普通高中教科书·信息技术选择性必修4 人工智能初步.pdf

书 书 书书 书 书总 主 编?李晓明副总主编?赵?健本册主编?于晓雅本册副主编?刘?焱?李?粤编写人员?按姓氏笔画排序?于晓雅?刘?焱?李?粤?唐斯斯责任编辑?曹祖红美术设计?储?平普通高中教科书?信息技术?选择性必修?人工智能初步上海市中小学?幼儿园?课程改革委员会组织编写出版发行?华东师范大学出版社?上海市中山北路?号?印?刷?上海四维数字图文有限公司版?次?年?月第?版印?次?年?月第?次开?本?毫米?毫米?印?张?字?数?千字书?号?定?价?元版权所有?未经许可不得采用任何方式擅自复制或使用本产品任何部分?违者必究如发现内容质量问题?请拨打电话?如发现印?装质量问题?影响阅读?请与华东师范大学出版社联系?电话?全国物价举报电话?声明?按照?中华人民共和国著作权法?第二十五条有关规定?我们已尽量寻找著作权人支付报酬?著作权人如有关于支付报酬事宜可及时与出版社联系?本册教材图片提供信息?本册教材中的部分图片由全景网?视觉中国等图片网站提供?致同学们致同学们亲爱的同学们?当今?信息技术的发展日新月异?物联网?大数据?人工智能等新技术?新工具扑面而来?显著地改变着人们的生活?学习和工作模式?生存于信息社会中?我们每一个人都不可避免地会接触信息技术?应用信息技术?甚至去创造新的信息技术?在具备了基本信息技术应用能力的基础上?高中阶段我们要进一步学习信息技术知识与技能?能够利用信息技术负责任地解决生活与学习中的问题?全面提升信息素养?迎接信息社会的挑战?人工智能初步?是高中信息技术学科的一个选择性必修模块?本教科书是在同学们已学习过高中信息技术学科必修模块的基础上?以全面深化对人工智能的理解和认识?掌握人工智能基本思想和方法及应用为目标的进阶性教科书?本教科书沿用高中信息技术系列教科书的特点?以?项目活动?为主线来组织学习内容?通过一系列精心设置的体验性?思考性和实践性项目?将同学们带入生活和学习中的各种应用场景中?并循序渐进?由浅入深地系统介绍人工智能的核心思想和方法及技术?负责任地使用智能技术?为方便同学们学习?本教科书的每章都围绕信息技术学科核心素养的要求和人工智能学习的特点来设计学习目标?并以?本章知识结构?图示呈现本章知识脉络?帮助同学们从总体上了解本章学习内容?同时?本教科书精心设计了帮助同学们学习的各种工具和环节?例如?体验思考?栏目将教材内容与现实中的问题及个人经验和知识技能相关联?使同学们始终带着问题学习?探究活动?和?项目实践?栏目将?做中学?与?学中做?的学习方法相互融合?帮助同学们把知识技能应用于解决实际问题中?技术支持?栏目提供了一些与人工智能相?人工智能初步关的新技术?新工具与新平台的信息?鼓励同学们在实践中负责任地思考?提高应用及把握人工智能技术的能力?知识延伸?栏目则补充关于人工智能研究?开发?应用及伦理等方面的最新成果信息?助力同学们拓展视野?同学们?人工智能是一项面向未来的技术?它必将对我们的社会?生活?学习?工作产生深远的影响?希望同学们通过本教科书的学习?能够学会?掌握和负责任地使用强大的智能技术?充满信心地迎接未来智能社会的种种挑战?成长为新时代合格的社会主义建设者和接班人?编者?目录目录第一章人工智能初识?.1项目主题智慧之旅.3第一节人工智能：从体验到思考.4第二节人工智能的发展历程.14第二章人工智能实现?.25项目主题创新园区自由行.27第一节启发式搜索.28第二节专家系统.38第三节机器学习.51?人工智能初步第三章漫游深度学习的世界?.59项目主题探索深度学习技术.61第一节人工神经元与单层感知机.62第二节多层感知机与人工神经网络.67第三节深度学习.72第四节卷积神经网络.85第四章人工智能未来发展?.103项目主题畅想未来智能生活.105第一节新一代人工智能技术.106第二节潜在的风险.113第三节伦理规范.117后记?.121?