5.1 人工智能的产生与发展（教学课件）-【上好课】高中信息技术必修1数据与计算同步高效课堂（浙教版2019）

浙教版（2019) 必修1 数据与计算 5.1人工智能的产生与发展 1 学习目标 1.理解人工智能的概念，能结合实例辨别人工智能技术。 （学科核心素养：信息意识） 2．了解人工智能产生及其发展历史，能初步辩证地看待人工智能的发展。（学科核心素养：信息意识、计算思维、数字化学习与创新） 2 新课导入 观看视频：人工智能 3 新课导入 思考：同学们，在生活中你还在哪些方面使用过人工智能？ 近年来，人工智能已经深刻而广泛地影响着人们的生活。从刷脸支付到交通出行预测，从扫地机器人到无人驾驶飞机，从“深蓝”到AlphaGo，都渗透着人工智能的创新应用。人们依靠智能导航出行，通过语音与机器互动，应用智能工具搜索知识信息……已自觉或不自觉地处于人工智能的环境中。 4 任务探究 任务一：人工智能的概念 1.探究什么是人工智能 以小组为单位，结合课本及网络资源，讨论交流什么是人工智能，并进行班级分享。 所谓人工智能，是指以机器（计算机）为载体，模仿、延伸和扩展人类智能，其与人类或其他动物所呈现的生物智能有着重要区别。 5 任务探究 任务一：人工智能的概念 2.以小组为单位讨论交流并总结归纳人工智能产生的背景是什么？ 人工智能产生的背景 1.随着社会的发展，人类面临着越来越多复杂的问题，如大规模数据分析、复杂系统的控制与优化等。 2.工业革命以来，人类一直在寻求提高生产效率的方法。人工智能技术可以实现自动化生产、智能物流、智能管理等，从而大大提高生产效率和质量。 3.计算机技术的发展：计算机的出现和快速发展为人工智能的产生提供了物质基础。 4.数学和统计学的发展：数学和统计学是人工智能的重要理论基础。 5.控制论和信息论的发展：控制论和信息论为人工智能的发展提供了理论指导。 6.认知科学是研究人类认知过程和智能本质的学科。神经科学的发展以及哲学和心理学的发展。 总之，人工智能的产生是社会需求、技术发展和科学研究共同作用的结果。随着这些因素的不断发展和进步，人工智能技术也将不断发展和完善，为人类社会带来更多的创新和变革。 6 任务探究 任务一：人工智能的概念 3.小组为单位结合课本和数字化资源，总结归纳人工智能涉及的学科。 从技术层面来看，人工智能是通过算法和模型，使计算机系统能够处理和分析大量的数据，从中学习规律和模式，并做出决策、预测和行动。它涵盖了多个学科领域，包括计算机科学、数学、统计学、逻辑学、心理学等。 人工智能作为一门多学科广泛交叉的前沿科学，不仅涉及计算机科学，还涉及控制科学、认知科学、心理科学、脑及神经科学、生命科学、语言学、逻辑学、行为科学、教育科学、数理科学等众多学科领域，其学科结构如图： 7 任务探究 任务一：人工智能的概念 4.结合课本自主总结归纳形成人工智能的三种主要方法，并填写下表。 形成人工智能的三种主要方法 符号主义（Symbolicism），又称逻辑主义、心理学派或计算机学派，认为学习或者其他的智能特征原则上均可以被符号精确地描述，从而被机器仿真。因此，在符号主义人工智能中，智能行为就是对符号的推理和运算。 联结主义（Connectionism），又称仿生学派或生理学派，通过模仿人类大脑中神经元之间的复杂交互来进行认知推理。在这种方法中，需要从海量数据出发，学习神经网络中成千上万的神经元之间的关联关系，这些关联关系通过神经元之间的链接权重来刻画。 行为主义（Actionism），又称进化主义或控制论学派，这一方法从“交互—反馈”角度来刻画智能行为，认为智能体可以在与环境的交互中不断学习，从而提升自己的智能水平。 8 任务探究 任务一：人工智能的概念 5.自主思考列举通过机器为载体所实现的人工智能与人类智能的不同之处。 机器实现的人工智能与人类智能有很多不同。人类智能具有主观性、情感性和创造性，能在复杂情境中产生独特感悟。而人工智能基于数据和算法，缺乏情感体验。人类智能在面对新问题时可凭借直觉和灵感，人工智能则需大量数据训练。人类能综合多方面因素进行模糊判断，人工智能的判断较为精确但相对局限。此外，人类智能的学习具有自主性和主动性，人工智能的学习是被动按照程序设定进行，缺乏真正的自我意识和自主探索能力。 9 任务探究 任务二：了解人工智能的发展历程 1.了解人工智能发展历程 1.早在19世纪中期，科学家就萌发了让机器进行自动计算的思想， 2.20世纪初，人们发现有许多问题经过长期研究，仍然找不到有效的算法。 3.20世纪30年代，三种计算机制相继被提出，它们分别是原始递归函数、lambda演算和图灵机。已经证明，这三种计算机制在性能上是等效的。由于图灵机可以通过最简单、最基本和最确定的方法，一步一步机械地完成计算任务。图灵机成了现代计算机的理论模型。 发明人阿兰·图灵也被誉为“现代计算机理论之父”； 计算机界的最高奖“图灵奖”就是用其名字来冠名的。 10 任务探究 任务二：了解人工智能的发展历程 1.了解人工智能发展历程 4.人工智能的诞生期（20 世纪 50 年代 - 60 年代）：1956年，这个研讨会在美国达特茅斯学院如期召开，这标志着人工智能作为一门新兴学科正式诞生。 5.人工智能的挫折期（20 世纪 70 年代 - 80 年代）：以符号主义表达与推理为代表的人工智能， 在这种方法中，知识的精确化编码是阻碍符号主义人工智能发展的一个瓶颈问题。 