李維明

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020修訂）》（以下簡(jiǎn)稱《課標(biāo)》）要求，通過人工智能基礎(chǔ)部分的學(xué)習(xí)，“學(xué)生應(yīng)該了解人工智能的發(fā)展歷程及概念，能描述典型人工智能算法的實(shí)現(xiàn)過程”。所以，對(duì)本單元的教學(xué)可以從人工智能的基本概念入手，了解人工智能典型的核心算法，并借用案例，讓學(xué)生在體驗(yàn)中習(xí)得。

● 明確人工智能的基本特征

人工智能的定義是什么？這個(gè)問題長(zhǎng)期以來并沒有統(tǒng)一的說法，從1950年的圖靈測(cè)試，到1956年的達(dá)特茅斯會(huì)議，都沒有形成一個(gè)共識(shí)。但其討論的“用機(jī)器來模擬人類的學(xué)習(xí)及其他方面的智能活動(dòng)”的話題卻成為“人工智能”這個(gè)詞的來源?！?021人工智能發(fā)展白皮書》將人工智能定義為：“人工智能是指研究、模擬人類智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門技術(shù)科學(xué)，其使用機(jī)器代替人類實(shí)現(xiàn)認(rèn)知、識(shí)別、分析、決策等功能，其本質(zhì)是對(duì)人的意識(shí)和思想的信息過程的模擬?！边@應(yīng)該是目前對(duì)人工智能的最適切的定義。

人工智能有三大基本特征：人工智能是由人類設(shè)計(jì)、為人類服務(wù)的，其本質(zhì)為計(jì)算，基礎(chǔ)為數(shù)據(jù);人工智能能感知環(huán)境，能產(chǎn)生反應(yīng)，能與人交互，能與人互補(bǔ);人工智能有適應(yīng)特性，有學(xué)習(xí)能力，有演化迭代，有連續(xù)擴(kuò)展。

從根本上說，人工智能系統(tǒng)必須以人為本，這些系統(tǒng)是人類設(shè)計(jì)出的機(jī)器，按照人類設(shè)定的程序邏輯或軟件算法通過人類發(fā)明的芯片等硬件載體來運(yùn)行或工作，其本質(zhì)體現(xiàn)為計(jì)算，通過對(duì)數(shù)據(jù)的采集、加工、處理、分析和挖掘，形成有價(jià)值的信息流和知識(shí)模型，來為人類提供延伸人類能力的服務(wù)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)人類期望的一些“智能行為”的模擬，在理想情況下必須體現(xiàn)服務(wù)人類的特點(diǎn)，而不應(yīng)該傷害人類，特別是不應(yīng)該有目的性地做出傷害人類的行為。

人工智能系統(tǒng)應(yīng)能借助傳感器等器件產(chǎn)生對(duì)外界環(huán)境（包括人類）進(jìn)行感知的能力，可以像人一樣通過聽覺、視覺、嗅覺、觸覺等接收來自環(huán)境的各種信息，對(duì)外界輸入產(chǎn)生文字、語(yǔ)音、表情、動(dòng)作（控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)）等必要的反應(yīng)，甚至影響到環(huán)境或人類。借助于按鈕、鍵盤、鼠標(biāo)、屏幕、手勢(shì)、體態(tài)、表情、力反饋、虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等方式，人與機(jī)器間可以產(chǎn)生交互與互動(dòng)，使機(jī)器設(shè)備越來越“理解”人類乃至與人類共同協(xié)作、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。這樣，人工智能系統(tǒng)能夠幫助人類做人類不擅長(zhǎng)、不喜歡但機(jī)器能夠完成的工作，而人類則適合于去做更需要?jiǎng)?chuàng)造性、洞察力、想象力、靈活性、多變性乃至用心領(lǐng)悟或需要感情的一些工作。

人工智能系統(tǒng)在理想情況下應(yīng)具有一定的自適應(yīng)特性和學(xué)習(xí)能力，即具有一定的隨環(huán)境、數(shù)據(jù)或任務(wù)變化而自適應(yīng)調(diào)節(jié)參數(shù)或更新優(yōu)化模型的能力，并且能夠在此基礎(chǔ)上通過與云、端、人、物越來越廣泛深入的數(shù)字化連接擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)機(jī)器客體乃至人類主體的演化迭代，以使系統(tǒng)具有適應(yīng)性、魯棒性、靈活性、擴(kuò)展性，來應(yīng)對(duì)不斷變化的現(xiàn)實(shí)環(huán)境，從而使人工智能系統(tǒng)在各行各業(yè)產(chǎn)生豐富的應(yīng)用。

● 了解人工智能的核心算法

《課標(biāo)》要求學(xué)生要“了解人工智能的核心算法，熟悉智能技術(shù)應(yīng)用的基本過程和實(shí)現(xiàn)原理”，這“核心算法”是指什么呢？《課標(biāo)》里舉了兩個(gè)例子：?jiǎn)l(fā)式搜索、決策樹。

要了解“啟發(fā)式搜索”算法，首先應(yīng)知道什么是搜索算法。搜索算法是利用計(jì)算機(jī)的高性能來有目的地窮舉一個(gè)問題解空間的部分或所有的可能情況，從而求出問題的解的一種方法。現(xiàn)階段一般有枚舉算法、深度優(yōu)先搜索、廣度優(yōu)先搜索、A*算法、散列函數(shù)等算法。在大規(guī)模實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，通常通過在搜索前根據(jù)條件降低搜索規(guī)模、根據(jù)問題的約束條件進(jìn)行剪枝、利用搜索過程中的中間解避免重復(fù)計(jì)算這幾種方法進(jìn)行優(yōu)化。

