普通高中教科书·信息技术选择性必修4 人工智能初步.pdf

普 通 高 中 教 科 书选择性必修信息技术普通高中教科书信息技术4人工智能初步Rengong Zhineng Chubu选择性必修 4人工智能初步广东教育出版社广东教育出版社批准文号：粤发改价格2017434号 举报电话:12358定价：9.51元ook2020信息技术选择性必修-4封面.indd 42020/6/5 上午11:23信息技术广东教育出版社普 通 高 中 教 科 书徐福荫 主编广州人工智能初步Rengong Zhineng Chubu4选择性必修 ook2020信息技术-8扉页.indd 62020/5/28 下午2:5222目录图书在版编目(CIP)数据信息技术选择性必修4：人工智能初步/徐福荫主编广州：广东教育出版社，2019.12（2021.1重印）普通高中教科书ISBN 978-7-5548-3031-4.信.徐.计算机课高中教材.G634.671中国版本图书馆CIP数据核字（2019）第202791号 编写单位 广东教育出版社 主 编 徐福荫 副 主 编 朱光明 黄国洪 本册主编 黄国洪 王 腾 核心编写人员（以姓氏笔画为序）王同聚 刘 毅 李建国 吴良辉 沈小锋 曹 萍 覃健诚 责任编辑 李敏怡 熊力闻 李杰静 责任技编 杨启承 陈 瑾 装帧设计 何 维信息技术 选择性必修4 人工智能初步XINXI JISHU XUANZEXING BIXIU 4 RENGONG ZHINENG CHUBU广 东 教 育 出 版 社 出 版（广州市环市东路472号12-15楼）邮政编码：510075网址：http:/广东新华发行集团股份有限公司发行广东新华印刷有限公司南海分公司印刷（佛山市南海区盐步河东中心路）890毫米1240毫米16开本8印张160 000字2019年12月第1版2021年1月第3次印刷ISBN 978-7-5548-3031-4定价：9.51元批准文号：粤发改价格2017434 号 举报电话：12315著作权所有请勿擅用本书制作各类出版物违者必究如有印装质量或内容质量问题，请与我社联系。质量监督电话：020-87613102 邮箱：gjs-购书咨询电话：020-8777243822Y3228目录.indd 22020/12/3 17:10:02前 言信息技术作为当今先进生产力的代表，已经成为我国经济发展的重要支柱和网络强国的战略支撑。信息技术涵盖了获取、表示、传输、存储和加工信息在内的各种技术。自电子计算机问世以来，信息技术沿着以计算机为核心、到以互联网为核心、再到以数据为核心的发展脉络，深刻影响着社会的经济结构和生产方式，加快了全球范围内的知识更新和技术创新，推动了社会信息化、智能化的建设与发展，催生出现实空间与虚拟空间并存的信息社会，并逐步构建出智慧社会。人工智能是通过智能机器延伸、增强人类改造自然和治理社会能力的新兴技术。近年来，人工智能的发展呈现出深度学习、跨界融合、人机协同等新特征，推动了社会各领域从数字化、网络化向智能化的跃升，深刻改变着人们的生活方式和思维模式。本模块是针对人工智能的发展特征，从基础知识与应用、简单人工智能应用模块搭建及开发等方面设置的选择性必修模块。通过本教科书的学习，同学们应该了解人工智能的发展历程及概念，能描述典型人工智能算法的实现过程，通过搭建简单的人工智能应用模块，亲历设计与实现简单智能系统的基本过程与方法，增强利用智能技术服务人类发展的责任感。本教科书按“人工智能基础”“简单人工智能应用模块开发”“人工智能技术的发展与应用”三部分内容展开，围绕信息技术学科核心素养设计了“调查汉英自动翻译机的人工智能发展历程”“剖析汽车自动导航系统”“剖析垃圾邮件智能分类系统”“开发拍照识物智能玩具系统”“从自动驾驶汽车伤人事件分析人机共处的安全风险和伦理挑战”项目范例，教师围绕“情境主题规划探究实施成果评价”的项目范例主线开展教学活动，帮助同学们掌握本教科书的基础知识、方法和技能，增强信息意识，发展计算思维，提高数字化学习与创新能力，树立正确的信息社会价值观和责任感，从而促进同学们的信息素养提升。