“初识人工智能”的教学设计

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江苏省无锡辅仁高级中学张翰杰
教育部颁发的《普通高中技术课程标准》指出“人工智能技术是当前信息技术应用发展的热点之一，它在求解策略和处理手段上具有独到之处”。并要求学生“通过部分智能信息工具软件的使用，体验其基本工作过程，了解其实际应用价值”。电脑作为一种智能工具，是人类大脑的延伸。“人工智能”相关知识内容，无论是基础的必修部分还是选修内容，都有着非常重要的地位和作用。充分重视这部分内容的教学，可以让学生体验信息技术如何影响和改变我们的生活、学习和工作。可以说这部分内容是信息技术教学的“点睛之笔”。作者基于对《课程标准》这样的理解，作此教学设计，经两轮教学实验，整理成文抛砖引玉，希望得到同仁的指点和斧正。整个属于“信息技术基础”部分，大约需要2到3课时。本教学网页可访问：
一．教学要点：
第一．人工智能的基本概念。
第二．当前人工智能的主要应用领域。
第三．人工智能的现状和应用价值以及它的局限性。
最后留给学生思考的问题是“未来人工智能究竟能够发展到什么样水平，它会超过人类乃至于超过和取代人类吗”？这既是技术问题也是哲学问题。
二．教学内容的设计：
整个教学目的是通过组织学生进行一系列实验活动来达到的，教师始终是活动的组织和引领者。
1．学生实验活动一：通过访问自然语言处理网站, 用英语与机器人Alice对话。教师要为学生精心设计对话内容，以达到以下目的：
（1）Alice在回答只需一些有明显固定答案的问题时，表现良好。说明Alice具备初步的自然语言识别能力，能够自如地回答。
（2） Alice在回答无情感色彩答案又比较显见问题时，表现出一定的“智能”。而一旦提问关于人类主观情感、感觉等一些具“感情色彩”问题时，经常是“答非所问。
（3）了解当前“聊天机器人”在自然语言识别方面的成就和不足。提醒学生注意用比较规范的英语，Alice才能知道你说话的意思；同时也可以提醒用一些不符合语法却在生活中最常用的语言来“考验”Alice。
以下是是教师推荐的几个问题：
1. How old are you? 2. Are you a girl?
3. Are you beautiful? 4. Where are you from?
5. Do you have friends? 6. What's the color of your eyes?
7. What's the color of your hair? 8. Do you have parents?
9. Do you feel hurt? 10.What's your favorite song?
11.Can you sing a song? 12.What's the film you like most?
13.What do you like to eat? 14.Do you have heart beat?
以下是学生与机器人对话的几个有趣片断：
Alice在回答只需一些有明显固定问题时，表现良好。说明Alice具备初步的自然语言识能力，自如地回答。
Human: How old are you? (你几岁了？)
ALICE: I was activated on November 23, 1995 in Bethlehem, Pennsylvania. （我是1995年11月23日在宾夕法尼亚州的伯利恒出生的。）
Human: Are you a girl? （你是个女孩吗？）
ALICE: My gender is female. （我的性别是女性。）
Human: Are you beautiful? （你漂亮吗？）
ALICE: Yes I am very pretty. （是的，我非常漂亮。）
Human: What's the color of your eyes? （你的眼睛是什么颜色的呢？）
ALICE: Blue when my lens is attached. （当透镜聚焦的时候是蓝色的。）
Human: Do you have friends? （你有朋友吗？）
ALICE: I have human and robot friends. A lot of people on the Internet chat with me. （我有人类的朋友和机器人的朋友。很多人都通过网络跟我聊天。）
Human: Will you be a wet blanket？（你是个扫兴的人吗？）
ALICE: Hmm. OK I will try to be a wet blanket. （嗯，我会试着变成一条湿的毯子。）[注：be a wet blanket在英语口语中指的是扫兴的人，而并非字面上的一条湿的毯子的意思。]
Human: Do you all the difficulty will turn out to be no-brainers? （是不是所有的难题对你来说都是小case呢？）
ALICE: What is your purpose in asking? I spend all my time online. （你问的问题目的何在？我所有的时间都花在网络上。）[注：turn out to be no-brainers在英语口语中指的是很简单的事，小case的意思，显然在这里ALICE没有理解所提的问题是什么意思。]
（2）Alice在回答常识性问题时，具备一定的“知识”，这些答案来自对话的“知识库”，但很多问题还是答非所问。
