人工智能課程案例教學(xué)論文

1、人工智能課程案例教學(xué)論文1 人工智能課程教學(xué)案例庫的總體設(shè)計1.1 集先進(jìn)性、實用性和前沿性為一體的教學(xué)內(nèi)容改革對國內(nèi)外優(yōu)秀的人工智能教材2-6 的內(nèi)容進(jìn)行整合，建立人工智能的知識體系，并提取人工智能課程的知識要點，確定集先進(jìn)性、實用性和前沿性為一體的教學(xué)內(nèi)容。人工智能的核心思想是研究人類智能活動規(guī)律和模擬人類智能行為的理論、方法和技術(shù)，因此人工智能應(yīng)圍繞“智能”這個中心。因為智能本身的復(fù)雜性，難以用單一的理論與方法來描述，因此可以通過建立人工智能的不同層次來刻畫智能這個主題。人工智能的主要內(nèi)容可按圖1 所示劃分為最底層、抽象層、邏輯層和應(yīng)用層這 4 個不同層次。在最底層，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與演化計算輔

2、助感知以及與物理世界的交互。抽象層反映知識在智能中的角色和創(chuàng)建，圍繞問題求解對知識進(jìn)行抽象、表示與理解。邏輯層提出學(xué)習(xí)、規(guī)劃、推理、挖掘的模型與方式。應(yīng)用層構(gòu)造智能化智能體以及具有一定智能的人工系統(tǒng)。將人工智能劃分為這4 個層次可確定人工智能課程的教學(xué)內(nèi)容，并保證教學(xué)內(nèi)容的循序漸進(jìn)。1.2 基于人工智能知識體系的教學(xué)案例庫建設(shè)根據(jù)所確定的教學(xué)內(nèi)容、知識重點和知識難點，從國內(nèi)外經(jīng)典教材、科研項目、研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)建設(shè)以及國內(nèi)外人工智能網(wǎng)站等多種途徑，收集案例素材，加以整理，撰寫各知識要點的教學(xué)案例及其內(nèi)容。表1 給出基于人工智能知識體系的教學(xué)案例示例。2 人工智能課程教學(xué)案例的詳細(xì)設(shè)計在教學(xué)案例具

3、體設(shè)計時應(yīng)包括章節(jié)、知識重點、知識難點、案例名稱、案例內(nèi)容、案例分析過程、案例教學(xué)手段、思考/討論內(nèi)容等案例規(guī)范，分別從以下單一案例、一題多解案例和綜合應(yīng)用案例3 種情況進(jìn)行討論。2.1 單一案例設(shè)計以人工智能課程中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)課堂教學(xué)內(nèi)容為例，介紹基于知識點的單一案例的設(shè)計。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在模式識別、圖像處理、組合優(yōu)化、自動控制、信息處理和機(jī)器人學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，是人工智能課程的主要內(nèi)容之一。教學(xué)內(nèi)容主要包括介紹人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的由來、特性、結(jié)構(gòu)、模型和算法，以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的表示和推理。這些內(nèi)容是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識。其重點在于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、模型和算法。難點是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和算法。從教學(xué)要求上

4、，通過對該章節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、模型和算法，了解人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的由來和特性，一般性地了解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的表示和推理方法。采用課件PPT和演示手段，由簡單到復(fù)雜，在學(xué)生掌握 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理和方法之后，再講解反向傳播BP算法，然后運用“手寫體如何識別”案例，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)理解人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的核心思想及其應(yīng)用方法。從國外教材中整理和設(shè)計該案例，同時應(yīng)包括以下規(guī)范內(nèi)容。章節(jié)：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。知識重點：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。知識難點：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、表示、學(xué)習(xí)算法和推理。案例名稱：手寫體如何識別。案例內(nèi)容：用訓(xùn)練樣本集訓(xùn)練一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使其推廣到先前訓(xùn)練所得結(jié)果，準(zhǔn)確分類先前未見過的數(shù)據(jù)。案例分析過