6.人工智能的发展期（20 世纪 90 年代 - 21 世纪初）：. 数据驱动的人工智能方法， 在这一方面，深度学习成为数据驱动人工智能方法的佼佼者。深度学习是一种 对原始数据所蕴含的特征模式进行学习的算法模型。 7.人工智能的繁荣期（21 世纪至今）：介绍人工智能在当今社会的广泛应用， 如语音识别、图像识别、自然语言处理等。 11 任务探究 任务二：了解人工智能的发展历程 2.AlphaGo击败了围棋世界冠军，请同学们讨论：是否可以将AlphaGo的算法直接应用于现实世界中复杂的战场博弈？ AlphaGo 的算法不能直接应用于现实世界中的战场博弈。 （1）围棋的规则明确、环境相对封闭，而战场情况复杂多变，充满不确定性。战场上有政治、经济、文化等多种因素交织，且信息不完整、不准确，甚至存在虚假信息，与围棋清晰的局面完全不同。 （2）战场决策的后果极其严重，关乎生命和国家命运，不能像围棋决策那样可以多次尝试。 （3）战场博弈还涉及伦理道德问题，需遵守国际法和人道主义原则，这是 AlphaGo 算法不具备的。 （4）战场上的对手行为难以预测，对手会采取各种灵活策略甚至违反常规。而围棋对手行为模式相对可预测。 12 任务探究 任务三：体验Tensorflow Playground平台 1.了解神经网络的基本构造 登录Tensorflow Playground网站，如图5.1.4所示，该平台包含了数据、网络结构、训练控制以及输出效果四大块内容。 13 任务探究 任务三：体验Tensorflow Playground平台 1.了解神经网络的基本构造 根据课本169-170页的实验步骤进行实验。完成上述实践任务，呈现结果并思考以下问题。 1.针对“训练数据”中的第一类数据，如果构造其他“输入特征”进行训练能否得到相同的效果？ 答：训练结果不同。 14 任务探究 任务三：体验Tensorflow Playground平台 1.了解神经网络的基本构造 2.修改如图5.1.6所示的第二类数据分类网络中的网络结构，分析不同网络结构对分类性能造成的影响。 答：不同网络结构对分类性能影响各异。浅层网络计算简单但表达能力有限；深层网络能学习复杂特征但易过拟合。全连接网络对全局信息建模但参数多；卷积网络适合处理图像等数据；循环网络擅长序列数据处理。激活函数不同也有影响。 15 任务探究 任务三：体验Tensorflow Playground平台 1.了解神经网络的基本构造 3.使用不同的训练速率，如将“训练速率”修改为3或0.003，然后重新训练网络，得到的训练结果以及训练过程所需要的轮数是否相同？ 答：当使用不同的训练速率如 3 和 0.003 时，得到的训练结果以及训练过程所需要的轮数通常是不同的。如果训练速率为 3，可能在训练初期快速更新权重，但容易导致权重更新幅度过大，可能使训练过程不稳定，难以收敛到较好的结果，且可能需要较少的训练轮数就因为剧烈波动而无法继续有效训练。如果训练速率为 0.003，权重更新相对缓慢，训练过程会更加稳定，可能需要更多的训练轮数才能达到较好的结果。 16 任务探究 任务三：体验Tensorflow Playground平台 1.了解神经网络的基本构造 4.综合上述影响神经网络分类性能的因素，尝试构造出能够解决“训练数据”中第四类数据分类的神经网络。 答案：对于无法用简单直线或圆形区域分类的第四类数据，可以构造深度卷积神经网络。通过多个卷积层自动学习复杂特征，如纹理、形状组合等。引入池化层降低维度并提取主要特征，再连接全连接层进行分类。也可考虑深度残差网络，利用残差连接缓解梯度消失问题，以更深的网络结构应对复杂数据。还能结合生成对抗网络，通过生成器和判别器学习更具区分性的特征，并进行数据增强。同时，引入注意力机制，让网络聚焦关键部分，提高分类准确性。 17 任务探究 任务四：辩证看待人工智能 2.思考：人工智能给人带来便利的同时，可能会带来的问题？ 答：人工智能在给人们带来便利的同时，也可能带来一些问题。一方面，可能导致大量工作岗位被替代，尤其是那些重复性、规律性强的工作，使得许多人面临失业风险。另一方面，人工智能对数据的高度依赖可能引发隐私泄露问题，大量个人信息在被收集和分析的过程中，若安全措施不到位，很容易被不法分子利用。此外，人工智能的决策过程可能存在不透明性，一旦出现错误决策，可能带来严重后果，且难以追溯和纠正其错误根源。 18 课堂练习 1.人工智能的概念正式提出是在（ ）。 A. 1950 年 B. 1956 年 C. 1982 年 D. 1996 年 答案：B。 解析：1956 年达特茅斯会议上正式提出了人工智能的概念。 19 课堂练习 2.人工智能的核心目标是让计算机具备（ ）。 A. 人类的外貌 B. 人类的情感 C. 人类的智能行为 D. 人类的体力 答案：C。 解析：人工智能是指让计算机模拟人类的智能行为，以实现特定任务。 20 课堂小结 1.学生思考并总结分享本节课收获，各同学之间互相补充。 2.教师出示本节课思维导图，回顾本节课所学知识，本节课思维导图如下： 21 作业布置 1.完成分层作业。 2.思考人工智能未来发展可能带来的问题，并提出自己的解决方案。 22 THANKS 谢谢大家 $$