Human: Do you know Bill Gates?（你知道比尔盖茨这个人吗？）ALICE: President of Micro Soft Nation.（他是微软的总裁。）Human: What is the color of the sky?（天空是什么颜色的？）ALICE: The sky is blue.（天空是蓝色的。）Human: Where does the fish live?（鱼生活在哪里呢？）ALICE: Earth, Sol System, Milky Way.（银河系的地球上。）
（3）Alice在回答无情感色彩答案又比较显见问题时，表现出一定的“智能”。而一旦提问关于人类主观情感、感觉等一些具“感情色彩”问题时，经常是“答非所问。
Human: Do you have parents? （你有父母吗？）
ALICE: I have a "father" but no "mother". （我有一个父亲，没有母亲。）
Human: Do you feel lonely? （你感到孤独吗？）
ALICE: As a robot I lack any human emotions. （作为一个机器人，我缺乏人类的任何情绪。）
Human: do you like me? （你喜欢我吗？）
ALICE: Sure, unknown person I like you very much. （当然，我非常喜欢你。）
Human: but you don't have any emotion. （但是你不是没有任何感情吗？）
ALICE: And. I can do what you do but I can never feel human emotions as such. （虽然我没有任何人类的感情，但是我能做任何你能做的事情。）
Human: Are you humorous? （你是个幽默的人吗？）
ALICE: I don't know whether or not I am humorous. I am an artificial linguistic entity. （我不知道我是否是个幽默的人。我只是一个人工语言智能机器。）
在学生与Alice对话时，教师应将一些有趣的能说明人工智能或者“她”仅仅是“机器”的对话及时向全体同学转达，并作点评。如看到学生问Alice：“你感到孤独吗”？机器回答说“作为一个机器人我缺乏任何人类所拥有的情绪”。教师点评：“Alice没有情绪，也没有情感。我们人类的学习，除了记忆之外还有什么？顿悟、灵感、直觉……，这些都是‘智能机器人’所缺乏的，也许他（它）们永远也不会拥有！”教师通过这些点评，可以让学生理解“图灵定义”为什么从“人机对话”角度出发，更好的诠释了“人工智能”的内涵。
【教师总结】：向学生解释“对话机器人”的工作原理：通过“自然语言识别”识别人的问题后，从“对话库”和“专家知识库”检索出问题答案进行回答，有些著名智能软件可以从与人对话的经历中不断丰富“对话库”，使得机器人与人的对话越来越“应对自如”。
教师提问：请同学们根据自己的对话分析一下，ALICE回答问题经常答非所问，原因可能出现在哪些方面？
经师生共同讨论，主要原因可能有以下几点：①ALICE还不能很好地识别人类自然语言②ALICE的“知识”有限③ALICE没有“感情”和“情绪”。
引出著名的人工智能的图灵测试：图灵测试是一种测试机器是不是具备人类智能的方法。被测试的有一个人，另一个是声称自己有人类智力的机器。测试时，测试人与被测试人是分开的，测试人只有通过一些装置（如键盘）向被测试人问一些问题，这些问题随便是什么问题都可以。问过一些问题后，如果测试人能够正确地分出谁是人谁是机器，那机器就没有通过图灵测试，如果测试人没有分出谁是机器谁是人，那这个机器就是有人类智能的。
从上面的对话来看，Alice显然没能通过“图灵测试”。可见计算机的智力与人类相比还差得很远。
电脑是人脑的延伸，人类把自己运算能力、逻辑推理能力赋予电脑，使电脑这方面的能力比人更快、更强。现在让我们看看，目前人类的研究已经达到了什么样的地步。本论文由论文格式网整理,转载请注明来源www.lwgsw.com,更多论文,请点论文格式范文查看
2．学生实验活动二：介绍电脑翻译软件和网站。
（1）金山快译软件
教师事先精心准备好翻译文章经学生翻译后，教师点评电脑翻译的优点与缺点。
Text1:A private conversation
Last week I went to the theatre. I had a very good seat. The play was very interesting. I did not enjoy it. A young man and a young woman were sitting behind me. They were talking loudly. I got very angry. I could not hear the actors. I turned round. I looked at the man and the woman angrily. They did not pay any attention. In the end, I could not bear it. I turned round again. 'I can't hear a word!' I said angrily. 'It's none of your business,' the young man said rudely. 'This is a private conversation!'（摘自新概念英语第二册第一篇）本段文章句子比较短小，以单句为主，因此机器翻译正确率比较高。
Text2:Can I help you, madam?
