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)人工智能教育應用.學習要點1.了解人工智能的概念及其發(fā)展階段；2.掌握專家系統、機器學習、神經網絡、智能代理；3.人工智能教育應用領域。.第一節(jié)人工智能概述.“深藍”對戰(zhàn)國際象棋大師卡斯帕羅夫“深藍”重量達１.４噸，有３２個節(jié)點，每個節(jié)點有８塊專門為進行國際象棋對弈設計的處理器，平均運算速度為每秒２００萬步?？傆嫞玻担秹K處理器集成在ＩＢＭ研制的ＲＳ６０００／ＳＰ并行計算系統中，從而擁有每秒超過２億步的驚人速度。它不會疲倦，不會有心理上的起伏，也不會受到對手的干擾.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、人工系統等、非人類的智能詞典：智慧與能力。心理學：從感覺到記憶到思維稱為智慧，將行為和語言的表達過程稱為“能力”，兩者合稱“智能”，將感覺、記憶、回憶、思維、語言、行為的整個過程稱為智能過程，它是智力和能力的表現。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(anthropomorphictasks)的機器。定義2人工智能(學科)：人工智能是計算機科學中涉及研究、設計和應用智能機器的一個分支。它的近期主要目標在于研究用機器來模仿和執(zhí)行人腦的某些智力功能，并開發(fā)相關理論和技術。定義3人工智能(能力)：人工智能是智能機器所執(zhí)行的通常與人類智能有關的智能行為，如判斷、推理、證明、識別、感知、理解、通信、設計、思考、規(guī)劃、學習和問題求解等思維活動。任務：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域內對“人工智能”都從哪幾方面進行了定義？為什么？.定義4（Haugeland,1985）：人工智能是一種使計算機能夠思維，使機器具有智力的激動人心的新嘗試。定義5（Bellman,1978）：人工智能是那些與人的思維、決策、問題求解和學習等有關活動的自動化。定義6（Charniak和McDermott,1985）：人工智能是用計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)造性機器的技術。定義9（Rick和Knight,1991）:人工智能研究如何使計算機做事讓人過得更好。定義10（Schalkoff,1990）:人工智能是一門通過計算過程力圖理解和模仿智能行為的學科。定義11（Luger和Stubblefield,1993）:人工智能是計算機科學中與智能行為的自動化有關的一個分支。.3.我們熟知的人工智能人臉識別技術：照相、攝像機器人機器翻譯語言識別（speak2me）我國于1986年提出和批準并于1987年開始實施的《高技術研究發(fā)展計劃綱要》(即863計劃)中，把對智能計算機系統的研究作為一個重要主題。1993年開始的國家科技攀登計劃也把對智能機系統及其相關領域列為主攻方向之一。這些研究計劃的實現，將使我國在智能機的開發(fā)與應用方面趕上國際先進水平。..4.人類智能與人工智能人工智能原理：人體：另T表示時間變量，x表示認知操作，x的變化△x是當時機體狀態(tài)S（機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。當外界刺激作用到處于某一特定狀態(tài)的機體時，便發(fā)生變化，即T→T+1,△x=f(S,R)。計算機：在規(guī)定時間內，計算機存儲的記憶相當于機體的狀態(tài)；計算機的輸入相當于機體施加的某種刺激。在得到輸入后，計算機邊進行操作，使得其內部狀態(tài)隨時間變化而變化。.5.人工智能發(fā)展簡史（1）萌芽期（提供必要的技術和思想基礎）-1956年之前（2）形成時期-1956-1961年（3）發(fā)展時期-1961年之后AlanTuring.萌芽期的重要事件.第一臺機械加法器—pascaline.萊布尼茨的四則運算機.巴貝奇的差分機與分析機⑴存儲裝置：采用齒輪式裝置的寄存器保存數據，既能存儲運算數據，又能存儲運算結果；⑵運算裝置：從寄存器取出數據進行加、減、乘、除運算，并且乘法是以累次加法來實現，還能根據運算結果的狀態(tài)改變計算的進程，用現代術語來說，就是條件轉移；⑶控制裝置：使用指令自動控制操作順序、選擇所需處理的數據以及輸出結果。.圖靈機.形成期的重要事件1956年，Dartmouth會議，人工智能學科誕生邏輯理論機、問題求解程序、表處理技術、國際象棋機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：如理解自然語言的程序、自動程序設計、人工神經網絡等1969年召開了第一屆國際人工智能聯合會議(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術活動和交流、促進人工智能的研究和發(fā)展起到積極作用。人工智能從實驗室走入日常生活.二、人工智能研究的領域專家系統人工神經網絡機器學習模式識別數據挖掘自然語言理解與機器翻譯、自動定理證明、自動程序設計、智能控制….（一）專家系統1.專家系統（ExpertSystem）是一種模擬人類專家解決領域問題的計算機程序系統。2.類型：解釋專家系統：通過對已知信息和數據的分析與解釋，確定它們的涵義。預測專家系統：通過對過去和現在已知狀況的分析，推斷未來可能發(fā)生的情況。診斷專家系統：根據觀察到的情況(數據)來推斷出某個對象機能失常(即故障)的原因。設計專家系統：根據設計要求，求出滿足設計問題約束的目標配置。.規(guī)劃專家系統：尋找出某個能夠達到給定目標的動作序列或步驟。監(jiān)視專家系統：對系統、對象或過程的行為進行不斷觀察，并把觀察到的行為與其應當具有的行為進行比較，以發(fā)現異常情況，發(fā)出警報?？刂茖＜蚁到y：自適應地管理一個受控對象或客體的全面行為，使之滿足預期要求。調試專家系統：對失靈的對象給出處理意見和方法。調試專家系統的特點是同時具有規(guī)劃、設計、預報和診斷等專家系統的功能。調試專家系統可用于新產品或新系統的調試，也可用于維修站進行被修設備的調整、測量與試驗。.教學專家系統：根據學生的特點、弱點和基礎知識，以最適當的教案和教學方法對學生進行教學和輔導。修理專家系統：對發(fā)生故障的對象(系統或設備)進行處理，使其恢復正常工作。修理專家系統具有診斷、調試、計劃和執(zhí)行等功能。美國貝爾實驗室的ACI電話和有線電視維護修理系統是修理專家系統的一個應用實例。.3.專家系統的特點：專家系統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，提高對專家系統的信賴感；可以學習，不斷地增長知識，修改原有知識，不斷更新。.4.專家系統的結構a.專家系統的簡化結構..（二）基于神經網絡的學習人工神經元的組成（見左圖）.（三）機器學習什么是學習？學習是系統在不斷重復的工作中對本身能力的增強或者改進，使得系統在下一次執(zhí)行同樣任務和相類似的任務時，會比現在做的更好和效率更高。（西蒙）1.機器學習是一門研究機器（計算機）獲取新知識和新技能，并識別現有知識的學問。.（2）機器學習的策略按學習中使用推理的多少，大致有機械學習、通過傳授進行學習、歸納學習、類比學習、通過實例進行學習。.機械學習（記憶學習）在機械學習（記憶學習)中基本沒有變換。由施教者提供的信息或多或少被學習系統記憶和使用。這時環(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。實際上每臺計算機都可以看作是機械學習（記憶學習),因為它們都存貯用戶送入的程序。一個例子是Samuel的西洋象棋程序（1956，1967），它記憶每個棋局以便提高下棋水平。

