1、第2单元 编程计算第1单元 初识数据与计算第3单元 认识数据第4单元 计算与问题解决第5单元 数据分析与人工智能信息技术信息技术（必修（必修1 1）5.2 5.2 探秘人工智能探秘人工智能学习目标 了解人工智能技术的相关概念与应用领域。了解人工智能技术的相关概念与应用领域。了解人工智能技术发展的新趋势。了解人工智能技术发展的新趋势。认识人工智能在信息社会中的重要作用。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。了人
2、工智能飞奔的声音。本节我们将围绕本节我们将围绕“人工智能科普营人工智能科普营”项目揭开人工智能的项目揭开人工智能的“隐身衣隐身衣”，了解其核心技术及价值。，了解其核心技术及价值。新课导入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人工智能作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！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！任务一 认识人工智能 “阿尔法围棋阿尔法围棋”的横空出世激发了全社会研究的热情。恰逢学
3、校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，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。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，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，并完善下表。并完善下表。年份年份机器机器对战实录对战实录1996深蓝（Depp Blue）战胜国际象棋世界冠军加里卡斯帕罗夫(Garry Kasparov)2011沃森(IBM Waston)在综艺节目危险边缘中战胜了最高奖金得主和
4、连胜纪录保持者2016阿尔法围棋(AlphaGo)战胜世界围棋冠军李世石2017准星数学高考机器人(AI-MATHS)2017Aidam智能教育机器人2018 在在“深蓝深蓝”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“智能智能”主要体现在对海量的实战棋谱的启发式搜索上。主要体现在对海量的实战棋谱的启发式搜索上。探问最强大脑在单独的考场进行高考数学考试，考场内服务器切断外部网络连接，在公证机构和媒体的“监考”之下，仅凭自身的人工智能程序解题，通过打印机输出答案。高考机器人将在两个小时的考试时间内，同时作答
5、多份试卷。通过现场直播的方式与6名高考状元同台PK，分别解答2017年高考数学试题，完成包括客观题和主观题在内的整张试卷，并按照评分标准得出最终成绩。状元（Champion）AI机器人挑战高考作文，并击败了数位作家。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，这个过程就是问题，这个过程就是搜索。搜索。分类：分类：盲目搜索盲目搜索：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。：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。这种搜索一般适用于求解比较简单的问题。这种搜索一般适用于求解比较简单的问题。启发
6、式搜索启发式搜索：在搜索过程中加入估价函数等启发信息，不断自动调整搜：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。索方向，加速求解进程。启发式搜索在一个在一个3 3*3 3的方棋盘上放上的方棋盘上放上1 1，2 2，3 3，4 4，5 5，6 6，7 7，8 8八个数，每个数码占一格，八个数，每个数码占一格，且有一个空格，这些数码可以在棋盘上由初始局面向目标局面移动，其移动规则是：且有一个空格，这些数码可以在棋盘上由初始局面向目标局面移动，其移动规则是：与空格相邻的数码方格可以移入空格。与空格相邻的数码方格可以移入空格。寻找从初始局面到目标局面移动方案的过程就是一次
7、搜索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，搜控制策略不同，搜索到的解决方案移动的步数也各不相同。索到的解决方案移动的步数也各不相同。八数码问题 路径规划也是启发式搜索的一路径规划也是启发式搜索的一种典型应用，如卫星定位、无人驾驶种典型应用，如卫星定位、无人驾驶汽车等。汽车等。迷宫请设计一份迷宫图，并表述自己的启发式搜索方案，看看谁的方案既快又准。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。人工智能人工智能：利用数字计算机或者数字计算机控制的机器模拟、：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
8、获得最佳结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。果的理论、方法、技术及应用系统。分类：分类：弱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。现推理和解决问题。强人工智能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。的智能机器。人工智能自动驾驶、车牌识别及刷脸支付等，都是自动驾驶、车牌识别及刷脸支付等，都是人工智能技术在生活中不同的应用。人工智能技术在生活中不同的应用。人工智能的应用功能功能人工智能体现形
9、式人工智能体现形式儿童及病人陪伴儿童及病人陪伴健康伴侣机器人、聊天机器人、家政机器人、智能家居健康伴侣机器人、聊天机器人、家政机器人、智能家居搬家公司重体力劳动搬家公司重体力劳动搬家机器人、物流机器人搬家机器人、物流机器人环境测试环境测试虚拟现实、增强现实、混合现实虚拟现实、增强现实、混合现实自动驾驶自动驾驶工业制作工业制作无人机救援无人机救援智能终端智能终端水下机器人、特种极限机器人、矿业机器人VR一体机自动驾驶汽车焊接机器人、喷涂机器人、加工机器人无人直升机、无人飞艇智能手机、智能手表、智能手环 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。人工智能到底有哪些人工智能已快速地介
10、入我们的衣食住行，刷新了我们的生活方式。人工智能到底有哪些应用呢？应用呢？同学交流，完成同学交流，完成下下表表：人工智能的应用人工智能的应用 工作原理：首先在计算机中存放所有字词的读音，建立一个样本数据库，然后通过话筒将用工作原理：首先在计算机中存放所有字词的读音，建立一个样本数据库，然后通过话筒将用户说话的声音输入计算机；计算机将输入的声音和数据库中的所有声音样本逐一进行对照，找出户说话的声音输入计算机；计算机将输入的声音和数据库中的所有声音样本逐一进行对照，找出最接近的声音样本，最终确定输入的声音是哪些字或词。我们平时使用的拼音输入法，遇到同音最接近的声音样本，最终确定输入的声音是哪些字或
