《人工智能》课程教案

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1、1人工智能人工智能课程教案课程教案第一章第一章 绪绪 论论教学内容：教学内容：本章首先介绍人工智能的定义、发展概况及相关学派和他们的认知观，接 着讨论人工智能的研究和应用领域，最后简介本书的主要内容和编排。 教学重点：教学重点：1从不同科学或学科出发对人工智能进行的定义； 2介绍人工智能的起源与发展过程； 3讨论人工智能与人类智能的关系； 4简介目前人工智能的主要学派； 5简介人工智能所研究的范围与应用领域。 教学难点：教学难点：1怎么样理解人工智能； 2人工智能作为一门学科有什么意义； 3人工智能的主要学派与其争论焦点； 教学方法：教学方法：课堂教学为主，充分利用网络课程中的多媒体素材来表示

2、抽象概念。 教学要求：教学要求：重点掌握人工智能的几种定义，掌握目前人工智能的三个主要学派及对人 工智能的理解，一般了解人工智能的主要研究范围和应用领域。1.11.1 人工智能的定义与发展人工智能的定义与发展教学内容：教学内容：本小节主要介绍目前对人工智能的几种定义，并对人工智能的起源和发展 进行了总结和分析。 教学重点：教学重点：几种人工智能的定义和人工智能发展的几个重要时期。 教学难点：教学难点：理解人工智能的定义与本质。 教学方法：教学方法：课堂讲授为主。 教学要求：教学要求：从学科和能力的角度深刻理解人工智能的定义，初步了解人工智能的起源 及其发展过程。1.1.1 人工智能的定义人工智

3、能的定义定义定义 1 智能机器 能够在各类环境中自主地或交互地执行各种拟人任务(anthropomorphic tasks)的机器。 定义定义 2 人工智能(学科) 人工智能(学科)是计算机科学中涉及研究、设计和应用智能机器的一个分支。它的近 期主要目标在于研究用机器来模仿和执行人脑的某些智力功能，并开发相关理论和技术。 定义定义 3 人工智能(能力) 人工智能(能力)是智能机器所执行的通常与人类智能有关的智能行为，如判断、推理、 证明、识别、感知、理解、通信、设计、思考、规划、学习和问题求解等思维活动。2为了让读者对人工智能的定义进行讨论，以便更深刻地理解人工智能，下面综述其它 几种关于人工

4、智能的定义。 定义定义 4 人工智能是一种使计算机能够思维，使机器具有智力的激动人心的新尝试 （Haugeland,1985） 。 定义定义 5 人工智能是那些与人的思维、决策、问题求解和学习等有关活动的自动化 （Bellman,1978） 。 定义定义 6 人工智能是用计算模型研究智力行为（Charniak 和 McDermott,1985） 。 定义定义 7 人工智能是研究那些使理解、推理和行为成为可能的计算（Winston,1992） 。 定义定义 8 人工智能是一种能够执行需要人的智能的创造性机器的技术（Kurzwell,1990） 。定义定义 9 人工智能研究如何使计算机做事让人过得

5、更好（Rick 和 Knight,1991） 。 定义定义 10 人工智能是一门通过计算过程力图理解和模仿智能行为的学科 （Schalkoff,1990） 。 定义定义 11 人工智能是计算机科学中与智能行为的自动化有关的一个分支（Luger 和 Stubblefield,1993） 。 其中，定义 4 和定义 5 涉及拟人思维；定义 6 和定义 7 与理性思维有关；定义 8 和定 义 9 涉及拟人行为；定义 10 和定义 11 与拟人理性行为有关。1.1.2 人工智能的起源与发展人工智能的起源与发展人工智能的发展是以硬件与软件为基础的，经历了漫长的发展历程。特别是 20 世纪 30 年代和