.傳授學習（指點學習）

在傳授學習中，學習環(huán)節(jié)進行的變換只是對施教者提供的信息進行選擇和改造，這主要是在語法層的變換。這時環(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。學習環(huán)節(jié)把較高水平的知識變換為較低水平的知識。這種變換稱為實用化。實用化主要有下列步驟：由傳授的信息推出結論，作出假設以補充一些細節(jié)和確定何時需要進一步傳授。實用化過程類似于編譯系統把高級語言程序變換成機器碼程序。第一個例子是McCarthy(1958)的系統。最近的系統有TEIRESLAS（Davis,1976）和FOO（Mostow,1979和1981）。.歸納學習

在歸納學習中，變換過程是對輸入信息的一般化和選擇最合理的預期結果，這就是歸納推理。歸納學習可以分為以下實例學習、觀察與發(fā)現學習。.類比學習

類比學習是演繹學習與歸納學習的組合。它匹配不同論域的描述，確定公共的子結構，以此作為類比映射的基礎。尋找公共子結構是歸納推理，而實現類比映射是演繹推理。由提醒學習可以看作一種類比學習（Schank,1982）。類比學習是由系統已有的某一領域知識得到另一領域中類似的知識。.實例學習（概念獲取）它的任務是確定概念的一般描述，這個描述應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，信息源可能是已經知道概念的施教者，也可能是學生做實驗而系統從中得到反饋的環(huán)境。后者可稱為實驗學習，包括由做學習和由問題求解學習。刺激反應式學習也是一種實例學習。

.（四）智能代理1.定義：人類、物理世界的機器人和信息世界的軟件機器人。信息世界中的軟件機器人或稱軟件Agent，他是代表用戶或其它程序，以主動服務的方式完成一組操作的機動計算實體。1.主動適應，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于操作對象的知識以及關于用戶意圖和偏好的知識。2.主動Agent，即對一些任務無需用戶發(fā)出指令，只要當前狀態(tài)符合某種條件，就可以代表用戶或其它程序完成相應的操作。在所處的計算環(huán)境中靈活的訪問機制，以及同其他Agent通信和協作的機制。.弱定義：自治性社會性反應性能動性強定義：另外還應具有一些