第六章人工智能與教育課件

第六章

人工智能與教育.章節(jié)目錄第一節(jié)人工智能概述第二節(jié)人工智能教育應(yīng)用.學(xué)習(xí)要點(diǎn)1.了解人工智能的概念及其發(fā)展階段；2.掌握專家系統(tǒng)、機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、智能代理；3.人工智能教育應(yīng)用領(lǐng)域。.第一節(jié)人工智能概述.“深藍(lán)”對戰(zhàn)國際象棋大師卡斯帕羅夫“深藍(lán)”重量達(dá)１.４噸，有３２個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有８塊專門為進(jìn)行國際象棋對弈設(shè)計(jì)的處理器，平均運(yùn)算速度為每秒２００萬步?？傆?jì)２５６塊處理器集成在ＩＢＭ研制的ＲＳ６０００／ＳＰ并行計(jì)算系統(tǒng)中，從而擁有每秒超過２億步的驚人速度。它不會(huì)疲倦，不會(huì)有心理上的起伏，也不會(huì)受到對手的干擾.一、什么是人工智能1.什么是人工？什么是智能？人工人造物、人造的、人工系統(tǒng)等、非人類的智能詞典：智慧與能力。心理學(xué)：從感覺到記憶到思維稱為智慧，將行為和語言的表達(dá)過程稱為“能力”，兩者合稱“智能”，將感覺、記憶、回憶、思維、語言、行為的整個(gè)過程稱為智能過程，它是智力和能力的表現(xiàn)。智能具有層次性。.一、什么是人工智能2.人工智能的定義定義1智能機(jī)器：能夠在各類環(huán)境中自主地或交互地執(zhí)行各種擬人任務(wù)(anthropomorphictasks)的機(jī)器。定義2人工智能(學(xué)科)：人工智能是計(jì)算機(jī)科學(xué)中涉及研究、設(shè)計(jì)和應(yīng)用智能機(jī)器的一個(gè)分支。它的近期主要目標(biāo)在于研究用機(jī)器來模仿和執(zhí)行人腦的某些智力功能，并開發(fā)相關(guān)理論和技術(shù)。定義3人工智能(能力)：人工智能是智能機(jī)器所執(zhí)行的通常與人類智能有關(guān)的智能行為，如判斷、推理、證明、識別、感知、理解、通信、設(shè)計(jì)、思考、規(guī)劃、學(xué)習(xí)和問題求解等思維活動(dòng)。任務(wù)：我們一起來看如下幾種人工智能的定義，請大家在觀看過程中思考一下領(lǐng)域內(nèi)對“人工智能”都從哪幾方面進(jìn)行了定義？為什么？.定義4（Haugeland,1985）：人工智能是一種使計(jì)算機(jī)能夠思維，使機(jī)器具有智力的激動(dòng)人心的新嘗試。定義5（Bellman,1978）：人工智能是那些與人的思維、決策、問題求解和學(xué)習(xí)等有關(guān)活動(dòng)的自動(dòng)化。定義6（Charniak和McDermott,1985）：人工智能是用計(jì)算模型研究智力行為。定義7（Winston,1992）：人工智能是研究那些使理解、推理和行為成為可能的計(jì)算。.定義8（Kurzwell,1990）:人工智能是一種能夠執(zhí)行需要人的智能的創(chuàng)造性機(jī)器的技術(shù)。定義9（Rick和Knight,1991）:人工智能研究如何使計(jì)算機(jī)做事讓人過得更好。定義10（Schalkoff,1990）:人工智能是一門通過計(jì)算過程力圖理解和模仿智能行為的學(xué)科。定義11（Luger和Stubblefield,1993）:人工智能是計(jì)算機(jī)科學(xué)中與智能行為的自動(dòng)化有關(guān)的一個(gè)分支。.3.我們熟知的人工智能人臉識別技術(shù)：照相、攝像機(jī)器人機(jī)器翻譯語言識別（speak2me）我國于1986年提出和批準(zhǔn)并于1987年開始實(shí)施的《高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃綱要》(即863計(jì)劃)中，把對智能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的研究作為一個(gè)重要主題。1993年開始的國家科技攀登計(jì)劃也把對智能機(jī)系統(tǒng)及其相關(guān)領(lǐng)域列為主攻方向之一。