元評單元評價價11 11 小時小時1010小時小時45 45 分分2020小時小時6 6小時小時4545分分1414小時小時3030分分1818小時小時4040分分考核考核1 1 小時小時3030分分2 2小時小時3030分分2 2小時小時3030分分1 1小時小時3030分分2 2小時小時3030分分2 2小時小時3030分分 英國James Gillespies 中學的AI教學澳大利亞澳大利亞Marsden高中高中AI課程的設置課程的設置v澳大利亞昆士蘭州的澳大利亞昆士蘭州的MarsdenMarsden州立高中在開設的信息處理與技州立高中在

22、開設的信息處理與技術（術（Information Processing and TechnologyInformation Processing and Technology）課程中，）課程中，人工智能、信息系統(tǒng)、算法和程序設計、社會和倫理道德、人工智能、信息系統(tǒng)、算法和程序設計、社會和倫理道德、計算機系統(tǒng)作為計算機系統(tǒng)作為5 5個主題共同構成了該課程的教學內容。個主題共同構成了該課程的教學內容。v在該課程的大綱中規(guī)定，人工智能部分的教學內容在高中第在該課程的大綱中規(guī)定，人工智能部分的教學內容在高中第三學期為三學期為1212年級的學生開設，教學時間為年級的學生開設，教學時間為1010周，課時為

23、周，課時為3535小小時，共計時，共計6060堂課，其中核心教學內容的課時占堂課，其中核心教學內容的課時占2/32/3，拓展教學，拓展教學內容的課時占內容的課時占1/31/3。v另外，在人工智能這一主題下，又分為人工智能另外，在人工智能這一主題下，又分為人工智能I I（專家系統(tǒng)）（專家系統(tǒng)）和人工智能和人工智能IIII（人工智能的領域）兩部分內容，課時安排分（人工智能的領域）兩部分內容，課時安排分別為別為2424和和3636堂課堂課。高中人工智能課程的教學資源國內中學國內中學AI課程建設的現(xiàn)狀課程建設的現(xiàn)狀1、教材及相關讀物的編寫、教材及相關讀物的編寫一些相關科普叢書先后出版，成為中學人工智能

24、教育的參考書籍一些相關科普叢書先后出版，成為中學人工智能教育的參考書籍多家出版社組織編寫了多家出版社組織編寫了人工智能初步人工智能初步新教材，并開發(fā)了配套的教輔材料新教材，并開發(fā)了配套的教輔材料2、人工智能教育網絡資源的建設、人工智能教育網絡資源的建設國內已經開發(fā)和建設了一些適合中學生學習與體驗的人工智能軟件和網絡資源國內已經開發(fā)和建設了一些適合中學生學習與體驗的人工智能軟件和網絡資源3、人工智能教育活動和賽事的舉辦人工智能教育活動和賽事的舉辦部分發(fā)達地區(qū)，一些部門、公司、學校早已開展了許多與人工智能教育相關的活動部分發(fā)達地區(qū)，一些部門、公司、學校早已開展了許多與人工智能教育相關的活動4、中小

25、學人工智能教學和實驗的開展、中小學人工智能教學和實驗的開展在我國比較發(fā)達的地區(qū)，不少條件較好的中小學都開展了機器人教育在我國比較發(fā)達的地區(qū)，不少條件較好的中小學都開展了機器人教育少數(shù)高中（廣州、金華、武漢等）在新課標頒布后開展了人工智能教學實驗少數(shù)高中（廣州、金華、武漢等）在新課標頒布后開展了人工智能教學實驗當前國內的高中當前國內的高中AIAI教材教材v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n教育科學出版社教育科學出版社，張劍平主編，2004年第1版n中國地圖出版社中國地圖出版社，祝智庭主編，2005年第1版n上?？萍冀逃霭嫔缟虾？萍冀逃霭嫔?，應吉康主編，2005年第1

26、版n廣東教育出版社廣東教育出版社，李冠英主編，2005年第1版n浙江教育出版社浙江教育出版社，陶增樂主編，2006年第1版教科版教科版人工智能初步人工智能初步第第1章章 初識人工智能初識人工智能1.11.1什么是人工智能什么是人工智能1.21.2人工智能可以為我們做什么人工智能可以為我們做什么第第2章章 了解人工智能語言了解人工智能語言2.12.1了解了解PrologProlog2.22.2使用使用PrologProlog2.32.3人工智能語言人工智能語言第第3章章 用計算機表示知識用計算機表示知識3.13.1知識及其類型知識及其類型3.23.2知識表示入門知識表示入門3.33.3知識表示的常用方法知識表示的常用方法第第4章章 用計算機推理用計算機推理4.1 4.1 什么是專家系統(tǒng)什么是專家系統(tǒng)4.2 4.2 專家系統(tǒng)如何工作專家系統(tǒng)如何工作4.3 4.3 如何開發(fā)專家系統(tǒng)如何開發(fā)專家系統(tǒng)第第5章章 用智能搜