第六章人工智能与教育课件

第六章人工智能与教育.章节目录第一节人工智能概述第二节人工智能教育应用.学习要点1.了解人工智能的概念及其发展阶段；2.掌握专家系统、机器学习、神经网络、智能代理；3.人工智能教育应用领域。.第一节 人工智能概述.“深蓝”对战国际象棋大师卡斯帕罗夫“深蓝”重量达.吨，有个节点，每个节点有块专门为进行国际象棋对弈设计的处理器，平均运算速度为每秒万步。总计块处理器集成在研制的并行计算系统中，从而拥有每秒超过亿步的惊人速度。它不会疲倦，不会有心理上的起伏，也不会受到对手的干扰.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、人工系统等、非人类的智能词典：智慧与能力。心理学：从感觉到记忆到思维称为智慧，将行为和语言的表达过程称为“能力”，两者合称“智能”，将感觉、记忆、回忆、思维、语言、行为的整个过程称为智能过程，它是智力和能力的表现。智能具有层次性。.一、什么是人工智能2.人工智能的定义定义1 智能机器：能够在各类环境中自主地或交互地执行各种拟人任务(anthropomorphic tasks)的机器。定义2 人工智能(学科)：人工智能是计算机科学中涉及研究、设计和应用智能机器的一个分支。它的近期主要目标在于研究用机器来模仿和执行人脑的某些智力功能，并开发相关理论和技术。定义3 人工智能(能力)：人工智能是智能机器所执行的通常与人类智能有关的智能行为，如判断、推理、证明、识别、感知、理解、通信、设计、思考、规划、学习和问题求解等思维活动。任务任务：我们一起来看如：我们一起来看如下几种人工智能的定义，下几种人工智能的定义，请大家在观看过程中思请大家在观看过程中思考一下领域内对考一下领域内对“人工人工智能智能”都从都从哪几方面哪几方面进进行了定义？为什么？行了定义？为什么？.定义4（Haugeland,1985）：人工智能是一种使计算机能够思维，使机器具有智力的激动人心的新尝试。定义5（Bellman,1978）：人工智能是那些与人的思维、决策、问题求解和学习等有关活动的自动化。定义6（Charniak和McDermott,1985）：人工智能是用计算模型研究智力行为。定义7（Winston,1992）：人工智能是研究那些使理解、推理和行为成为可能的计算。.定义8（Kurzwell,1990）:人工智能是一种能够执行需要人的智能的创造性机器的技术。定义9（Rick和Knight,1991）:人工智能研究如何使计算机做事让人过得更好。定义10（Schalkoff,1990）:人工智能是一门通过计算过程力图理解和模仿智能行为的学科。定义11（Luger和Stubblefield,1993）:人工智能是计算机科学中与智能行为的自动化有关的一个分支。.3.我们熟知的人工智能人脸识别技术：照相、摄像机器人机器翻译语言识别（speak2me）我国于1986年提出和批准并于1987年开始实施的高技术研究发展计划纲要(即863计划)中，把对智能计算机系统的研究作为一个重要主题。1993年开始的国家科技攀登计划也把对智能机系统及其相关领域列为主攻方向之一。这些研究计划的实现，将使我国在智能机的开发与应用方面赶上国际先进水平。.4.人类智能与人工智能人工智能原理：人体：另T表示时间变量，x表示认知操作，x的变化x是当时机体状态S（机体的生理和心理状态以及头脑中的记忆等）和外界刺激R的函数。当外界刺激作用到处于某一特定状态的机体时，便发生变化，即TT+1,x=f(S,R)。计算机：在规定时间内，计算机存储的记忆相当于机体的状态；计算机的输入相当于机体施加的某种刺激。在得到输入后，计算机边进行操作，使得其内部状态随时间变化而变化。.5.人工智能发展简史（1）萌芽期（提供必要的技术和思想基础）-1956年之前（2）形成时期-1956-1961年（3）发展时期-1961年之后Alan Turing.萌芽期的重要事件.第一台机械加法器pascaline.莱布尼茨的四则运算机.巴贝奇的差分机与分析机 存储装置：采用齿轮式装置的寄存器保存数据，既能存储运算数据，又能存储运算结果；运算装置：从寄存器取出数据进行加、减、乘、除运算，并且乘法是以累次加法来实现，还能根据运算结果的状态改变计算的进程，用现代术语来说，就是条件转移；控制装置：使用指令自动控制操作顺序、选择所需处理的数据以及输出结果。.图灵机.形成期的重要事件1956年，Dartmouth会议，人工智能学科诞生逻辑理论机、问题求解程序、表处理技术、国际象棋机西洋跳棋程序表处理语言LISP.发展期的重要事件大量程序、研究课题的涌现：如理解自然语言的程序、自动程序设计、人工神经网络等1969年召开了第一届国际人工智能联合会议(International Joint Conference on AI,IJCAI),此后每两年召开一次。1970年人工智能国际杂志(International Journal of AI)创刊。这些对开展人工智能国际学术活动和交流、促进人工智能的研究和发展起到积极作用。人工智能从实验室走入日常生活.二、人工智能研究的领域专家系统专家系统人工神经网络机器学习模式识别数据挖掘数据挖掘自然语言理解与机器翻译、自动定理证明、自然语言理解与机器翻译、自动定理证明、自动程序设计、智能控制自动程序设计、智能控制.（一）专家系统1.专家系统（Expert System）是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。