這些研究計(jì)劃的實(shí)現(xiàn)，將使我國在智能機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用方面趕上國際先進(jìn)水平。..4.人類智能與人工智能人工智能原理：人體：另T表示時(shí)間變量，x表示認(rèn)知操作，x的變化△x是當(dāng)時(shí)機(jī)體狀態(tài)S（機(jī)體的生理和心理狀態(tài)以及頭腦中的記憶等）和外界刺激R的函數(shù)。當(dāng)外界刺激作用到處于某一特定狀態(tài)的機(jī)體時(shí)，便發(fā)生變化，即T→T+1,△x=f(S,R)。計(jì)算機(jī)：在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的記憶相當(dāng)于機(jī)體的狀態(tài)；計(jì)算機(jī)的輸入相當(dāng)于機(jī)體施加的某種刺激。在得到輸入后，計(jì)算機(jī)邊進(jìn)行操作，使得其內(nèi)部狀態(tài)隨時(shí)間變化而變化。.5.人工智能發(fā)展簡史（1）萌芽期（提供必要的技術(shù)和思想基礎(chǔ)）-1956年之前（2）形成時(shí)期-1956-1961年（3）發(fā)展時(shí)期-1961年之后AlanTuring.萌芽期的重要事件.第一臺機(jī)械加法器—pascaline.萊布尼茨的四則運(yùn)算機(jī).巴貝奇的差分機(jī)與分析機(jī)⑴存儲(chǔ)裝置：采用齒輪式裝置的寄存器保存數(shù)據(jù)，既能存儲(chǔ)運(yùn)算數(shù)據(jù)，又能存儲(chǔ)運(yùn)算結(jié)果；⑵運(yùn)算裝置：從寄存器取出數(shù)據(jù)進(jìn)行加、減、乘、除運(yùn)算，并且乘法是以累次加法來實(shí)現(xiàn)，還能根據(jù)運(yùn)算結(jié)果的狀態(tài)改變計(jì)算的進(jìn)程，用現(xiàn)代術(shù)語來說，就是條件轉(zhuǎn)移；⑶控制裝置：使用指令自動(dòng)控制操作順序、選擇所需處理的數(shù)據(jù)以及輸出結(jié)果。.圖靈機(jī).形成期的重要事件1956年，Dartmouth會(huì)議，人工智能學(xué)科誕生邏輯理論機(jī)、問題求解程序、表處理技術(shù)、國際象棋機(jī)西洋跳棋程序表處理語言LISP.發(fā)展期的重要事件大量程序、研究課題的涌現(xiàn)：如理解自然語言的程序、自動(dòng)程序設(shè)計(jì)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等1969年召開了第一屆國際人工智能聯(lián)合會(huì)議(InternationalJointConferenceonAI,IJCAI),此后每兩年召開一次。1970年《人工智能》國際雜志(InternationalJournalofAI)創(chuàng)刊。這些對開展人工智能國際學(xué)術(shù)活動(dòng)和交流、促進(jìn)人工智能的研究和發(fā)展起到積極作用。人工智能從實(shí)驗(yàn)室走入日常生活.二、人工智能研究的領(lǐng)域?qū)＜蚁到y(tǒng)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)器學(xué)習(xí)模式識別數(shù)據(jù)挖掘自然語言理解與機(jī)器翻譯、自動(dòng)定理證明、自動(dòng)程序設(shè)計(jì)、智能控制….（一）專家系統(tǒng)1.專家系統(tǒng)（ExpertSystem）是一種模擬人類專家解決領(lǐng)域問題的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)。2.類型：解釋專家系統(tǒng)：通過對已知信息和數(shù)據(jù)的分析與解釋，確定它們的涵義。預(yù)測專家系統(tǒng)：通過對過去和現(xiàn)在已知狀況的分析，推斷未來可能發(fā)生的情況。診斷專家系統(tǒng)：根據(jù)觀察到的情況(數(shù)據(jù))來推斷出某個(gè)對象機(jī)能失常(即故障)的原因。