4.2利用智能工具解決問題教學(xué)設(shè)計(jì)人教-中圖版高中信息技術(shù)必修1

第4章走進(jìn)智能時(shí)代4.2利用智能工具解決問題教學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)背景信息科技是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的重要部分，主要研究以數(shù)字形式表達(dá)的信息及其應(yīng)用中的科學(xué)原理、思維方法、處理過程和工程實(shí)現(xiàn)。當(dāng)代高速發(fā)展的信息科技對(duì)全球經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和文化發(fā)展起著越來越重要的作用。義務(wù)教育信息科技課程具有基礎(chǔ)性、實(shí)踐性和綜合性，為高中階段信息技術(shù)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。信息科技課程旨在培養(yǎng)科學(xué)精神和科技倫理，提升自主可控意識(shí)，培育社會(huì)主義核心價(jià)值觀，樹立總體國家安全觀，提升數(shù)字素養(yǎng)與技能。教材分析本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容選自人教/地圖出版社第4章走進(jìn)智能時(shí)代4.2利用智能工具解決問題，信息技術(shù)的發(fā)展與普及為我們創(chuàng)造了一個(gè)全新的數(shù)字化生活環(huán)境。它們?cè)诮o我們帶來生活便利的同時(shí)，也在逐漸地改變著我們的生活方式。在2018年的上?？萍疾┯[會(huì)上，有一位聲音甜美、行動(dòng)自如的機(jī)器人“小i”，受到了人們的關(guān)注?！澳銜?huì)唱歌嗎？”“可不可以給我講個(gè)笑話？”“明天的天氣怎么樣？”人們爭(zhēng)搶著和這個(gè)可愛的機(jī)器人對(duì)話。小i不僅逐一回答了它所“聽”到的每一個(gè)問題，還不時(shí)地用一個(gè)個(gè)笑話、萌勁十足的表情，以及語氣逗樂了現(xiàn)場(chǎng)的觀眾。其實(shí)，它是我國一家智能科技公司開發(fā)的一款具有自我學(xué)習(xí)能力的實(shí)體機(jī)器人。該科技公司在自然語言處理、語義分析和理解、知識(shí)工程和智能大數(shù)據(jù)等方面走在了世界前列，它研發(fā)的相關(guān)智能技術(shù)已經(jīng)在我國的金融、醫(yī)療、交通等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。同學(xué)們，想想還有哪些人工智能技術(shù)就在我們的生活中？它有哪些奇妙之處？又如何影響著我們的生活？現(xiàn)在，就讓我們一起走進(jìn)這神奇的人工智能artificialintelligence，簡(jiǎn)稱AI）世界吧！本章我們將以“智能交互益拓展”為主題開展項(xiàng)目活動(dòng)，體驗(yàn)人工智能對(duì)日常生活的影響，了解人工智能的關(guān)鍵技術(shù)，認(rèn)識(shí)人工智能在信息社會(huì)中的重要作用。學(xué)情分析此節(jié)課針對(duì)的對(duì)象是高一年級(jí)的學(xué)生，學(xué)生對(duì)信息技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)以及信息技術(shù)對(duì)生活與學(xué)習(xí)的影響有一定的了解，但對(duì)所學(xué)內(nèi)容只是體驗(yàn)性和經(jīng)驗(yàn)性的認(rèn)識(shí)。依據(jù)解決問題的需要，設(shè)計(jì)和描述簡(jiǎn)單算法;利用程序設(shè)計(jì)語言實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單算法，解決實(shí)際問題。教學(xué)目標(biāo)1.了解人工智能平臺(tái)中的智能工具，體會(huì)人工智能對(duì)我們生活的影響。2.經(jīng)歷使用智能工具解決問題的過程，掌握利用智能工具解決問題的一般方法。教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn):體驗(yàn)常見的人工智能技術(shù)，體會(huì)其背后的人工智能原理，感受人工智能的魅力。難點(diǎn):理解典型案例中人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)的原理。教學(xué)方法與教學(xué)手段案例分析法、講授法、任務(wù)驅(qū)動(dòng)法。教學(xué)過程問題導(dǎo)入提出問題，引發(fā)思考：體驗(yàn)探索北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（圖4.2.1）是我國著眼于國家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)的國家重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)安全可信、高效便捷的國家綜合體系的核心，在人工智能等影響未來產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略格局的前沿領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。思考：查閱相關(guān)資料，討論北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與人工智能技術(shù)結(jié)合是如何改變我們的生活的。