11、词。我们平时使用的拼音输入法，遇到同音字时，需要人工选择，而语音录入，可以根据上下文语义进行自主判断，自动选择。所以录入的字时，需要人工选择，而语音录入，可以根据上下文语义进行自主判断，自动选择。所以录入的速度非常快，但也有一定的错误速度非常快，但也有一定的错误。语音识别技术模式识别模式识别:专门研究如何使机器具有感知能力。如：手写识别，语音专门研究如何使机器具有感知能力。如：手写识别，语音识别识别,指纹识别、面像识别、签名识别、光学字符识别等指纹识别、面像识别、签名识别、光学字符识别等机器翻译机器翻译:在线翻译在线翻译 金山译霸金山译霸机器搏弈机器搏弈:五子棋五子棋 中国象棋、国际象棋中国象
12、棋、国际象棋专家系统：专家系统：疾病诊断专家系统疾病诊断专家系统 植物专家系统植物专家系统机器人：机器人：机器人服务员、导盲机器人机器人服务员、导盲机器人智能代理智能代理 如：信息服务、电子商务、软件中的人性化如：信息服务、电子商务、软件中的人性化“帮助帮助”任务二 揭秘智能算法 活动1 初探关键算法 那些具有那些具有“智慧智慧”的机器人能战胜人类，是因为它们的的机器人能战胜人类，是因为它们的“脑脑”中存储了大量的中存储了大量的优秀算法。优秀算法。“阿尔法围棋阿尔法围棋”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
13、习了三千万盘职业棋手的棋谱，再通过增强学习的神经网络，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奕，寻找比基础棋谱更多的打点来击败对手。方法自我博奕，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。的性能。实例：实例：飞机躲避导弹的小游戏飞机躲避导弹的小游戏飞机被导弹击中飞机被导弹击
14、中飞机可躲避导弹飞机可躲避导弹人工智能、机器学习、深度学习之间的关系：人工智能、机器学习、深度学习之间的关系：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，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，进行并行进行并行信息处理的算法模型。信息处理的算法模型。人工神经网络无须事先确定反映输入、输出之间映射关系的数学方程，它通过自身的训练，学人工神经网络无须事先确定反映输入、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。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
15、(back propagation)BP(back propagation)神经网络是目前应用最广泛的的算法，它是一种按照误差逆向传播算法神经网络是目前应用最广泛的的算法，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，结构如下图所示。训练的多层前馈神经网络，结构如下图所示。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
16、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。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。结合信息感知、信息表示与形成、智能推理、智能决结合信息感知、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键技术目前主要包括机器学习、知识图谱、自然
17、语言处机器学习、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增强现实等。等。人工智能领域的关键技术活动2 探寻强大后盾 在研究各类人工智能软件时，我们经常抱怨在研究各类人工智能软件时，我们经常抱怨“电脑太慢了！电脑太慢了！”“”“手机内存太小了，手机内存太小了，我们总会感觉机器性能跟不上软件需求。算法对硬件的依赖到底有多大？我们总会感觉机器性能跟不上软件需求。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，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，本质是计算。在一辆无人驾
18、驶汽车中，一一般大约有般大约有12TB12TB的数据，这些无人驾驶汽车的数据，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。高计算机处理速度，使计算机变得更智能。神经元芯片 神经元芯片神经元芯片是一个带有多个处理器、读写是一个带有多个处理器、读写/只读存储器（只读存储器（RAMRAM和和ROMROM）以及通信和）以及通信和I/OI/O接口的单芯片系统。接口的单芯片系统。20162016年中国科学院计算技术研究所发布了寒武纪神经年中国科学院计算技
19、术研究所发布了寒武纪神经元芯片，用硬件直接绘制元芯片，用硬件直接绘制”大脑的结构。它采用专门的大脑的结构。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。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实验表明，该芯片的速度是普通中央处理器(CPU)(CPU)的的10001000倍。倍。公司名称公司名称神经元芯片的名称神经元芯片的名称特点特点英特尔Loihi整个芯片上共有超过13 万个神经元和1.3 亿个突触连接，能够根据环境变化即时编程，进
20、行“自学习”IBMTrueNorth可以实时模拟大脑处理信息的过程纳沛斯半导体公司NM500训练和学习智能传感器 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。机相结合的产物。智能传感器属千人工智能的神经末梢，用千全面感知外界环境。智能传感器属千人工智能的神经末梢，用千全面感知外界环境。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
21、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。靠性、微型化、集成化将成为智能传感器发展的重要趋势。拓展知识拓展知识 20172017年年7 7月月2020日，国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知日，国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知(国发国发2017)352017)35号号)中明确了新一代人工智能的基础理论体系。中明确了新一代人工智能的基础理论体系。1.1.大数据智能理论。大数据智能理论。2.2.跨媒体感知计算理论。跨媒体感知计算理论。3.3.混合增强智能理论。混合增强智能理论。4.4.群体智能理论。群体智能理论。5.5.自主协同控制与优化决策理论。自主协同控制与优化决策理论。6.6.高级机器学习理论。高级机器学习理论。7.7.类脑智能计算理论。类脑智能计算理论。8.8.量子智能计算理论。量子智能计算理论。课堂小结课堂小结探秘人工智能探秘人工智能认识人工智能认识人工智能揭秘智能算法揭秘智能算法启发式搜索启发式搜索人工智能人工智能分类分类应用应用机器学习机器学习智能传感器智能传感器神经网络神经网络神经元芯片神经元芯片