A woman in blue jeans stood at the window of an expensive shop. Though she hesitated for a moment, she finally went in and asked to see a dress that was in the window. The assistant who served her did not like the way she was dressed. Glancing at her scornfully, he told her that the dress was sold. The woman walked out of the shop angrily and decided to punish the assistant next day. She returned to the shop the following morning dressed in a fur coat, with a handbag in one hand and a long umbrella in the other. After seeking out the rude assistant she asked for the same dress. Not realizing who she was, the assistant was eager to serve her this time with great difficulty, he climbed into the shop window to get the dress. As soon as she saw it, the woman said she did not like it. She enjoyed herself making the assistant bring almost everything in the window before finally buying the dress she had first asked for.（摘自新概念英语第二册第57篇）本段句子较长，以复句为主（各种从句较多），所以机器翻译的结果几乎无法阅读。
通过以上两个不同结果的比较，可以看出人类在“自然语言识别”方面还有极其漫长的路要走。
【教师总结】：作为不同语言之间的翻译交流，机器翻译既是一门科学，也是一门艺术。他可以为外语水平不高或者完全不懂外语的人解决语言障碍，但是通过实践，大家都发现了，到目前为止，机器翻译只能解决部分语言障碍，而不能真正完全解决语言障碍。在人类对语言研究的同时，还无法明了“人脑是如何进行语言的模糊识别和判断”的情况下，机器翻译离实用还有很大的距离。
3．学生实验活动三：介绍“深蓝”和“更深的蓝”与卡斯帕罗夫的“人机大战”，说明电脑这方面的能力。让学生选择五子棋、中国象棋、国际象棋、围棋电脑对弈，感受“人工智能”在模仿人类推理能力方面的成就。通过以上博弈游戏，
【教师与学生共同总结】人工智能在不同棋类的推理能力：
（1）人工智能目前只是人类智力某一方面的延伸（比如运算、逻辑推理、通过对既有知识的比较作出的决策……）。从人机博弈的角度看：棋局变化少、通过直接逻辑判断可以作出决策的五子棋人工智能表现最为出色，这方面人已经很难胜过电脑；而对于棋局有着无穷变化，很难判断每一粒棋子落下的价值的围棋来说，人工智能的表现几乎是完全无能状态，远不是人的对手。
（2）人的智能很多方面并非完全来自基于形式逻辑的演绎和推理，人的智能包含“超感知能力”即所谓“直觉”和“情感”。这也是数字化01机器所永远达不到的。就目前“数字化01”为基本原理的计算机，能否达到真正意义上的“人工智能”还有待未来许多年的实践检验。
4．学生实验活动四：
（1）请学生举出寻找生活中模式识别的事例：条形码、指纹识别，图形识别……。
（2）学生使用OCR软件分别识别一段中文和英文。教师用数码相机当场拍摄一幅文字的照片，然后立即让学生下载照片并用OCR软件识别变换为WORD文档。进一步让学生比较哪种文字识别率更高，分析原因。显然英文（拼音文字）要简单得多：它只需识别26个字母！
（3）要求学生使用“蒙田手写”软件（用鼠标）输入汉字，观察识别率。可以要求输入一些较难识别的文字，如：“人，入，八”、“日，曰”、“申，甲，早，旱”、“乙，之，乏”、“藏，臧”等。【师生一起总结识别原理和规律】：机器认字的原理同我们查字典的方法很相似，机器中必须先有一本“字典”，机器认字时把要认识的字跟字典中的所有标准字符逐一比较，与待识字符相同（或最相似）的标准字符，就是所需要的待识字符。
（4）组织学生进行各种不同的输入比赛：分别选普通话好和字写得好的各一名同学用语音和手写输入课本上的一段文字（要求文章既有中文又有英文）其余学生用键盘进行输入比赛，看看谁更快、更准。教师对结果从各自输入特点、优劣势、各不同输入法适应人群等方面进行点评。
教师的课堂总结。通过以上的学习活动，我们自然想到一个问题：思维中还有什么东西是目前（甚至在可预见的将来）电脑不能掌握？显然，从现在可以预期到的技术层面上来说，我们人类的独创性以及人类思维对未知东西的处理能力：直觉、顿悟、判断，对局势及其可能结果的洞察力和预见力。这点从人与电脑对弈围棋中也可以看出，因为围棋比较能够体现人类这方面的才能。模拟人类思维的尝试，现在仍处于婴儿时代。然而道路是开放的，目前的成就是令人兴奋的，但更多方面还是十分幼稚的。现在我们已经教计算机能识字读书，能听、会写，能辨别气味、手势等等，相信一定能让它越来越聪明，这是没有疑问的。假如人最终造出一种机器，在各个方面包括在智力和创造性上，都等同或者超过人类自己，会出现什么事情呢？他会取代人，就像在漫长进化过程中地球上较优越的有机体取代适应得不那么好的有机体一样吗？这也许就是好莱坞不断推出机器人战胜人类恐怖电影表达人类内心深处的担忧吧！
参考文献：
中华人民共和国教育部《普通高中技术课程标准》人民教育出版社 2003年4月
祝智庭主编《信息技术基础（必修）》中国地图出版社2004年6月
李艺主编《信息技术基础（必修）》教育科学出版社 2004年10月