第 一 章人工智能初识本章学习目标了解围绕智能、人工智能及相关概念的主要观点和争论,熟悉人工智能发展历程中的重要人物和事件,初步认识人工智能观念的复杂性及多学科属性。领会图灵测试、中文屋问题等检验人工智能的设想和方案,理解其中的辩证关系、论据及其局限性。分析人工智能发展历史中产生高潮和低谷的原因,认识大数据、算法和计算力对人工智能复兴的共同推动作用。体验搭建身边的人工智能应用,初步形成自己的人工智能观念。华东师范大学出版社人工智能初步1 9 56年,五位学者发起美国达特茅斯夏季研讨会,会上正式提出“人工智能”(a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e,缩写为 A I)一词,标志着人工智能这一领域的诞生。在随后的 6 0多年中,人工智能历经“进展争议突破期待应用失望寂静复兴”的发展轮回,其间有过“高潮”“低谷”甚至“寒冬”。进入 2 1世纪后,在大数据逐渐积累、高性能计算的能力持续提高和深度学习算法取得突破等因素的共同驱动下,人工智能进入以应用为主要特征的第三次复兴时期。在这一时期,被赋予了“学习能力”的计算机不仅在下棋、游戏、识图和辨音等方面的智力竞赛中赢了人类,更重要的是催生了各种全新行业,给人们的生活带来了智能化便利,也深刻地改变了人类的思维和行为方式。掌握人工智能知识、驾驭人工智能技术、学会智能地解决问题是人类面向未来、迎接挑战的绝佳途径。本章将引领同学们从接触身边的人工智能应用开始,走进人工智能的世界,通过阅读、思考、分享、体验等学习活动,以全局的、历史的和发展的多重视角,了解围绕着人工智能所激发的各种思想、概念和争论,思考“智能”的本质,动手体验人工智能的应用,初步认识新一代人工智能的背景、技术和应用特点,感受对智能社会美好未来的热切期待。本章知识结构66UO56+/616%6+0)A-/24#2华东师范大学出版社第一章人工智能初识项目主题智慧之旅项目情境人工智能的历史就是人类在各个领域中不断创新的一个缩影,其间涌现出许多不同的思想、理论、方法、人物、流派、事件和应用。让我们追随大师们的脚步,从智能的本质、人工智能和机器智能的基本内涵等问题开始,探索充满各种奇思妙想的人工智能世界,亲自体验和搭建带有人工智能特征的应用,了解人工智能曲折跌宕、波澜壮阔的发展历程。学校要举办一次以“走进人工智能世界”为主题的创新科技周活动,要求分“人工智能与人的智能 智能的本质”“图灵测试与智能定义 人工智能的测试”“多样的人工智能观点 人工智能的发展”三个板块,向同学和老师们深入展示人工智能世界的研究问题和应用实践,并设立“身边的人工智能”体验应用展台,设计一些具有吸引力的人工智能应用体验项目,吸引同学和老师们来体验。项目任务任务 1任务 2任务 3任务 4 讨论人的智能和人工智能的相同与不同,学习人工智能发展历史中不同的观点和观念,了解不同领域对人工智能概念的理解,总结出本小组认同的人工智能定义。列举用于图灵测试的应用准则,规划自己版本的图灵测试游戏。设计制作介绍图灵测试规则和应用及反对观点的展板,布置体验自己版本图灵测试游戏的展台和道具。完成“图灵测试与智能定义 人工智能的测试”板块。通过搜索相关网站和在线数据库、查阅图书馆和科技馆的资料、采访领域专家等途径,汇集文本、图片、视频、应用软件等资源,设计制作人工智能发展历史大事记图表,作为“多样的人工智能观点 人工智能的发展”的主展板内容。搜集整理生活中、学习中常用的人工智能应用软件或者人工智能工具,布置“身边的人工智能”体验应用展台。3 华东师范大学出版社人工智能初步第一节人工智能：从体验到思考从人类文明发端之际,人们就开始了对自身“意识”“智能”和“灵魂”的思考和探索,这种对自身的“好奇”和探究,成为科学与宗教起源的重要端倪。人工智能的研究直指人类自主意识层面上的核心要素 智慧、思考和心灵种种,因此该领域中的几乎一切重要思想、结果和产品都会引起强烈反响。正是由于人工智能的这种特别属性和极其广泛的覆盖面,有关人工智能的概念、问题、研究领域、方法和观点的界定才十分复杂和多样化。