2.类型：解释专家系统：通过对已知信息和数据的分析与解释，确定它们的涵义。预测专家系统：通过对过去和现在已知状况的分析，通过对过去和现在已知状况的分析，推断未来可能发生的情况推断未来可能发生的情况。诊断专家系统：根据观察到的情况(数据)来推断出某个对象机能失常(即故障)的原因。设计专家系统：根据设计要求，求出满足设计问题约束的目标配置。.规划专家系统：寻找出某个能够达到给定目标的动作序列或步骤。监视专家系统：对系统、对象或过程的行为进行不断观察，并把观察到的行为与其应当具有的行为进行比较，以发现异常情况，发出警报。控制专家系统：自适应地管理一个受控对象或客体的全面行为，使之满足预期要求。调试专家系统：对失灵的对象给出处理意见和方法。调试专家系统的特点是同时具有规划、设计、预报和诊断等专家系统的功能。调试专家系统可用于新产品或新系统的调试，也可用于维修站进行被修设备的调整、测量与试验。.教学专家系统：根据学生的特点、弱点和基础知识，以最适当的教案和教学方法对学生进行教学和辅导。修理专家系统：对发生故障的对象(系统或设备)进行处理，使其恢复正常工作。修理专家系统具有诊断、调试、计划和执行等功能。美国贝尔实验室的ACI电话和有线电视维护修理系统是修理专家系统的一个应用实例。.3.专家系统的特点：专家系统能够解释本身的推理过程和回答用户提出的问题，以便让用户能够了解推理过程，提高对专家系统的信赖感；可以学习，不断地增长知识，修改原有知识，不断更新。.4.专家系统的结构a.专家系统的简化结构.（二）基于神经网络的学习人工神经元的组成（见左图）.（三）机器学习什么是学习？学习是系统在不断重复的工作中对本身能力的增强或者改进，使得系统在下一次执行同样任务和相类似的任务时，会比现在做的更好和效率更高。（西蒙）1.机器学习机器学习是一门研究机器（计算机）获取新知识和新技能，并识别现有知识的学问。.（2）机器学习的策略按学习中使用推理的多少，大致有机械学习、通过传授进行学习、归纳学习、类比学习、通过实例进行学习。.机械学习（记忆学习）机械学习（记忆学习）在机械学习（记忆学习)中基本没有变换。由施教者提供的信息或多或少被学习系统记忆和使用。这时环境提供的信息与执行环节使用的信息有相同的水平，同样的形式。实际上每台计算机都可以看作是机械学习（记忆学习),因为它们都存贮用户送入的程序。一个例子是Samuel的西洋象棋程序（1956，1967），它记忆每个棋局以便提高下棋水平。.传授学习（指点学习）传授学习（指点学习）在传授学习中，学习环节进行的变换只是对施教者提供的信息进行选择和改造，这主要是在语法层的变换。这时环境提供的信息过于抽象，它的水平高于执行环节所用信息的水平。学习环节把较高水平的知识变换为较低水平的知识。这种变换称为实用化。实用化主要有下列步骤：由传授的信息推出结论，作出假设以补充一些细节和确定何时需要进一步传授。实用化过程类似于编译系统把高级语言程序变换成机器码程序。第一个例子是McCarthy(1958)的系统。最近的系统有TEIRESLAS（Davis,1976）和FOO（Mostow,1979和1981）。.归纳学习归纳学习在归纳学习中，变换过程是对输入信息的一般化和选择最合理的预期结果，这就是归纳推理。归纳学习可以分为以下实例学习、观察与发现学习。.类比学习类比学习类比学习是演绎学习与归纳学习的组合。它匹配不同论域的描述，确定公共的子结构，以此作为类比映射的基础。寻找公共子结构是归纳推理，而实现类比映射是演绎推理。由提醒学习可以看作一种类比学习（Schank,1982）。类比学习是由系统已有的某一领域知识得到另一领域中类似的知识。.实例学习（概念获取）它的任务是确定概念的一般描述，这个描述应解释所有给定的正例并排除所有给定的反例。这些正反例是由信息源提供的，信息源可能是已经知道概念的施教者，也可能是学生做实验而系统从中得到反馈的环境。后者可称为实验学习，包括由做学习和由问题求解学习。刺激反应式学习也是一种实例学习。.（四）智能代理1.定义：人类、物理世界的机器人和信息世界的软件机器人。信息世界中的软件机器人或称软件Agent，他是代表用户或其它程序，以主动服务的方式完成一组操作的机动计算实体。1.主动适应，在完成操主动适应，在完成操作的过程中，它可以获作的过程中，它可以获得、表示并在以后的操得、表示并在以后的操作中利用关于操作对象作中利用关于操作对象的知识以及关于用户意的知识以及关于用户意图和偏好的知识。图和偏好的知识。2.主动主动Agent，即对一，即对一些任务无需用户发出指些任务无需用户发出指令，只要当前状态符合令，只要当前状态符合某种条件，就可以代表某种条件，就可以代表用户或其它程序完成相用户或其它程序完成相应的操作。应的操作。在所处的计算环境中在所处的计算环境中灵活的访问机制，以灵活的访问机制，以及同其他及同其他Agent通信通信和协作的机制。和协作的机制。.弱定义：自治性社会性反应性能动性强定义：另外还应具有一些人类具有的特性，如知识、信念、义务、意图等。.2.智能代理（Intelligent Agent）：自动执行用户委托的任务的计算实体。例:瑞星的小狮子。.3.多Agent系统MAS不仅研究单个Agent负责的体系结构及这样的Agent之间的简单交互，并且研究相对简单的Agent之间的复杂交互，及建立复杂的社会模型，而不是复杂的个体模型。研究方面：Agent之间的协作：互相间交互信息的协议集任务共享结果共享对环境信息的适应.