5.2 探秘人工智能 教案（2课时）-2023新教科版《高中信息技术》必修第一册.rar

教科版 2019 信息技术必修 1 数据与计算教科版 2019 信息技术必修 1 数据与计算第 5 单元数据分析与人工智能 5.2 探秘人工智能教学设计第 5 单元数据分析与人工智能 5.2 探秘人工智能教学设计【教材分析】【教材分析】高中信息技术课程以全面提升学生的信息素养为根本目标。信息技术自身的发展可以归纳为新知识的更新、新技术的更替、新工具的更换。如智能硬件的普及、应用场景的快速切换、大数据与人工智能带来的社会深度变化、新兴工具的快速升级、创造空间的不断延伸。教材必须适应时代要求，保证知识技能的系统性、先进性；注重项目与活动对学生创新意识与核心素养的驱动；贴近学生生活，充分尊重其认知发展规律；立足当下实际，面向未来适当拓展。人工智能是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。人工智能是对人的意识、思维的信息过程的模拟。了解和探索人工智能是当代学生必要的专业素养。在设计内容时，应当充分考虑社会进步和科学技术发展的成果及发展趋势，具有一定的科学性、前瞻性与时代性，引导学生了解信息技术的最新发展成果对生活、学习的影响，以激发学生数字化创新的动机，培养学生对信息技术发展的适应能力。本节围绕“人工智能科普营”项目，清晰、系统地把握人工智能的脉络，提高学生学习人工智能的兴趣，培养多角度思维的能力以及完整地解决问题的能力，从而更有效地发展学生的逻辑思维能力。本节从人机对战开篇，介绍启发式搜索及人工智能基础知识，从揭示AlphaGo 核心算法入手，展示人工智能领域的软硬件关键技术。遵循 AI 学科的主流观点和体系，突出当前成就；内容上强调与信息技术学科核心概念与核心素养直接关联，并尽可能采用直观的方法描述智能算法及其实现过程；通过实践性强、操作性强的实例，重在理解、体验人工智能应用；通过剖析典型案例阐述智能技术社会化应用的巨大价值以及随之带来的伦理、安全、法律等不同层面上的复杂问题。【教学建议】本项目本着以活动引导教学的主旨，注重让学生在实践活动中了解人工智能的概念，体会人工智能的魅力，以激发他们对人工智能的兴趣，为后面的基础理论学习打好基础。学生在学习本节内容后应该了解人工智能的基本概念和特征，人工智能的发展历程，主要分支、主要观点，典型应用及系统等。在教学准备阶段，教师应预先调试人工智能相关设备，收集安装相关软件，下载相关学习资源，如有关人工智能的资料、视频片段（电影或纪录片）等供学生实践、参考和观摩。引入人工智能概念时，教师可以通过古今中外一些生动的实例和故事揭示人类对于自身智能的思考和对智能拓延的渴望，从而加深学生对智能和智能机器的理解，引发其对智能的探索；介绍人工智能发展过程时，可以通过介绍一些典型的历史人物和史实，使学生体会人工智能这门学科从孕育到产生再到发展的过程中经历的艰辛历程；体验人工智能技术应用时，应引导学生思考人工智能对人类生活的促进作用和更广阔的应用空间；探究人工智能算法时，选取学生较容易了解的算法举例说明，如：决策树、神经网络等，尽量用浅显易懂的语言让学生了解算法的机理，或是对比智能算法和普通算法，凸显人工智能算法的优越性，可以不深入到算法的实现。教师应将教学重点放在引导学生如何去“体会”“好奇”“喜欢”这门科学，了解本学科与其他学科在研究问题、解决问题上的新奇和独特之处，培养学生创新意识，拓展学生创新思维。【教学目标】1、了解人工智能技术的相关概念与应用领域。2、了解人工智能技术发展的新趋势。3、认识人工智能在信息社会中的重要作用。【教学重点、难点】人工智能技术的相关概念与应用领域。人工智能技术发展的新趋势。人工智能在信息社会中的重要作用。【教学过程】【教学过程】人工智能作为国际竞争的新焦点，是引领未来的战略性技术，世界主要发达国家把发展人工智能作为提升国家竞争力、维护国家安全的重大战略。谁能引领人工智能，谁就掌控了人类的未来!在本节中，我们将通过对人工智能典型案例的剖析，了解智能信息处理的巨大进步和应用潜力，认识人工智能在信息社会中的重要作用。