6、40 年代的智能界，发现了两件重要的事情：数理逻辑和关于计算的新思想。以 维纳（Wiener） 、弗雷治、罗素等为代表对发展数理逻辑学科的贡献及丘奇(Church)、图灵 和其它一些人关于计算本质的思想，为人工智能的形成产生了重要影响。 1956 年夏季，人类历史上第一次人工智能研讨会在美国的达特茅斯(Dartmouth)大学举 行，标志着人工智能学科的诞生。 1969 年召开了第一届国际人工智能联合会议(International Joint Conference on AI, IJCAI), 此后每两年召开一次。 1970 年人工智能国际杂志(International Journal o

7、f AI)创刊。这些对开展人工智能 国际学术活动和交流、促进人工智能的研究和发展起到积极作用。 20 世纪 7080 年代，知识工程的提出与专家系统的成功应用，确 定了知识在人工智能中的地位。 近十多年来，机器学习、计算智能、人工神经网络等和行为主义的 研究深入开展，形成高潮。同时，不同人工智能学派间的争论也非常热 烈。这些都推动人工智能研究的进一步发展。1.2 人类智能与人工智能人类智能与人工智能教学内容：教学内容：本节主要讨论人类智能与人工智能的关系问题。 教学重点：教学重点：智能信息处理系统，人类智能与人工智能的关系。 教学难点：教学难点：智能信息处理系统的假设。 教学方法：教学方法：课

8、堂讲授为主。提问：提问：为什 么人工智能 在 1956 年 才正式诞生？3教学要求：教学要求：了解人类认知活动与计算机的比较关系，基本了解智能信息处理系统。1.2.1 智能处理信息系统的假设智能处理信息系统的假设1、符号处理系统的六种基本功能、符号处理系统的六种基本功能 信息处理系统又叫符号操作系统(Symbol Operation System)或物理符号系统(Physical Symbol System)。所谓符号就是模式(pattern)。 一个完善的符号系统应具有下列 6 种基本功能： (1)输入符号(input)； (2)输出符号(output); (3)存储符号(store); (

9、4)复制符号(copy); (5)建立符号结构：通过找出各符号间的关系，在符号系统中形成符号结构； (6)条件性迁移(conditional transfer):根据已有符号，继续完成活动过程。 2、可以把人看成一个智能信息处理系统、可以把人看成一个智能信息处理系统 如果一个物理符号系统具有上述全部 6 种功能，能够完成这个全过程，那么它就是一 个完整的物理符号系统。人具有上述 6 种功能；现代计算机也具备物理符号系统的这 6 种 功能。 3、理符号系统的假设、理符号系统的假设 任何一个系统，如果它能表现出智能，那么它就必定能够执行上述 6 种功能。反之， 任何系统如果具有这 6 种功能，那么

10、它就能够表现出智能；这种智能指的是人类所具有的 那种智能。把这个假设称为物理符号系统的假设。 4、物理符号系统、物理符号系统 3 个推论个推论 推论一推论一 既然人具有智能，那么他(她)就一定是个物理符号系统。人之所以能够表现出智能，就是基于他的信息处理过程。 推论二推论二 既然计算机是一个物理符号系统，它就一定能够表现 出智能。这是人工智能的基本条件。 推论三推论三 既然人是一个物理符号系统，计算机也是一个物理符 号系统，那么就能够用计算机来模拟人的活动。 4、人类的认知行为具有不同的层次、人类的认知行为具有不同的层次 认知生理学认知生理学 研究认知行为的生理过程，主要研究人的神经系统（神经

11、元、中枢神经 系统和大脑）的活动，是认知科学研究的底层。 认知心理学认知心理学 研究认知行为的心理活动，主要研究人的思维策略，是认知科学研究的 顶层。 认知信息学认知信息学 研究人的认知行为在人体内的初级信息处理，主要研究人的认知行为如 何通过初级信息自然处理，由生理活动变为心理活动及其逆过程，即由心理活动变为生理 行为。这是认知活动的中间层，承上启下。 认知工程学认知工程学 研究认知行为的信息加工处理，主要研究如何通过以计算机为中心的人 工信息处理系统，对人的各种认知行为（如知觉、思维、记忆、语言、学习、理解、推理、 识别等）进行信息处理。这是研究认知科学和认知行为的工具，应成为现代认知心理

