Crosswords問(wèn)題的智能程序?qū)崿F(xiàn)

Crosswords問(wèn)題的智能程序?qū)崿F(xiàn)（-）課標(biāo)要求：（三）人工智能語(yǔ)言與問(wèn)題求解（1） 了解一種人工智能語(yǔ)言的基本數(shù)據(jù)和程序結(jié)構(gòu)，掌握相關(guān)概念，知道人工智能語(yǔ)言的主要特征。（2） 初步學(xué)會(huì)使用該語(yǔ)言設(shè)計(jì)程序求解簡(jiǎn)單問(wèn)題，并能夠上機(jī)調(diào)試、執(zhí)行相應(yīng)的程序。例1用匹配方法解決簡(jiǎn)單的查詢問(wèn)題。（二）學(xué)情分析：學(xué)生在完成必修模塊的學(xué)習(xí)后，會(huì)逐步對(duì)運(yùn)用信息技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題產(chǎn)生濃厚的興趣，運(yùn)用信息技術(shù)的意識(shí)會(huì)不斷增強(qiáng)。特別是在完成了信息的編程加工與智能化加工的知識(shí)后，學(xué)生對(duì)于如何在計(jì)算機(jī)編制程序解題會(huì)比較關(guān)注。華南師大附中在選修課程的開(kāi)設(shè)上，教師根據(jù)學(xué)生特點(diǎn)，針對(duì)高一奧林匹克班學(xué)生開(kāi)設(shè)了《算法與程序設(shè)計(jì)》和《人工智能初步》兩門選修課，兩門課程的選學(xué)人數(shù)分別為18人和47人。很明顯地看出，學(xué)生對(duì)人工智能的學(xué)習(xí)興趣是比較大的。一方面與這模塊的內(nèi)容比較新穎有關(guān)，另一方面也與學(xué)生通過(guò)各種渠道認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力，從而對(duì)計(jì)算機(jī)智能化認(rèn)識(shí)的不全面有關(guān)。第一章的學(xué)習(xí)后，學(xué)生通過(guò)充分的體驗(yàn)，認(rèn)識(shí)了人工智能學(xué)科的研究?jī)?nèi)容、主要技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域。由于大部分學(xué)生在選修本模塊之前都沒(méi)有學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的知識(shí)，第二章的教學(xué)設(shè)計(jì)將首先安排學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能語(yǔ)言，給予學(xué)生更多的動(dòng)手實(shí)踐的時(shí)間和空間，讓學(xué)生保持著對(duì)這一門技術(shù)難度較高的課程的學(xué)習(xí)興趣。采用“程序設(shè)計(jì)”學(xué)習(xí)與理論知識(shí)同步的策略，在學(xué)習(xí)PROLOG人工智能語(yǔ)言的基礎(chǔ)上，滲透教材中“知識(shí)”及“知識(shí)表示”的內(nèi)容。PROLOG語(yǔ)言的學(xué)習(xí)實(shí)際上是一個(gè)載體，它可以讓原本抽象的“知識(shí)”及“知識(shí)表示”具體化，學(xué)生可以在實(shí)踐中更好地理解和體會(huì)這部分內(nèi)容。學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言一直以來(lái)都是信息技術(shù)教育中討論的熱點(diǎn)問(wèn)題。在設(shè)計(jì)PROLOG教學(xué)時(shí)，要考慮遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，循序漸進(jìn)地引領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)程序結(jié)構(gòu)、語(yǔ)法及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。因此，教學(xué)時(shí)嘗試打破一般程序設(shè)計(jì)教學(xué)中“先講語(yǔ)句語(yǔ)法，再編程序”的思路，直接從實(shí)用的角度和解決問(wèn)題角度入手來(lái)認(rèn)識(shí)PROLOG程序。