新闻业正在智能化，医学正在智能化，甚至法律也正在智能化。在科技进步的竞赛中，我们听到了人工智能飞奔的声音。它可以诊断癌症，创造艺术，在很短的时间里从最复杂的游戏中“学会”并挑战人类三千年传承的战略。本节我们将围绕“人工智能科普营”项目揭开人工智能的“隐身衣”，了解其核心技术及价值。本项目主要包含“认识人工智能”和“揭秘智能算法”两个任务。任务一认识人工智能任务一认识人工智能 “阿尔法围棋”的横空出世激发了全社会研究的热情。恰逢学校“人工智能科普营”活动，请你作为志愿者参与其中，协助搜集信息，并为活动出谋划策。活动 1 探问最强大脑活动 1 探问最强大脑 回顾人类智能与人工智能的几次对战，可以感受到人工智能技术的飞速发展。请搜集相关信息，并完善表 5.2.1。在“深蓝”系列计算机中，存放了包括卡斯帕罗夫的棋谱在内的近百年棋谱记录，它的“智能”主要体现在对海量的实战棋谱的启发式搜索上。启发式搜索启发式搜索 根据问题的实际，不断寻找可利用的知识，构造一条推理路线解决问题，这个过程就是搜索。按预定的控制策略进行搜索，而不考虑问题本身特性的搜索，称为盲目搜索，这种搜索一般适用于求解比较简单的问题。另一种搜索方式称为启发式搜索，它在搜索过程中加入估价函数等启发信息，不断自动调整搜索方向，加速求解进程。例子例子 以八数码问题为例，寻找从初始局面到目标局面移动方案的过程就是一次搜索，控制策略不同，搜索到的解决方案移动的步数也各不相同。某八数码问题的算法平台如图 5.2.1 所示。路径规划也是启发式搜索的一种典型应用，如卫星定位、无人驾驶汽车等。请设计一份迷宫图，并表述自己的启发式搜索方案，看看谁的方案既快又准。活动 2 体验人工智能活动 2 体验人工智能 有些同学提出了这样的问题:“计算机真的能像人类一样思考吗?何谓人工智能?”作为前沿科技，人工智能的内涵在不停地变化。人工智能人工智能 1950 年的“图灵测试”揭开了人工智能的序幕。一般而言，人工.智能是利用数字计算机或者数字计算机控制的机器模拟、延伸和扩展人的智能，感知环境，获取知识并使用知识获得最佳结果的理论、方法、技术及应用系统。有人把人工智能分成弱人工智能和强人工智能。弱人工智能一般指实现特定功能的专用智能设备，不能真正实现推理和解决问题。强人工智能是指真正能思考、有知觉、有自我意识的人类级别的智能机器。例子例子自动驾驶、车牌识别、刷脸支付以及深入人心的智能机器人，这些生活中常见的技术都属于人工智能的不同应用。人工智能已快速地介入我们的衣食住行,刷新了我们的生活方式。它就在这里,唾手可得。人工智能到底有哪些应用呢?请选择 23 个领域了解人工智能的应用现状，填写表5.2.2，并与同学交流讨论。“人工智能科普营”举办了很多场专家讲座，学校希望将专家讲座整理成文字稿。人工智能可以帮助我们解决这个问题吗?图 5.2.2 所示是百度人工智能开放平台提供的部分人工智能应用服务，找找看，哪个应用可以解决这个问题?语音识别可以轻松地将语音音频转成文字。录制一段 1 分钟以内的语音，下载并使用语音识别 APP，将这段音频转成文字，并对其识别的准确性进行评价。第二课时第二课时任务二揭秘智能算法活动 1 初探关键算法任务二揭秘智能算法活动 1 初探关键算法 回顾任务一所说的人机对战，那些具有“智慧”的机器能战胜人类，是因为它们的“脑”中存储了大量的优秀“算法”。闪亮登场的“阿尔法国棋”蕴藏了哪些算法呢?新华网提供的资料如图 5.2.3 所示。“阿尔法围棋”的核心系统属于基于神经网络的深度学习，即模拟人脑神经网络，通过大量数据分析学习了三千万盘职业棋手的棋谱，再通过增强学习的方法自我博弈，寻找比基础棋谱更多的打点来击败对手。机器学习机器学习 机器学习是当前人工智能的核心技术之一，目的是使计算机能模拟或实现人类的学习行为，获取新的知识或技能，重新组织已有的知识结构，从而不断完善自身的性能。打开教科书配套资源中的“plane.exe，体验智能飞机躲避导弹的过程，近距离地观察机器学习。程序开始时，首先繁殖一些懵懂的个体，如图 5.2.4 所示。