人工智能平臺(tái)中的智能工具隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能工具層出不窮，使用起來也越來越方便。2017年，我國發(fā)布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，明確了構(gòu)建開放協(xié)同的人工智能科技創(chuàng)新體系，建設(shè)安全便捷的智能社會(huì)，構(gòu)建安全高效的智能化基礎(chǔ)設(shè)施體系，加強(qiáng)人工智能領(lǐng)域的軍民融合，培育高端高效的智能經(jīng)濟(jì)，前瞻布局新一代人工智能重大科技項(xiàng)目六大任務(wù)。此后，2018年國家公布了新一代人工智能開放創(chuàng)新平臺(tái)，包括自動(dòng)駕駛、城市大腦、醫(yī)療影像、智能語音和智能視覺五大方面。這些平臺(tái)選擇大數(shù)據(jù)智能、跨媒體智能、群體智能、混合增強(qiáng)智能和自主智能系統(tǒng)等主力方向，從基礎(chǔ)理論、支撐體系、關(guān)鍵技術(shù)、創(chuàng)新應(yīng)用等層面進(jìn)行系統(tǒng)性、前瞻性任務(wù)布局。這些開放創(chuàng)新平臺(tái)已經(jīng)發(fā)布了一些研發(fā)成果，登錄這些人工智能平臺(tái)，使用其中的智能工具能夠幫助我們解決很多問題，如圖4.2.2（參見教材P141）所示。實(shí)踐活動(dòng)利用人工智能平臺(tái)體驗(yàn)人臉識(shí)別一些人工智能平臺(tái)提供了開放的智能工具服務(wù)功能，例如：文字識(shí)別、語音識(shí)別和人臉識(shí)別等。嘗試搜索這些平臺(tái)，利用其中的“人臉會(huì)場(chǎng)簽到”功能解決實(shí)際問題。在組織班會(huì)活動(dòng)中，同學(xué)們可體驗(yàn)一下“人臉會(huì)場(chǎng)簽到”。1.會(huì)議準(zhǔn)備：注冊(cè)人工智能平臺(tái)賬號(hào)，使用“人臉會(huì)場(chǎng)簽到”工具，收集參會(huì)人員的相關(guān)信息。2.會(huì)議現(xiàn)場(chǎng)：參會(huì)人員通過數(shù)字設(shè)備進(jìn)行人臉簽到。3.會(huì)后信息處理：會(huì)后將參會(huì)信息進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，并將信息保存。觀察用照片簽到能否成功，討論人臉簽到相比其他簽到方式的優(yōu)勢(shì)與不足。此外，說出人臉識(shí)別還有哪些應(yīng)用場(chǎng)景。編程開發(fā)智能工具用智能工具解決問題時(shí)，除了使用智能平臺(tái)上已經(jīng)設(shè)計(jì)好的智能工具以外，還可以編程自主開發(fā)，這樣可以提高智能工具的靈活性。目前可以開發(fā)人工智能的高級(jí)語言比較多，我們前面學(xué)習(xí)過的Python語言也可以用于開發(fā)人工智能。使用Python語言開發(fā)人工智能有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：多平臺(tái)運(yùn)行，可以在macOS、Windows、Linux等操作系統(tǒng)上運(yùn)行；強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理庫，包括NumPy、SciPy、Pandas、Matplotlib等；豐富的第三方庫，包括Web開發(fā)、爬蟲、數(shù)據(jù)庫、機(jī)器學(xué)習(xí)、科學(xué)計(jì)算框架、圖形界面開發(fā)等。通過Python語言調(diào)用人工智能工具庫可以較方便地開發(fā)智能工具。但是，人工智能工具在開發(fā)與使用過程中，通常需要進(jìn)行較長時(shí)間的、大量數(shù)據(jù)的前期訓(xùn)練，這給學(xué)習(xí)體驗(yàn)智能工具帶來了一定困難。在此，我們利用Python語言調(diào)用ChatterBot庫和ChatterBotCorpus庫來簡(jiǎn)單體驗(yàn)一下編程開發(fā)智能工具的方法。ChatterBot庫是一個(gè)基于機(jī)器學(xué)習(xí)的對(duì)話機(jī)器人引擎，構(gòu)建在Python語言上，也是Python語言的一個(gè)庫。ChatterBotCorpus庫是一個(gè)機(jī)器可讀的多語言對(duì)話語料庫，它主要用于快速訓(xùn)練ChatterBot以響應(yīng)不同語言的輸入。例：編程開發(fā)“對(duì)話機(jī)器人”（1）安裝ChatterBot庫安裝ChatterBot庫的命令為pipinstallchatterbot.如果在操作系統(tǒng)的path中設(shè)置了Python所在的路徑，則可以在命令行窗口直接執(zhí)行上述命令。否則需要在path中添加Python的路徑，或者查找到Python的安裝路徑并進(jìn)入到scripts文件夾中，才能運(yùn)行pip命令。具體的安裝方法可參考資源平臺(tái)提供的說明。（2）安裝ChatterBotCorpus庫安裝chatterbot_corpus庫的命令為pipinstallchatterbot_corpus。具體的安裝方法可參考資源平臺(tái)提供的說明。（3）編程創(chuàng)建自己的“對(duì)話機(jī)器人”#導(dǎo)入庫文件fromchatterbotimportChatBotfromchatterbot.trainersimportChatterBotCorpusTrainerimportos#創(chuàng)建一個(gè)ChatBot人工智能框架bot=ChatBot("Candice")#使用語料庫數(shù)據(jù)訓(xùn)練trainer=ChatterBotCorpusTrainer(bot)#在英文訓(xùn)練數(shù)據(jù)上訓(xùn)練trainer.train("chatterbot.corpus.english")#對(duì)話規(guī)則whileTrue:message=input("\t\t\tYou:")ifmessage.strip()!