設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，求出滿足設(shè)計(jì)問題約束的目標(biāo)配置。.規(guī)劃專家系統(tǒng)：尋找出某個(gè)能夠達(dá)到給定目標(biāo)的動(dòng)作序列或步驟。監(jiān)視專家系統(tǒng)：對系統(tǒng)、對象或過程的行為進(jìn)行不斷觀察，并把觀察到的行為與其應(yīng)當(dāng)具有的行為進(jìn)行比較，以發(fā)現(xiàn)異常情況，發(fā)出警報(bào)?？刂茖＜蚁到y(tǒng)：自適應(yīng)地管理一個(gè)受控對象或客體的全面行為，使之滿足預(yù)期要求。調(diào)試專家系統(tǒng)：對失靈的對象給出處理意見和方法。調(diào)試專家系統(tǒng)的特點(diǎn)是同時(shí)具有規(guī)劃、設(shè)計(jì)、預(yù)報(bào)和診斷等專家系統(tǒng)的功能。調(diào)試專家系統(tǒng)可用于新產(chǎn)品或新系統(tǒng)的調(diào)試，也可用于維修站進(jìn)行被修設(shè)備的調(diào)整、測量與試驗(yàn)。.教學(xué)專家系統(tǒng)：根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)、弱點(diǎn)和基礎(chǔ)知識，以最適當(dāng)?shù)慕贪负徒虒W(xué)方法對學(xué)生進(jìn)行教學(xué)和輔導(dǎo)。修理專家系統(tǒng)：對發(fā)生故障的對象(系統(tǒng)或設(shè)備)進(jìn)行處理，使其恢復(fù)正常工作。修理專家系統(tǒng)具有診斷、調(diào)試、計(jì)劃和執(zhí)行等功能。美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的ACI電話和有線電視維護(hù)修理系統(tǒng)是修理專家系統(tǒng)的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。.3.專家系統(tǒng)的特點(diǎn)：專家系統(tǒng)能夠解釋本身的推理過程和回答用戶提出的問題，以便讓用戶能夠了解推理過程，提高對專家系統(tǒng)的信賴感；可以學(xué)習(xí)，不斷地增長知識，修改原有知識，不斷更新。.4.專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)a.專家系統(tǒng)的簡化結(jié)構(gòu)..（二）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)人工神經(jīng)元的組成（見左圖）.（三）機(jī)器學(xué)習(xí)什么是學(xué)習(xí)？學(xué)習(xí)是系統(tǒng)在不斷重復(fù)的工作中對本身能力的增強(qiáng)或者改進(jìn)，使得系統(tǒng)在下一次執(zhí)行同樣任務(wù)和相類似的任務(wù)時(shí)，會(huì)比現(xiàn)在做的更好和效率更高。（西蒙）1.機(jī)器學(xué)習(xí)是一門研究機(jī)器（計(jì)算機(jī)）獲取新知識和新技能，并識別現(xiàn)有知識的學(xué)問。.（2）機(jī)器學(xué)習(xí)的策略按學(xué)習(xí)中使用推理的多少，大致有機(jī)械學(xué)習(xí)、通過傳授進(jìn)行學(xué)習(xí)、歸納學(xué)習(xí)、類比學(xué)習(xí)、通過實(shí)例進(jìn)行學(xué)習(xí)。.機(jī)械學(xué)習(xí)（記憶學(xué)習(xí)）在機(jī)械學(xué)習(xí)（記憶學(xué)習(xí))中基本沒有變換。由施教者提供的信息或多或少被學(xué)習(xí)系統(tǒng)記憶和使用。這時(shí)環(huán)境提供的信息與執(zhí)行環(huán)節(jié)使用的信息有相同的水平，同樣的形式。實(shí)際上每臺計(jì)算機(jī)都可以看作是機(jī)械學(xué)習(xí)（記憶學(xué)習(xí)),因?yàn)樗鼈兌即尜A用戶送入的程序。一個(gè)例子是Samuel的西洋象棋程序（1956，1967），它記憶每個(gè)棋局以便提高下棋水平。

