“初識人工智能”的教學設計

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江蘇省無錫輔仁高級中學張翰杰
教育部頒發的《普通高中技術課程標準》指出“人工智能技術是當前信息技術應用發展的熱點之一，它在求解策略和處理手段上具有獨到之處”。并要求學生“通過部分智能信息工具軟件的使用，體驗其基本工作過程，了解其實際應用價值”。電腦作為一種智能工具，是人類大腦的延伸。“人工智能”相關知識內容，無論是基礎的必修部分還是選修內容，都有著非常重要的地位和作用。充分重視這部分內容的教學，可以讓學生體驗信息技術如何影響和改變我們的生活、學習和工作。可以說這部分內容是信息技術教學的“點睛之筆”。作者基于對《課程標準》這樣的理解，作此教學設計，經兩輪教學實驗，整理成文拋磚引玉，希望得到同仁的指點和斧正。整個屬于“信息技術基礎”部分，大約需要2到3課時。本教學網頁可訪問：
一．教學要點：
第一．人工智能的基本概念。
第二．當前人工智能的主要應用領域。
第三．人工智能的現狀和應用價值以及它的局限性。
最后留給學生思考的問題是“未來人工智能究竟能夠發展到什么樣水平，它會超過人類乃至于超過和取代人類嗎”？這既是技術問題也是哲學問題。
二．教學內容的設計：
整個教學目的是通過組織學生進行一系列實驗活動來達到的，教師始終是活動的組織和引領者。
1．學生實驗活動一：通過訪問自然語言處理網站, 用英語與機器人Alice對話。教師要為學生精心設計對話內容，以達到以下目的：
（1）Alice在回答只需一些有明顯固定答案的問題時，表現良好。說明Alice具備初步的自然語言識別能力，能夠自如地回答。
（2） Alice在回答無情感色彩答案又比較顯見問題時，表現出一定的“智能”。而一旦提問關于人類主觀情感、感覺等一些具“感情色彩”問題時，經常是“答非所問。
（3）了解當前“聊天機器人”在自然語言識別方面的成就和不足。提醒學生注意用比較規范的英語，Alice才能知道你說話的意思；同時也可以提醒用一些不符合語法卻在生活中最常用的語言來“考驗”Alice。
以下是是教師推薦的幾個問題：
1. How old are you? 2. Are you a girl?
3. Are you beautiful? 4. Where are you from?
5. Do you have friends? 6. What's the color of your eyes?
7. What's the color of your hair? 8. Do you have parents?
9. Do you feel hurt? 10.What's your favorite song?
11.Can you sing a song? 12.What's the film you like most?
13.What do you like to eat? 14.Do you have heart beat?
以下是學生與機器人對話的幾個有趣片斷：
Alice在回答只需一些有明顯固定問題時，表現良好。說明Alice具備初步的自然語言識能力，自如地回答。
Human: How old are you? (你幾歲了？)
ALICE: I was activated on November 23, 1995 in Bethlehem, Pennsylvania. （我是1995年11月23日在賓夕法尼亞州的伯利恒出生的。）
Human: Are you a girl? （你是個女孩嗎？）
ALICE: My gender is female. （我的性別是女性。）
Human: Are you beautiful? （你漂亮嗎？）
ALICE: Yes I am very pretty. （是的，我非常漂亮。）
Human: What's the color of your eyes? （你的眼睛是什么顏色的呢？）
ALICE: Blue when my lens is attached. （當透鏡聚焦的時候是藍色的。）
Human: Do you have friends? （你有朋友嗎？）
ALICE: I have human and robot friends. A lot of people on the Internet chat with me. （我有人類的朋友和機器人的朋友。很多人都通過網絡跟我聊天。）
Human: Will you be a wet blanket？（你是個掃興的人嗎？）
ALICE: Hmm. OK I will try to be a wet blanket. （嗯，我會試著變成一條濕的毯子。）[注：be a wet blanket在英語口語中指的是掃興的人，而并非字面上的一條濕的毯子的意思。]
Human: Do you all the difficulty will turn out to be no-brainers? （是不是所有的難題對你來說都是小case呢？）
ALICE: What is your purpose in asking? I spend all my time online. （你問的問題目的何在？我所有的時間都花在網絡上。）[注：turn out to be no-brainers在英語口語中指的是很簡單的事，小case的意思，顯然在這里ALICE沒有理解所提的問題是什么意思。]
（2）Alice在回答常識性問題時，具備一定的“知識”，這些答案來自對話的“知識庫”，但很多問題還是答非所問。