正如仿达尔文进化论，它们在自我繁衍的过程中优胜劣汰，经过几百代之后，飞机就可以轻松地躲避导弹进攻，生存时间明显改观，如图 5.2.5 所示。人工智能、机器学习、深度学习之间的关系如图 5.2.6 所示。神经网络神经网络 神经网络是目前人工智能领域的研究热点之一-，是一种模仿动物神经网络行为特征，进行并行信息处理的算法模型。人工神经网络无须事先确定反映输人、输出之间映射关系的数学方程，它通过自身的训练，学习某种规则，最终在给定输入时得到最接近期望输出的结果。BP(Back Propagation)神经网络是目前应用最广泛的算法，它是一种按照误差逆向传播算法训练的多层前馈神经网络,其结构大致如图 5.2.7 所示。算法由信息的正向传递与误差的反向传播两部分组成，它们由可修正的权值互连。在正向传播过程中，输入信息从输入层经隐藏层逐层计算传向输出层，当前层神经元的状态只影响下一层神经元的状态。如果输出层没有得到期望的输出，则计算输出层的误差变化值，然后转向反向传播，通过网络将误差信号沿原来的连接通路反传回来，修改各层神经元的权值直至达到期望目标。实践实践 让我们搜索“好玩的神经网络”，通过简单实例进一步了解神经网络吧。结合信息感知、信息表示与形成、智能推理、智能决策、智能执行与信息输出的一-般过程，人工智能领域的关键技术目前主要包括机器学习、知识图谱、自然语言处理、计算机视觉、人机交互、生物特征识别、虚拟现实与增强现实等。活动 2 探寻强大后盾活动 2 探寻强大后盾 在研究各类人工智能软件时，我们经常抱怨“电脑太慢了!”“手机内存太小了”，我们总会感觉机器性能跟不上软件需求。智能算法对硬件的依赖到底有多大?人工智能的核心是算法，基础是数据，本质是计算。在一辆无人驾驶汽车中，一般大约有 I2TB 的数据，这些无人驾驶汽车背后的支撑就是快速的计算能力。要实现弱人工智能向强人工智能的跨越，必须提高计算机处理速度，使计算机变得更智能。神经元芯片神经元芯片 目前通用型处理器的存储和运算处理分离，因此需要大量读写运行操作的深度神经网络，在此过程中不可避免地会受到传输数据带宽的制约，从而效率低下。2010 年，训练-个识别猫脸的深度学习神经网络使用 1.6 万个处理器运行了 7 天，而“阿尔法围棋则使用了更多的处理器。未来人工智能若想实现像人脑一样的千亿个神经元网络，则需要海量机器来完成。2016 年中国科学院计算技术研究所发布了寒武纪神经元芯片，用硬件直接“绘制”大脑的结构。它采用专门的硬件神经元，并将几百万个神经元连接在一-起，使每个神经元都能通过位数众多的路径向其他的神经元发送信息。实验表明，该芯片的速度是普通中央处理器(CPU)的 1000 倍。实践实践请同学们上网搜索目前研发成功的神经元芯片，填写表 5.2.3。智能传感器智能传感器 智能传感器是具有信息处理功能的传感器。智能传感器带有微处理机，具备采集、处理、交换信息等功能，是传感器集成化与微处理机相结合的产物。智能传感器属于人工智能的神经末梢，用于全面感知外界环境。各类传感器的大规模部署和应用为实现人工智能创造了不可或缺的条件，如智能隐形眼镜、葡萄糖手表等。未来，高敏度、高精度、高可靠性、微型化、集成化将成为智能传感器发展的重要趋势。实践实践 了解了这么多人工智能的知识，让我们设计一期“人工智能科普营”的展板吧!练习练习 人工智能已经从一个科幻小说式的探索领域，发展成一一个蓬勃发展的科技领域，同时也带来了新-轮的恐慌:人类是否会被人工智能取代?“人工智能科普营”正在举行一-场辩论赛:人类以后会被人工智能所取代吗?根据你的理解和掌握的资料给出你的观点。【拓展训练】【拓展训练】1、1、人工智能已经从一个科幻小说式的探索领域，发展成一个蓬勃发展的科技领域，同时也带来了新一轮的恐慌：人类是否会被人工智能取代？“人工智能科普营”正在举行一场辩论赛：人类以后会被人工智能所取代吗？根据你的理解和掌握的资料给出你的观点。2、2、参考答案：网站名称：答案不唯一，例如：一些电商网站。发现用户偏好；帮用户筛选；提高用户使用效率。网站体验优点分析：答案不唯一，只要合理即可。例如：提高用户使用效率，即合理高效的展现方式。【教学反思】