教學(xué)過(guò)程中簡(jiǎn)易問(wèn)題的PROLOG程序最好能夠與自然語(yǔ)言的表達(dá)相近，推理過(guò)程要比較直觀，這有助于學(xué)生對(duì)程序的閱讀和理解，消除學(xué)生對(duì)語(yǔ)言語(yǔ)法學(xué)習(xí)的恐懼心理。情景案例的選擇是本教學(xué)設(shè)計(jì)最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。對(duì)于高中生，人工智能初步教學(xué)采用的案例要有知識(shí)性，也要有趣味性，更要注意問(wèn)題本身的復(fù)雜性。適度的復(fù)雜問(wèn)題會(huì)激發(fā)學(xué)生的探索熱情。案例的選擇還要注意在程序中的實(shí)現(xiàn)，最好能夠在PROLOG中用比較簡(jiǎn)單的算法就可以解決的。一般PROLOG教科書中會(huì)采用“家族譜（Family）”等經(jīng)典例子作為學(xué)習(xí)PROLOG程序的入門程序。作者認(rèn)為，這個(gè)程序在實(shí)用性和趣味性方面非常欠缺，問(wèn)題的復(fù)雜度不夠，未能體現(xiàn)計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的效率優(yōu)勢(shì)。（三）教材分析：本課教學(xué)的內(nèi)容是普通高中信息技術(shù)課程選修模塊（5）《人工智能初步》中“人工智能語(yǔ)言與問(wèn)題求解”的內(nèi)容，對(duì)應(yīng)廣東版《人工智能初步》教材的第二章第一節(jié)的教學(xué)內(nèi)容。教學(xué)中安排學(xué)生完成"Crosswords"（縱橫字謎）英文單詞游戲，學(xué)生在比較手工求解和使用程序求解過(guò)程中體驗(yàn)智能程序解決問(wèn)題的效率與特點(diǎn)；掌握Prolog程序的運(yùn)行方法；初步了解Prolog的程序結(jié)構(gòu)，了解人工智能語(yǔ)言的主要特征。學(xué)習(xí)內(nèi)容：典型的人工智能語(yǔ)言主要LISP、PROLOG、Smalltalk等。PROLOG是當(dāng)代最有影響的人工智能語(yǔ)言之一，主要適合于處理邏輯推理問(wèn)題。PROLOG語(yǔ)言很適合表達(dá)人的思維和推理規(guī)則，在自然語(yǔ)言、機(jī)器定理證明、專家系統(tǒng)等方面得到了廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為人工智能應(yīng)用領(lǐng)域的強(qiáng)有力的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。PROLOG用事實(shí)、規(guī)則描述問(wèn)題，用詢問(wèn)啟動(dòng)系統(tǒng)，使用演繹推理自動(dòng)求解問(wèn)題。PROLOG程序由事實(shí)、規(guī)則、提問(wèn)三種子句構(gòu)成。在一個(gè)邏輯程序中，所有子句都是獨(dú)立的，它們之間的關(guān)系在推理過(guò)程中是確定的。PROLOG的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由一組相應(yīng)的事實(shí)來(lái)描述，事實(shí)的存放、個(gè)數(shù)均是任意的，對(duì)事實(shí)可隨機(jī)讀取、隨機(jī)更新。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上的操作，則是基于事實(shí)庫(kù)上規(guī)則調(diào)用。（1）問(wèn)題的提出“縱橫字謎”（CrosswordsPuzzles）是世界上廣為流行的單詞游戲，但它只有一個(gè)很短的歷史。第一個(gè)英文單詞“縱橫字謎”游戲出現(xiàn)在19世紀(jì)的英格蘭。如今，在美國(guó)“縱橫字謎”已經(jīng)發(fā)展為家喻戶曉的休閑游戲。游戲要求玩家根據(jù)一定的規(guī)則在方格中填入單詞，構(gòu)成單詞的字母會(huì)存在縱橫交錯(cuò)連接的情況。給出若干漢字成語(yǔ)，也可構(gòu)造此類游戲，如下圖1所示。字謎游戲可以通過(guò)PROLOG程序?qū)崿F(xiàn)高效率的求解，求解的結(jié)果準(zhǔn)確且全面。（2）PROLOG程序設(shè)計(jì)“縱橫字謎”是PROLOG語(yǔ)言編程的“入門級(jí)”案例。它主要體現(xiàn)了PROLOG語(yǔ)言接近自然語(yǔ)言，文法簡(jiǎn)捷，邏輯性強(qiáng)，易寫易讀，便于學(xué)習(xí)和使用等特點(diǎn)，也兼顧考慮到PROLOG求解程序的復(fù)雜度，程序體不長(zhǎng)，僅涉及少量的謂詞。