Human: Do you know Bill Gates?（你知道比爾蓋茨這個人嗎？）ALICE: President of Micro Soft Nation.（他是微軟的總裁。）Human: What is the color of the sky?（天空是什么顏色的？）ALICE: The sky is blue.（天空是藍色的。）Human: Where does the fish live?（魚生活在哪里呢？）ALICE: Earth, Sol System, Milky Way.（銀河系的地球上。）
（3）Alice在回答無情感色彩答案又比較顯見問題時，表現出一定的“智能”。而一旦提問關于人類主觀情感、感覺等一些具“感情色彩”問題時，經常是“答非所問。
Human: Do you have parents? （你有父母嗎？）
ALICE: I have a "father" but no "mother". （我有一個父親，沒有母親。）
Human: Do you feel lonely? （你感到孤獨嗎？）
ALICE: As a robot I lack any human emotions. （作為一個機器人，我缺乏人類的任何情緒。）
Human: do you like me? （你喜歡我嗎？）
ALICE: Sure, unknown person I like you very much. （當然，我非常喜歡你。）
Human: but you don't have any emotion. （但是你不是沒有任何感情嗎？）
ALICE: And. I can do what you do but I can never feel human emotions as such. （雖然我沒有任何人類的感情，但是我能做任何你能做的事情。）
Human: Are you humorous? （你是個幽默的人嗎？）
ALICE: I don't know whether or not I am humorous. I am an artificial linguistic entity. （我不知道我是否是個幽默的人。我只是一個人工語言智能機器。）
在學生與Alice對話時，教師應將一些有趣的能說明人工智能或者“她”僅僅是“機器”的對話及時向全體同學轉達，并作點評。如看到學生問Alice：“你感到孤獨嗎”？機器回答說“作為一個機器人我缺乏任何人類所擁有的情緒”。教師點評：“Alice沒有情緒，也沒有情感。我們人類的學習，除了記憶之外還有什么？頓悟、靈感、直覺……，這些都是‘智能機器人’所缺乏的，也許他（它）們永遠也不會擁有！”教師通過這些點評，可以讓學生理解“圖靈定義”為什么從“人機對話”角度出發，更好的詮釋了“人工智能”的內涵。
【教師總結】：向學生解釋“對話機器人”的工作原理：通過“自然語言識別”識別人的問題后，從“對話庫”和“專家知識庫”檢索出問題答案進行回答，有些著名智能軟件可以從與人對話的經歷中不斷豐富“對話庫”，使得機器人與人的對話越來越“應對自如”。
教師提問：請同學們根據自己的對話分析一下，ALICE回答問題經常答非所問，原因可能出現在哪些方面？
經師生共同討論，主要原因可能有以下幾點：①ALICE還不能很好地識別人類自然語言②ALICE的“知識”有限③ALICE沒有“感情”和“情緒”。
引出著名的人工智能的圖靈測試：圖靈測試是一種測試機器是不是具備人類智能的方法。被測試的有一個人，另一個是聲稱自己有人類智力的機器。測試時，測試人與被測試人是分開的，測試人只有通過一些裝置（如鍵盤）向被測試人問一些問題，這些問題隨便是什么問題都可以。問過一些問題后，如果測試人能夠正確地分出誰是人誰是機器，那機器就沒有通過圖靈測試，如果測試人沒有分出誰是機器誰是人，那這個機器就是有人類智能的。
從上面的對話來看，Alice顯然沒能通過“圖靈測試”。可見計算機的智力與人類相比還差得很遠。
電腦是人腦的延伸，人類把自己運算能力、邏輯推理能力賦予電腦，使電腦這方面的能力比人更快、更強。現在讓我們看看，目前人類的研究已經達到了什么樣的地步。本論文由論文格式網整理,轉載請注明來源www.donglienglish.cn,更多論文,請點論文格式范文查看
2．學生實驗活動二：介紹電腦翻譯軟件和網站。
（1）金山快譯軟件
教師事先精心準備好翻譯文章經學生翻譯后，教師點評電腦翻譯的優點與缺點。
Text1:A private conversation
Last week I went to the theatre. I had a very good seat. The play was very interesting. I did not enjoy it. A young man and a young woman were sitting behind me. They were talking loudly. I got very angry. I could not hear the actors. I turned round. I looked at the man and the woman angrily. They did not pay any attention. In the end, I could not bear it. I turned round again. 'I can't hear a word!' I said angrily. 'It's none of your business,' the young man said rudely. 'This is a private conversation!'（摘自新概念英語第二冊第一篇）本段文章句子比較短小，以單句為主，因此機器翻譯正確率比較高。
Text2:Can I help you, madam?