121Y3228前言.indd 12019/10/10 14:22:1822本教科书要求同学们对现实世界中的真实性问题进行自主、协作、探究学习。同学们围绕“项目选题项目规划方案交流探究活动项目实施成果交流活动评价”的项目学习主线开展学习活动，体验“做中学、学中创、创中乐”的项目学习理念和“从实践入手、先学后教、先练后讲”的项目学习策略，将知识建构、技能培养与思维发展融入运用数字化工具解决问题和完成任务的过程中，从而促进信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任的信息技术学科核心素养达成。本教科书设置了“项目范例”“项目选题”“项目规划”“方案交流”“探究活动”“项目实施”“成果交流”“活动评价”等学习栏目，指导同学们开展项目学习活动。其中，“项目范例”是教师通过“情境”“主题”“规划”“探究”“实施”“成果”“评价”等活动，引导同学们了解开展项目学习活动的全过程；“项目选题”是同学们从真实世界选择自己感兴趣的项目主题；“项目规划”是同学们根据项目选题，制订自己的项目方案；“方案交流”是同学们展示交流自己设计的项目方案，师生共同探究、完善其方案；“探究活动”是同学们通过“问题”“观察”“分析”“阅读”“思考”“交流”“实践”“实验”“体验”“调查”“讨论”“拓展”等活动，获取知识和技能的过程；“项目实施”是同学们运用在项目学习过程中所获得的知识和技能来完成项目方案；“成果交流”是教师组织同学们展示交流项目成果，共享创造、分享快乐；“活动评价”是教师组织同学们开展项目评价活动。本教科书每章首页的导言，叙述了本章的学习目的与方式、学习目标与内容，让同学们对整章内容有个总体认识。每章设置了“本章扼要回顾”，通过知识结构图把每章的主要内容及它们之间的关系描述出来，这有助于同学们建立自己的知识结构体系。每章结尾的“本章学业评价”设计了基于学业要求的测试题，并通过本章的项目活动评价，让同学们综合评价自己在信息技术知识与技能、解决实际问题的过程与方法，以及相关情感态度与价值观的形成等方面，是否达到了本章的学习目标。此外，本教科书为同学们提供了配套学习资源包，里面含有贝叶斯分类器、聚类、决策树和人工神经网络等算法，以及“垃圾邮件智能分类系统”“拍照识物智能玩具系统”等Python程序源代码，为同学们提供智能系统实验环境和数据。当然，同学们还可以自己收集素材，让自己的项目学习作品更有特色。前言21Y3228前言.indd 22019/10/10 14:22:191 1目 录目 录CONTENTS 第一章 人工智能概述1项目范例 调查汉英自动翻译机的人工智能发展历程 21.1 人工智能及其特征5111 人工智能 5112 人工智能的基本特征71.2 人工智能发展历程与趋势9121 人工智能的发展历程9122 新一代人工智能的兴起12123 人工智能发展的研究趋势 131.3 人工智能的应用 16131 人工智能在经济领域的应用16132 人工智能在社会领域的应用18 第二章 人工智能基础算法及应用22项目范例 剖析汽车自动导航系统232.1 人工智能编程语言与开发平台26211 常用人工智能编程语言26212 Python在人工智能中的运用 2721Y3228目录.indd 12019/10/10 14:07:2322目录213 典型人工智能开发平台292.2 启发式搜索31221 启发式搜索原理31222 启发式搜索的分类33223 启发式搜索的应用342.3 自然语言处理36231 情感分析 36232 机器翻译38233 机器阅读理解40234 智能搜索引擎412.4 生物特征识别41241 指纹识别系统42242 人脸识别系统42243 虹膜识别系统45244 指静脉识别系统45 第三章 机器学习与人工智能的核心算法49项目范例 剖析垃圾邮件智能分类系统503.1 