用PROLOG解決本問(wèn)題的要點(diǎn)是構(gòu)造出表示各個(gè)成語(yǔ)和縱橫方格解題的謂詞，設(shè)置標(biāo)記縱橫方格和“交叉點(diǎn)”的變量。各個(gè)成語(yǔ)可以用PROLOG中的謂詞words（大浪淘沙，大，浪，淘，沙）來(lái)表示，可讀作“大浪淘沙是一個(gè)成語(yǔ)，它由大、浪、淘、沙這四個(gè)單字組成”。程序中各成語(yǔ)的謂詞，構(gòu)成本程序的事實(shí)庫(kù)（知識(shí)庫(kù)）?？v橫方格共有五處，分別標(biāo)記為五個(gè)變量R1、R2、C1、C2、C3（R表示Row，C表示列Column）。在各字之間的“交叉點(diǎn)”做上標(biāo)記，表示為變量A、B、C、D等來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。設(shè)游戲解題的謂詞為crosswords（R1、R2、C1、C2、C3），推理規(guī)則是：crosswords（R1、R2、C1、C2、C3）:-words（R1,A,_,B,_）,words（C3,_,_,D,_）,write（"解題答案為："）.本程序在VisualPROLOG的PIE中運(yùn)行通過(guò)。（3）知識(shí)歸納通過(guò)學(xué)習(xí)，學(xué)生將了解PROLOG語(yǔ)言的主要特點(diǎn)：PROLOG是一種描述型邏輯程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。PROLOG程序所描述的是各個(gè)被描述對(duì)象之間的邏輯關(guān)系，而并不是運(yùn)算過(guò)程。用通俗的語(yǔ)言表達(dá)，即PROLOG要程序設(shè)計(jì)者講清楚“做什么”，而不需要知道“怎么做”。PROLOG語(yǔ)言是在謂詞邏輯證明過(guò)程的研究中誕生的，以一階謂詞演算為基礎(chǔ)，是一種邏輯程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。PROLOG內(nèi)部的推理機(jī)制是搜索、匹配和回溯，它提供了模式匹配和自動(dòng)回溯功能。PROLOG是面向符號(hào)處理等非數(shù)值計(jì)算領(lǐng)域。通過(guò)游戲體驗(yàn)和程序求解的比較，學(xué)生初步學(xué)會(huì)PROLOG程序設(shè)計(jì)求解簡(jiǎn)單的問(wèn)題。PROLOG程序設(shè)計(jì)包括簡(jiǎn)單PROLOG程序的設(shè)計(jì)、編寫、調(diào)試和運(yùn)行等。（一）教學(xué)目標(biāo)：教與學(xué)的目標(biāo)目標(biāo)要求與內(nèi)容描述知識(shí)與技能概念人工智能語(yǔ)言，Prolog程序，事實(shí)，規(guī)則，推理，匹配事實(shí)了解Prolog人工智能語(yǔ)言的主要特征了解Prolog程序的運(yùn)行環(huán)境和推理機(jī)接口引擎（PIE）了解Prolog的程序結(jié)構(gòu)

操作技能能夠上機(jī)在PIE中運(yùn)行調(diào)試Prolog的程序。初步學(xué)會(huì)使用Prolog語(yǔ)言設(shè)計(jì)程序求解簡(jiǎn)單問(wèn)題。過(guò)程與方法過(guò)程從日常生活游戲中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的存在，體驗(yàn)非結(jié)構(gòu)化問(wèn)題的解決過(guò)程。通過(guò)觀摩人工智能語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的運(yùn)行，初步認(rèn)識(shí)人工智能知識(shí)與技術(shù)，從而獲得對(duì)非結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化問(wèn)題解決過(guò)程的了解，知道人工智能程序=知識(shí)+推理。方法理解人工智能語(yǔ)言中運(yùn)用匹配解決簡(jiǎn)單的查詢問(wèn)題的設(shè)計(jì)方法，掌握一般的邏輯推理方法。情感態(tài)度與價(jià)值觀身心健康激發(fā)學(xué)生對(duì)人工智能技術(shù)學(xué)習(xí)的興趣，消除人工智能專業(yè)技術(shù)神秘感。