.傳授學(xué)習(xí)（指點(diǎn)學(xué)習(xí)）

在傳授學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)進(jìn)行的變換只是對施教者提供的信息進(jìn)行選擇和改造，這主要是在語法層的變換。這時(shí)環(huán)境提供的信息過于抽象，它的水平高于執(zhí)行環(huán)節(jié)所用信息的水平。學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)把較高水平的知識變換為較低水平的知識。這種變換稱為實(shí)用化。實(shí)用化主要有下列步驟：由傳授的信息推出結(jié)論，作出假設(shè)以補(bǔ)充一些細(xì)節(jié)和確定何時(shí)需要進(jìn)一步傳授。實(shí)用化過程類似于編譯系統(tǒng)把高級語言程序變換成機(jī)器碼程序。第一個(gè)例子是McCarthy(1958)的系統(tǒng)。最近的系統(tǒng)有TEIRESLAS（Davis,1976）和FOO（Mostow,1979和1981）。.歸納學(xué)習(xí)

在歸納學(xué)習(xí)中，變換過程是對輸入信息的一般化和選擇最合理的預(yù)期結(jié)果，這就是歸納推理。歸納學(xué)習(xí)可以分為以下實(shí)例學(xué)習(xí)、觀察與發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)。.類比學(xué)習(xí)

類比學(xué)習(xí)是演繹學(xué)習(xí)與歸納學(xué)習(xí)的組合。它匹配不同論域的描述，確定公共的子結(jié)構(gòu)，以此作為類比映射的基礎(chǔ)。尋找公共子結(jié)構(gòu)是歸納推理，而實(shí)現(xiàn)類比映射是演繹推理。由提醒學(xué)習(xí)可以看作一種類比學(xué)習(xí)（Schank,1982）。類比學(xué)習(xí)是由系統(tǒng)已有的某一領(lǐng)域知識得到另一領(lǐng)域中類似的知識。.實(shí)例學(xué)習(xí)（概念獲取）它的任務(wù)是確定概念的一般描述，這個(gè)描述應(yīng)解釋所有給定的正例并排除所有給定的反例。這些正反例是由信息源提供的，信息源可能是已經(jīng)知道概念的施教者，也可能是學(xué)生做實(shí)驗(yàn)而系統(tǒng)從中得到反饋的環(huán)境。后者可稱為實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，包括由做學(xué)習(xí)和由問題求解學(xué)習(xí)。刺激反應(yīng)式學(xué)習(xí)也是一種實(shí)例學(xué)習(xí)。

.（四）智能代理1.定義：人類、物理世界的機(jī)器人和信息世界的軟件機(jī)器人。信息世界中的軟件機(jī)器人或稱軟件Agent，他是代表用戶或其它程序，以主動(dòng)服務(wù)的方式完成一組操作的機(jī)動(dòng)計(jì)算實(shí)體。1.主動(dòng)適應(yīng)，在完成操作的過程中，它可以獲得、表示并在以后的操作中利用關(guān)于操作對象的知識以及關(guān)于用戶意圖和偏好的知識。2.主動(dòng)Agent，即對一些任務(wù)無需用戶發(fā)出指令，只要當(dāng)前狀態(tài)符合某種條件，就可以代表用戶或其它程序完成相應(yīng)的操作。在所處的計(jì)算環(huán)境中靈活的訪問機(jī)制，以及同其他Agent通信和協(xié)作的機(jī)制。.弱定義：自治性社會(huì)性反應(yīng)性能動(dòng)性強(qiáng)定義：另外還應(yīng)具有一些