机器学习概述 53311 机器学习的基本原理54312 机器学习算法的主要类型 553.2 贝叶斯分类器57321 朴素贝叶斯分类器57322 朴素贝叶斯分类器的类型 60323 朴素贝叶斯分类器的应用 6121Y3228目录.indd 22019/10/10 14:07:233 33.3 聚类63331 系统聚类算法64332 K-Means聚类算法 65333 K-Means聚类算法的应用663.4 决策树68341 决策树及其类型69342 决策树的生成71343 决策树的应用733.5 人工神经网络75351 人工神经网络的基本原理 76352 人工神经网络的应用78 第四章 人工智能应用系统开发83项目范例 开发拍照识物智能玩具系统844.1 人工智能应用系统项目分析86411 项目描述 86412 需求分析 874.2 人工智能应用系统项目设计88421 总体设计 89422 硬件系统设计89423 软件模块设计904.3 人工智能应用系统项目实施94431 程序设计 94432 图像识别模块开发95433 系统集成 98目录21Y3228目录.indd 32019/10/10 14:07:2444目录 第五章 人工智能系统的安全103项目范例 从“自动驾驶汽车伤人事件”分析人机共处的安全风险和伦理挑战1045.1 人工智能应用系统的安全风险和伦理挑战 107511常见人工智能应用系统的基本组成 107512人工智能应用系统的安全风险 109513人工智能应用系统的伦理挑战 1105.2 维护人工智能应用系统安全的基本方法111521 安全风险分析与审计跟踪 111522 备份与应急处理112523 安全管理教育与制度建设 1125.3 人工智能社会化应用的规范与法规113531 人工智能应用的道德规范和行为守则113532 人工智能应用的民事与刑事法规114附录1 部分术语、缩略语中英文对照表118附录2 项目活动评价表11921Y3228目录.indd 42019/10/10 14:07:241 1 第一章 人工智能概述人类具有智能，并以此建立了相互联系的生活共同体社会，而智能被认为是推动社会发展的重要因素。从学会使用工具到农业革命、工业革命，再到信息化社会，智能无处不在。智能家居、自动驾驶和智能机器人等智能系统早已在不知不觉中融入我们的生活。人工智能技术将对我们的学习、工作和生活带来哪些影响？我们该如何应对人工智能带来的挑战呢？本章将通过“调查人工智能发展历程”项目，进行自主、协作、探究学习，让同学们学会描述人工智能的概念与基本特征，知道人工智能的发展历程、典型应用与发展趋势，辩证认识人工智能对人类社会未来发展的巨大价值，从而将知识建构、技能培养与思维发展融入运用数字化工具解决问题和完成任务的过程中，促进信息技术学科核心素养达成，完成项目学习目标。人工智能及其特征 人工智能发展历程与趋势 人工智能的应用第一章 人工智能概述第一章人工智能概述21Y3228.indd 12019/10/10 14:23:0722第一章 人工智能概述调查汉英自动翻译机的人工智能发展历程项目范例情 境语言是用来表达意思和交流思想的工具，是人类社会最基本的信息载体，也是人类区别于其他动物的本质特征之一。由于地理位置、生活环境、风俗习惯等诸多因素影响，世界各地形成了不同的语言。为促进人类之间的交流与合作，需要进行语言之间的翻译。拥有一种自动翻译不同语言的工具，成为人类共同的梦想。人工智能的诞生、发展和应用为自动翻译机（如图1-1所示）的研发和制造带来突破，使人类的这个梦想得以实现。主 题调查汉英自动翻译机的人工智能发展历程规 划根据项目范例的主题，在小组中组织讨论，利用思维导图工具，制订项目范例的学习规划，如图1-2所示。图1-1 自动翻译机21Y3228.indd 22019/10/10 14:23:093 3 调查汉英自动翻译机的人工智能发展历程探 究根据项目学习规划的安排，通过调查、案例分析、文献阅读和网上