人们提出了形形色色的观点、假说和解释,但到目前为止,尚没有任何单一的视角和观点能客观完整地描述人工智能。为了给出人工智能的一个合理界定,首先要了解什么是智能,构成智能的要素是什么。一、人类智能与人工智能人类对智能的探索自古有之。在中国古籍 荀子正名篇 中有这样的描述:“所以知之在人者谓之知,知有所合谓之智。”意思是:人身上所具有的用来认识事物的能力叫做知觉,知觉同所认识的事物有所符合,叫做智(慧)。早在计算机出现之前,人们就一直尝试着发明“能思考、有智慧”的机器,可以帮助解决更复杂的问题,甚至幻想着有朝一日这些机器会比人类更“聪明”。但总的来讲,我们对人类智能本质的认识还处于很无知的状态:我们不知道智能是如何产生的,不了解什么样的机制对于智能是必须的,更无法制造出像人一样聪明的“机械智能”。即便是对“什么是智能”这样一个根本性的问题,我们至今也没有一个令所有人都满意的答案。然而,所有这些概念上和实践上的困难都不能阻止我们对“智能”和建造“智能机器”的不懈探索。我们虽然还无法了解智能的本质,但是却能敏锐地察觉和识别出智能行为,这对于研究并制造能展现出人类智能行为和能力的机器似乎已经够用了。1.智能与智能行为既然无法给出智能的完美定义,我们不妨从更实用的角度来界定4华东师范大学出版社第一章人工智能初识智能。如荀子所表达的意思,人们能够说话、学习、思考,并将所学所想付诸行动,通过对话、学习和与周围环境的互动(行动),使自己这些方面的能力不断得到改进提高,这就是“智慧”。人的这种具有智慧的能力,就是“智能”。1 9 9 4年,美国心理学家罗伯特斯腾博格(R o b e r t J.S t e r n b e r g)对智能给出了如下定义:“(个体)智能是个人从经验中学习、理性思考、记忆重要信息,以及应付日常生活需求的认知能力。”除了个体智能外,人类及其他生物还存在“集体智能”(也称群体智能)的现象。例如,某种群体可能会形成并遵循某些规则。如蚂蚁,个体的蚂蚁很难称为具有智能,但一个蚁群却能呈现出令人惊叹的集体智能行为。在日常用语中,“人工”带有“人造的”“人工合成的”含义。基于这种含义,对人工智能的一种理解是:研究产生智能行为及能力的机制和理论(理解智能),制造能呈现智能行为和能力的机器(制造智能)。探究活动从数据到智慧图 1.1 从数据到智慧在信息技术领域中,有一个经典的“数据信息知识智慧”的金字塔,如图 1.1所示。请同学们搜索并阅读有关文献,在小组内就以下问题进行研讨交流:1.这个金字塔的含义是什么?2.有一种观点认为:智慧就是产生知识、运用知识和创造知识的能力。上述观点与斯腾博格的智能定义有什么联系?3.在以上关于智慧的观念的基础上,有人给出“人工智能就是关于知识的科学”这一定义,你认为这个定义合理吗?那么,什么样的行为或能力可算作是智能的呢?一般认为,(人的)智能是人类个体认识客观事物和运用与事物有关的知识解决问题的能力。因此,人的智能就体现在认识事物和解决问题时所呈现出的各种能力,包括语言能力、数学与逻辑推理能力、沟通交流能力、学习与理解能力、情感感知能力、规划行动能力、创造性思考与问题解决能力等。5 华东师范大学出版社人工智能初步体验思考搭建简易聊天机器人我们将使用 Py t h o n的自然语言处理扩展库 NLTK(n a t u r a l la n g u a g e t o o lk i t),尝试搭建一个简易的英语聊天机器人,来帮助同学们学习英语。请同学们完成下列任务:1.按照课程资源的说明,下载和安装 NLTK。打开并运行配套程序 NLTK _c h a t _b o t.p y,创建一个简易聊天机器人。2.尝试与聊天机器人进行简单的英语会话,体验并初步评估机器人(以及你自己)的英语水平。3.你认为这样的聊天机器人是智能的吗?为你的结论至少提供三条依据。4.以小组为单位,阅读 NLTK 扩展库的文档,尝试为该程序增加新的功能。在本活动中,我们使用了 N