5、程：訓(xùn)練數(shù)字識別神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的樣本位圖；反向傳播 BP算法；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的表 示；使用誤差反向傳播算法訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的泛化能力；一個神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練完畢后，將網(wǎng)絡(luò)中的權(quán)值保存起來供實際應(yīng)用。案例教學(xué)手段：手寫體識別的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)演示。思考/討論內(nèi)容：訓(xùn)練改進(jìn)與權(quán) 值調(diào)整改進(jìn)；過學(xué)習(xí)/過擬合現(xiàn)象，即在一個數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練時間過長， 導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)過擬合于訓(xùn)練數(shù)據(jù)，對未出現(xiàn)過的新數(shù)據(jù)沒有推廣性。2.2 一題多解案例設(shè)計一題多解案例有助于學(xué)生把相關(guān)知識點聯(lián)系起來，形成相互關(guān)聯(lián)的知識網(wǎng)絡(luò)。以人工智能課程中知識及其表示教學(xué)內(nèi)容為例，介紹一題多解案例的設(shè)計。知識及其表示是人工智能課程三大內(nèi)容（知識表示、知識推理、知識應(yīng)用）之一。

6、教學(xué)內(nèi)容主要包括知識表示的各種方法。其重點在于狀態(tài)空間、問題歸約、謂詞邏輯、語義網(wǎng)絡(luò)等知識表示方法。難點是知識表示方法的區(qū)別及其應(yīng)用。從教學(xué)要求上，通過對該章節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握利用狀態(tài)空間法、問題歸約法、謂詞演算法、語義網(wǎng)絡(luò)法來描述和解決應(yīng)用問題，重點掌握幾種主要知識表示方法之間的差別，并對如何選擇知識表示方法有一般性的了解。通過講解和討論“猴子和香蕉問題”案例，來表示抽象概念。該案例從國內(nèi)外教材中進(jìn)行整理和設(shè)計，同時包括以下規(guī)范內(nèi)容。章節(jié)：知識及其表示。知識重點：狀態(tài)空間法、問題歸約法、謂詞邏輯法、語義網(wǎng)絡(luò)法等。知識難點：知識表示方法的區(qū)別及其應(yīng)用。案例名稱：分別用狀態(tài)空間表示法與謂詞

7、邏輯法表示猴子和香蕉問題。案例內(nèi)容：房間內(nèi)有一只機(jī)器猴、一個箱子和一束香蕉。香蕉掛在天花板下方，但猴子的高度不足以碰到它。猴子如何摘到香蕉？如何采用多種知識表示方法表示和求解該問題？案例分析過程：狀態(tài)空間法的解題過程。用n 元表列表示該問題的狀態(tài)；定義問題的操作算符；定義初始狀態(tài)變換為目標(biāo)狀態(tài)的操作序列；畫出該問題的狀態(tài)空間圖。謂詞邏輯法的解題過程。定義問題的常量；定義問題的謂詞；根據(jù)問題描述用謂詞公式表示問題的初始狀態(tài)、中間狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)。案例教學(xué)手段：猴子和香蕉問題的演示。思考 /討論內(nèi)容： 選擇知識表示方法時，應(yīng)考慮哪些主要因素？如何綜合運用多種知識表示方法獲得最有效的問題解決方案?2.

8、3 綜合應(yīng)用案例設(shè)計與單一案例、一題多解案例相比，綜合應(yīng)用案例能更加有效地啟發(fā)學(xué)生全方位地思考和探索問題的解決方法。以機(jī)器人行動規(guī)劃模擬為例，介紹人工智能綜合應(yīng)用案例的設(shè)計，該案例包括以下規(guī)范內(nèi)容。章節(jié)：人工智能綜合應(yīng)用。知識重點：人工智能的研究方向和應(yīng)用領(lǐng)域。知識難點：人工智能的技術(shù)集成。案例名稱：機(jī)器人行動規(guī)劃模擬。案例內(nèi)容：綜合應(yīng)用行為規(guī)劃、知識表示方法、機(jī)器人學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能語言等多種人工智能技術(shù)與方法，對機(jī)器人行動規(guī)劃問題進(jìn)行描述和可視化。案例分析過程：機(jī)器人行為規(guī)劃問題求解。采用狀態(tài)歸約法與分層規(guī)劃技術(shù)，將機(jī)器人須完成的總?cè)蝿?wù)分解為若干依序排列的子任務(wù)；依據(jù)任務(wù)進(jìn)程，確定若干