具體來說，搜索算法就是根據(jù)初始條件和擴(kuò)展規(guī)則構(gòu)造一棵“解答樹”并尋找符合目標(biāo)狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)的過程。從最終的算法實(shí)現(xiàn)上來看，可以將其劃分成兩個(gè)部分——控制結(jié)構(gòu)（擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)的方式）和產(chǎn)生系統(tǒng)（擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)），而其算法優(yōu)化和改進(jìn)是通過修改其控制結(jié)構(gòu)來完成的。在這樣的過程中，將一個(gè)具體的問題抽象成了一棵樹，這就是搜索樹。

搜索樹的初始狀態(tài)對(duì)應(yīng)著根結(jié)點(diǎn)，目標(biāo)狀態(tài)對(duì)應(yīng)著目標(biāo)結(jié)點(diǎn)。排在前的結(jié)點(diǎn)叫父結(jié)點(diǎn)，其后的結(jié)點(diǎn)叫子結(jié)點(diǎn)，同一層中的結(jié)點(diǎn)是兄弟結(jié)點(diǎn)，由父結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生子結(jié)點(diǎn)叫擴(kuò)展。完成搜索的過程就是找到一條從根結(jié)點(diǎn)到目標(biāo)結(jié)點(diǎn)的路徑，找出一個(gè)最優(yōu)的解。這種搜索算法的實(shí)現(xiàn)類似于圖或樹的遍歷，通?？梢杂袃煞N不同的實(shí)現(xiàn)方法，即深度優(yōu)先搜索和廣度優(yōu)先搜索。

而啟發(fā)式搜索算法，就是在狀態(tài)空間中的搜索對(duì)每一個(gè)搜索的位置進(jìn)行評(píng)估，得到最好的位置，再?gòu)倪@個(gè)位置進(jìn)行搜索直到目標(biāo)。例如，A*算法就是利用問題的規(guī)則和特點(diǎn)來制訂一些啟發(fā)規(guī)則，由此來改變節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展順序，將最有希望擴(kuò)展出最優(yōu)解的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先擴(kuò)展，從而可以盡快地找到最優(yōu)解。

決策樹是一種基本的分類與回歸方法，其本質(zhì)是通過一系列規(guī)則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類的過程。決策樹算法首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用歸納算法生成可讀的規(guī)則和決策樹，然后使用決策對(duì)新數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。決策樹模型呈樹形結(jié)構(gòu)，在分類問題中，表示基于特征對(duì)實(shí)例進(jìn)行分類的過程。決策樹算法是一種逼近離散函數(shù)值的方法，是一種典型的分類方法。

當(dāng)然，人工智能涉及的算法遠(yuǎn)不止這些，但了解了這兩種基本的核心算法，對(duì)其他算法的理解以及對(duì)人工智能的算法實(shí)現(xiàn)也就有了初步的感受，這對(duì)繼續(xù)深入地了解人工智能實(shí)現(xiàn)的基本原理大有幫助。

● 教學(xué)策略

對(duì)于本單元的教學(xué)，《課標(biāo)》給出了明確的策略：“在學(xué)習(xí)有關(guān)人工智能基礎(chǔ)知識(shí)方面的內(nèi)容時(shí)，可多采用案例剖析法，讓學(xué)生在模仿中習(xí)得，在創(chuàng)造中推新。盡可能利用學(xué)生在必修、選擇性必修等課程學(xué)習(xí)中已取得的經(jīng)驗(yàn)，降低學(xué)習(xí)障礙，保證學(xué)習(xí)效果?！?/p>

為此，不同的教材給出了不同的案例幫助開展學(xué)習(xí)活動(dòng)。例如，人教-中圖版教材對(duì)決策樹的認(rèn)識(shí)就從“小明會(huì)推薦媽媽買哪款手機(jī)”入手，根據(jù)媽媽購(gòu)買手機(jī)的需求構(gòu)建一棵“手機(jī)選擇決策樹”，從而認(rèn)識(shí)典型決策樹的“決策點(diǎn)”“分支”“終結(jié)點(diǎn)”等要素，引出構(gòu)造決策樹的“收集數(shù)據(jù)”“準(zhǔn)備數(shù)據(jù)”“訓(xùn)練算法”“測(cè)試算法”“使用算法”的一般流程，最終讓學(xué)生在了解中習(xí)得。又如，滬科教版的教材設(shè)計(jì)項(xiàng)目活動(dòng)“讓智能車自動(dòng)規(guī)劃路徑”，“用人工智能實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃”“預(yù)測(cè)交通流量”，并“根據(jù)路況進(jìn)行智能決策”，“搜索最佳路線”，從而使學(xué)生通過這些活動(dòng)，逐步認(rèn)識(shí)、理解決策算法、搜索及啟發(fā)式搜索的基本思路和方法，構(gòu)建決策樹最終幫助實(shí)現(xiàn)決策，以找到最佳路線。

人工智能基礎(chǔ)是學(xué)生進(jìn)入智能世界的大門，運(yùn)用正確的方法、建立正確的概念、形成正確的觀念是本單元教學(xué)的基本思路，對(duì)具體案例的體驗(yàn)和模仿是實(shí)施教學(xué)的基本路徑，如果能借助人工智能發(fā)展的歷史案例進(jìn)行教學(xué)，一定會(huì)獲得更好的效果。