12、学和 现代认知生理学的重要研究手段。提问：提问：为什么 能够把人看做 一个物理符号 系统?41.2.2 人类智能的计算机模拟人类智能的计算机模拟1、机器智能可以模拟人类智能、机器智能可以模拟人类智能 物理符号系统假设的推论一告诉人们，人有智能，所以他是一个物理符号系统；推论 三指出，可以编写出计算机程序去模拟人类的思维活动。这就是说，人和计算机这两个物 理符号系统所使用的物理符号是相同的，因而计算机可以模拟人类的智能活动过程。 2、智能计算机的功能、智能计算机的功能 如下棋、证明定理、翻译语言文字和解决难题等。神经计算机 (neural computer)能够以类似人类的方式进行“思考” ，它

13、力图重建人 脑的形象。一些国家对量子计算机的研究也已起步，希望通过对量 子计算(quantum computing)的研究，产生量子计算机。1.3 人工智能的学派人工智能的学派教学内容：教学内容：本节主要介绍人工智能的几个主要学派及认知观。 教学重点：教学重点：符号主义(Symbolicism)，联结主义(Connectionism)，行为主义(Actionism)。 教学难点：教学难点：各学派的对人工智能的不同观点。 教学方法：教学方法：课堂讲授为主。 教学要求：教学要求：了解各派别之间的关系及对人工智能发展历史的看法。1、人工智能三大学派、人工智能三大学派 符号主义符号主义(Symboli

14、cism)，又称为逻辑主义(Logicism)、心理学派(Psychlogism)或计算 机学派(Computerism)，其原理主要为物理符号系统(即符号操作系统)假设和有限合理性原 理。 联结主义联结主义(Connectionism)，又称为仿生学派(Bionicsism)或生理学派(Physiologism)， 其原理主要为神经网络及神经网络间的连接机制与学习算法。 行为主义行为主义(Actionism)，又称进化主义(Evolutionism)或控制论学派(Cyberneticsism)， 其原理为控制论及感知动作型控制系统。 2、三大学派对人工智能发展历史的不同看法、三大学派对人工智

15、能发展历史的不同看法 符号主义符号主义 认为人工智能源于数理逻辑。符号主义仍然是人工智能的主流派。这个学 派的代表有纽厄尔、肖、西蒙和尼尔逊(Nilsson)等。 联结主义联结主义 认为人工智能源于仿生学，特别是人脑模型的研究。 行为主义行为主义 认为人工智能源于控制论。这一学派的代表作首推布鲁克斯(Brooks)的六 足行走机器人，它被看做新一代的“控制论动物” ，是一个基于感知动作模式的模拟昆虫 行为的控制系统。1.4 人工智能的研究与应用领域人工智能的研究与应用领域教学内容：教学内容：本节主要讨论人工智能的研究与应用领域。 教学重点：教学重点：人工智能的一些主要研究与应用领域。 教学难点

16、：教学难点：处理好各领域间的交叉关系。讨论：讨论：为什么 能够用电脑模 拟人脑智能？5教学方法：教学方法：课堂讲授为主。 教学要求：教学要求：初步了解人工智能的研究与应用领域。1.4.1 问题求解问题求解人工智能的第一个大成就是发展了能够求解难题的下棋(如国际象棋)程序，它包含问 题的表示、分解、搜索与归约等。1.4.2 逻辑推理与定理证明逻辑推理与定理证明逻辑推理是人工智能研究中最持久的子领域之一，特别重要的是要找到一些方法，只 把注意力集中在一个大型数据库中的有关事实上，留意可信的证明，并在出现新信息时适 时修正这些证明。 定理证明的研究在人工智能方法的发展中曾经产生过重要的影响。例如，采用谓词逻 辑语言的演绎过程的形式化有助于更清楚地理解推理的某些子命题。许多非形式的工作， 包括医疗诊断和信息检索都可以和定理证明问题一样加以形式化。因此，在人工智能方法 的研究中定理证明是一个极其重要的论题。 我国人工智能大师吴文俊院士提出并实现了几何定理机器证明的方法，被国际上承认 为“吴氏方法” ，是