9、關(guān)鍵性的中間狀態(tài)，將狀態(tài)對應(yīng)為進(jìn)程子規(guī)劃的目標(biāo)；確定規(guī)劃的執(zhí)行與操作控制，以及機(jī)器人過程控制與環(huán)境約束?；谥^詞邏輯表示的機(jī)器人行為規(guī)劃設(shè)計。定義表達(dá)狀態(tài)的謂詞邏輯；用謂詞邏輯描述問題的初始狀態(tài)、問題的目標(biāo)狀態(tài)以及機(jī)器人行動規(guī)劃過程的中間狀態(tài)；定義操作的約束條件和行為動作。機(jī)器人控制系統(tǒng)。定義機(jī)器人平臺的控制體系結(jié)構(gòu)，包括反應(yīng)式控制、包容結(jié)構(gòu)以及其他控制系統(tǒng)等?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的模式識別。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法以及BP算法對桌面茶壺、杯子等物體進(jìn)行識別，提取物體圖形特征。機(jī)器人程序 設(shè)計語言。運用人工智能語言實現(xiàn)機(jī)器人行動規(guī)劃行為的可視化。案例教學(xué)手段：機(jī)器人行動規(guī)劃的模擬演示。思考/討論內(nèi)容：人工智能

10、將會怎樣發(fā)展？應(yīng)該在哪些方面進(jìn)一步開展研究？3 案例教學(xué)環(huán)節(jié)和過程的具體實施細(xì)節(jié)人工智能案例教學(xué)的實施面向作者所在學(xué)院軟件工程專業(yè)三年級本科生展開。具體實施細(xì)節(jié)如下。（1）教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性、實用性和前沿性。引進(jìn)和整合國外著名人工智能教材內(nèi)容，保證課程內(nèi)容具有先進(jìn)性。同時將前沿人工智能的研究成果與技術(shù)有機(jī)地融入課程案例教學(xué)之中。（2）案例教學(xué)的創(chuàng)新教學(xué)模式。在教師的引導(dǎo)下，將案例中涉及的人工智能內(nèi)容推廣到對人工智能的一般性認(rèn)識。案例的教學(xué)過程，成為認(rèn)識人工智能、初步運用人工智能的理論與方法分析和解決實際應(yīng)用問題的過程，使學(xué)生具備運用人工智能知識解決實際問題的意識和初步能力。在課程教學(xué)中，打破國內(nèi)

11、常規(guī)教學(xué)方式，建立和實施開放式案例教學(xué)模式。采用動畫課件、錄像教學(xué)、實物演示、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)等多種多媒體教學(xué)手段，以及集中講授與專題討論相結(jié)合的教學(xué)方式將理論、方法、技術(shù)、算法以及實現(xiàn)有機(jī)結(jié)合，感性認(rèn)識與理性認(rèn)識相結(jié)合，理論與實際相結(jié)合，極大地激發(fā)學(xué)生自主和創(chuàng)新性學(xué)習(xí)的熱情。（3）“課堂教學(xué)實踐活動現(xiàn)實應(yīng)用”的有機(jī)融合。在案例教學(xué)過程中，從傳統(tǒng)教學(xué)觀以學(xué)會為中心轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新應(yīng)用型教學(xué)觀以創(chuàng)新為中心，以及從傳統(tǒng)教學(xué)的以課堂教學(xué)為中心轉(zhuǎn)化為以課堂教學(xué)與實踐活動并重為中心，構(gòu)造具體問題場景以及設(shè)計教學(xué)案例在情境中的現(xiàn)實應(yīng)用，加深學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解，同時提升學(xué)生的思考能力 和實際綜合應(yīng)用能力。4 結(jié)語針對目前國內(nèi)人工智能課程教學(xué)中存有的亟待解決的主要問題，作者 提出集先進(jìn)性、實用性和前沿性為一體的人工智能教學(xué)案例庫的建設(shè) 方法以及案例教學(xué)一實踐活動一現(xiàn)實應(yīng)用有機(jī)融合的案例教學(xué)實踐新 思想。以現(xiàn)代教育思想為指導(dǎo)，根據(jù)人工智能學(xué)科發(fā)展的特點