信息意識(shí)充分體驗(yàn)人類專家的對(duì)問(wèn)題的求解思路和推理風(fēng)格，培養(yǎng)學(xué)生多種思維方式，提高學(xué)生的分析、思維和判斷能力。增強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用信息技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題的意識(shí)與能力。價(jià)值內(nèi)化培養(yǎng)有效地運(yùn)用信息意識(shí)，迎接信息社會(huì)的挑戰(zhàn)。（二）教學(xué)思路：教學(xué)過(guò)程將采用講授與上機(jī)操作結(jié)合的教學(xué)方法。根據(jù)學(xué)生起點(diǎn)水平情況，教學(xué)時(shí)間可安排1或2課時(shí)。學(xué)習(xí)重點(diǎn)：1、以PROLOG語(yǔ)言為例，了解人工智能語(yǔ)言的主要特征；2、了解PROLOG程序的運(yùn)行環(huán)境和推理機(jī)接口（PIE）的主要功能；3、 知道PROLOG程序“知識(shí)（事實(shí)）+推理規(guī)則”的基本結(jié)構(gòu)；4、 能夠上機(jī)在PIE中運(yùn)行調(diào)試PROLOG的程序。學(xué)習(xí)難點(diǎn)：1、 邏輯推理2、 知識(shí)（事實(shí)）、規(guī)則3、 匹配4、 運(yùn)行和調(diào)試PROLOG的程序教學(xué)策略：1、形成認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)的策略設(shè)計(jì)兩個(gè)簡(jiǎn)單的Crosswords游戲。先給出一個(gè)簡(jiǎn)易的中文連字的例子，限時(shí)完成，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，形成學(xué)習(xí)氛圍。在完成第一個(gè)題目的解題后，給出第二個(gè)7x7的英文單詞連字的例子。學(xué)生這時(shí)候會(huì)感覺(jué)到難度會(huì)驟然增加，這是形成認(rèn)知結(jié)構(gòu)的第一步，學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，課堂上會(huì)安排學(xué)生對(duì)“手工”解題與“應(yīng)用信息技術(shù)”解題進(jìn)行比較，進(jìn)一步突顯出計(jì)算機(jī)人工智能語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)特征。引起學(xué)生對(duì)運(yùn)用信息技術(shù)高效率解決問(wèn)題的關(guān)注。為了減輕學(xué)生對(duì)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的學(xué)習(xí)壓力，教學(xué)情景案例所編制的PROLOG程序盡量貼近自然語(yǔ)言，方便學(xué)生對(duì)程序的閱讀和理解，掌握PROLOG程序的基本結(jié)構(gòu)。案例中的PROLOG程序設(shè)計(jì)的推理過(guò)程也是相對(duì)簡(jiǎn)單的，學(xué)生容易理解。這是形成認(rèn)知結(jié)構(gòu)的第三步。2、促進(jìn)信息加工的教學(xué)策略適當(dāng)結(jié)合游戲課件，使教學(xué)過(guò)程形象、生動(dòng)。因?yàn)檫\(yùn)用多媒體課件教學(xué)，可使學(xué)生手、腦、眼、耳并用，使學(xué)生有新穎感、驚奇感、獨(dú)特感、直觀感，能喚起學(xué)生的“情緒”和激發(fā)他們的興趣，從而提高教學(xué)效率。教學(xué)過(guò)程中的游戲環(huán)節(jié)要求學(xué)生在《學(xué)習(xí)指導(dǎo)手冊(cè)》中完成Crosswords游戲，有助于增加學(xué)生的學(xué)習(xí)注意力，對(duì)理解推理和知識(shí)這兩個(gè)知識(shí)難點(diǎn)有幫助作用?！秾W(xué)習(xí)指導(dǎo)手冊(cè)》中還安排PROLOG程序的填空題，可以讓部分能力強(qiáng)的學(xué)生有拓展的空間。在學(xué)生上機(jī)操作階段，教師要準(zhǔn)備不少于3個(gè)的PROLOG程序案例，讓學(xué)生在上機(jī)調(diào)試過(guò)程中有充分的運(yùn)行調(diào)試程序