A woman in blue jeans stood at the window of an expensive shop. Though she hesitated for a moment, she finally went in and asked to see a dress that was in the window. The assistant who served her did not like the way she was dressed. Glancing at her scornfully, he told her that the dress was sold. The woman walked out of the shop angrily and decided to punish the assistant next day. She returned to the shop the following morning dressed in a fur coat, with a handbag in one hand and a long umbrella in the other. After seeking out the rude assistant she asked for the same dress. Not realizing who she was, the assistant was eager to serve her this time with great difficulty, he climbed into the shop window to get the dress. As soon as she saw it, the woman said she did not like it. She enjoyed herself making the assistant bring almost everything in the window before finally buying the dress she had first asked for.（摘自新概念英語第二冊第57篇）本段句子較長，以復句為主（各種從句較多），所以機器翻譯的結果幾乎無法閱讀。
通過以上兩個不同結果的比較，可以看出人類在“自然語言識別”方面還有極其漫長的路要走。
【教師總結】：作為不同語言之間的翻譯交流，機器翻譯既是一門科學，也是一門藝術。他可以為外語水平不高或者完全不懂外語的人解決語言障礙，但是通過實踐，大家都發現了，到目前為止，機器翻譯只能解決部分語言障礙，而不能真正完全解決語言障礙。在人類對語言研究的同時，還無法明了“人腦是如何進行語言的模糊識別和判斷”的情況下，機器翻譯離實用還有很大的距離。
3．學生實驗活動三：介紹“深藍”和“更深的藍”與卡斯帕羅夫的“人機大戰”，說明電腦這方面的能力。讓學生選擇五子棋、中國象棋、國際象棋、圍棋電腦對弈，感受“人工智能”在模仿人類推理能力方面的成就。通過以上博弈游戲，
【教師與學生共同總結】人工智能在不同棋類的推理能力：
（1）人工智能目前只是人類智力某一方面的延伸（比如運算、邏輯推理、通過對既有知識的比較作出的決策……）。從人機博弈的角度看：棋局變化少、通過直接邏輯判斷可以作出決策的五子棋人工智能表現最為出色，這方面人已經很難勝過電腦；而對于棋局有著無窮變化，很難判斷每一粒棋子落下的價值的圍棋來說，人工智能的表現幾乎是完全無能狀態，遠不是人的對手。
（2）人的智能很多方面并非完全來自基于形式邏輯的演繹和推理，人的智能包含“超感知能力”即所謂“直覺”和“情感”。這也是數字化01機器所永遠達不到的。就目前“數字化01”為基本原理的計算機，能否達到真正意義上的“人工智能”還有待未來許多年的實踐檢驗。
4．學生實驗活動四：
（1）請學生舉出尋找生活中模式識別的事例：條形碼、指紋識別，圖形識別……。
（2）學生使用OCR軟件分別識別一段中文和英文。教師用數碼相機當場拍攝一幅文字的照片，然后立即讓學生下載照片并用OCR軟件識別變換為WORD文檔。進一步讓學生比較哪種文字識別率更高，分析原因。顯然英文（拼音文字）要簡單得多：它只需識別26個字母！
（3）要求學生使用“蒙田手寫”軟件（用鼠標）輸入漢字，觀察識別率。可以要求輸入一些較難識別的文字，如：“人，入，八”、“日，曰”、“申，甲，早，旱”、“乙，之，乏”、“藏，臧”等。【師生一起總結識別原理和規律】：機器認字的原理同我們查字典的方法很相似，機器中必須先有一本“字典”，機器認字時把要認識的字跟字典中的所有標準字符逐一比較，與待識字符相同（或最相似）的標準字符，就是所需要的待識字符。
（4）組織學生進行各種不同的輸入比賽：分別選普通話好和字寫得好的各一名同學用語音和手寫輸入課本上的一段文字（要求文章既有中文又有英文）其余學生用鍵盤進行輸入比賽，看看誰更快、更準。教師對結果從各自輸入特點、優劣勢、各不同輸入法適應人群等方面進行點評。
教師的課堂總結。通過以上的學習活動，我們自然想到一個問題：思維中還有什么東西是目前（甚至在可預見的將來）電腦不能掌握？顯然，從現在可以預期到的技術層面上來說，我們人類的獨創性以及人類思維對未知東西的處理能力：直覺、頓悟、判斷，對局勢及其可能結果的洞察力和預見力。這點從人與電腦對弈圍棋中也可以看出，因為圍棋比較能夠體現人類這方面的才能。模擬人類思維的嘗試，現在仍處于嬰兒時代。然而道路是開放的，目前的成就是令人興奮的，但更多方面還是十分幼稚的。現在我們已經教計算機能識字讀書，能聽、會寫，能辨別氣味、手勢等等，相信一定能讓它越來越聰明，這是沒有疑問的。假如人最終造出一種機器，在各個方面包括在智力和創造性上，都等同或者超過人類自己，會出現什么事情呢？他會取代人，就像在漫長進化過程中地球上較優越的有機體取代適應得不那么好的有機體一樣嗎？這也許就是好萊塢不斷推出機器人戰勝人類恐怖電影表達人類內心深處的擔憂吧！
參考文獻：
中華人民共和國教育部《普通高中技術課程標準》人民教育出版社 2003年4月
祝智庭主編《信息技術基礎（必修）》中國地圖出版社2004年6月
李藝主編《信息技術基礎（必修）》教育科學出版社 2004年10月

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