="Bye":reply=bot.get_response(message)print("Candice:",reply)ifmessage.strip()=="Bye":print("Candice:Bye")break保存文件并命名為chat.py，其中的“Candice”是我們給對(duì)話機(jī)器人起的名字。默認(rèn)情況下，ChatterBot庫將創(chuàng)建一個(gè)SQLite數(shù)據(jù)庫來存放一些對(duì)話語句。這樣，一個(gè)對(duì)話機(jī)器人就已經(jīng)創(chuàng)建好了。運(yùn)行該程序，嘗試與它進(jìn)行簡(jiǎn)單的對(duì)話。需要注意的是，該程序的運(yùn)行是基于語言數(shù)據(jù)集的，使用了庫文件中自帶的英文數(shù)據(jù)集，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行訓(xùn)練。如果要進(jìn)行中文對(duì)話，則需要將語言數(shù)據(jù)集改為中文數(shù)據(jù)集，上面程序中數(shù)據(jù)集部分要更改為：#在中文訓(xùn)練數(shù)據(jù)上訓(xùn)練trainer.train("chatterbot.corpus.chinese")實(shí)踐活動(dòng)嘗試訓(xùn)練“對(duì)話機(jī)器人”你可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)我們編程創(chuàng)建的“對(duì)話機(jī)器人”的對(duì)話效果不是很令人滿意，這就需要對(duì)機(jī)器人進(jìn)行更多的訓(xùn)練，事實(shí)上我們自己也可以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行訓(xùn)練。簡(jiǎn)單的訓(xùn)練程序代碼如下：#導(dǎo)入庫文件fromchatterbotimportChatBotfromchatterbot.trainersimportListTrainerbot=ChatBot("Candice")#使用列表數(shù)據(jù)訓(xùn)練trainer=ListTrainer(bot)#開始訓(xùn)練trainer.train(["Whatisyourname?","MynameisCandice"])trainer.train(["Whoareyou?","Iamabot"])#對(duì)話規(guī)則whileTrue:message=input("\t\t\tYou:")ifmessage.strip()!="Bye":reply=bot.get_response(message)print("Candice:",reply)ifmessage.strip()=="Bye":print("Candice:Bye")break現(xiàn)在機(jī)器人已經(jīng)接受了2條語句的訓(xùn)練。當(dāng)你問機(jī)器人“Whatisyourname?”時(shí)，它會(huì)以“MynameisCandice”答復(fù)；當(dāng)你問機(jī)器人“Whoareyou?”時(shí)，它會(huì)以“Iamabot”答復(fù)。你還可以對(duì)其進(jìn)行多個(gè)語句的訓(xùn)練，例如：trainer.train(["Doyouknowme?","Yes","No","Noidea"])當(dāng)然我們很難針對(duì)每個(gè)語句都進(jìn)行訓(xùn)練。我們可以利用前面使用的大型數(shù)據(jù)集ChatterBotCorpusTrainer來實(shí)現(xiàn)。1.思考“對(duì)話機(jī)器人”的回答與你希望得到的回答有何不同，簡(jiǎn)要分析出現(xiàn)問題的原因。2.查詢相關(guān)資料，了解還有哪些訓(xùn)練“對(duì)話機(jī)器人”的方法。技術(shù)支持Python語言第三方庫的功能Python語言具有快速、可移植、開源、可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，深受人們的歡迎，特別是其眾多的人工智能庫，使得編寫人工智能工具變得非常方便。目前，Python語言已成為人工智能程序設(shè)計(jì)的重要編程語言。了解Python語言第三方庫的功能有助于我們進(jìn)一步學(xué)習(xí)。1.Web開發(fā)Django：是一個(gè)高效的Web開發(fā)框架。使用Django能夠快速、便捷地構(gòu)建和維護(hù)高質(zhì)量的Web應(yīng)用。Tornado：是一種Web服務(wù)器軟件的開源版本。Flask：是一個(gè)使用Python語言編寫的輕量級(jí)Web應(yīng)用框架。2.爬蟲Requests：是一個(gè)很實(shí)用的客戶端庫，編寫網(wǎng)絡(luò)爬蟲和測(cè)試服務(wù)器響應(yīng)數(shù)據(jù)時(shí)經(jīng)常會(huì)用到它。Scrapy：是一個(gè)為了爬取網(wǎng)站數(shù)據(jù)，提取結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)而編寫的應(yīng)用框架。Selenium：是一個(gè)用于Web應(yīng)用程序測(cè)試的工具，運(yùn)行在瀏覽器中，可模擬人的動(dòng)作自動(dòng)進(jìn)行瀏覽操作。3.數(shù)據(jù)庫PyMongo：用于連接MongoDB數(shù)據(jù)庫PyMySQL：用于連接MySQL數(shù)據(jù)庫。4.機(jī)器學(xué)習(xí)NLTK：是一個(gè)比較優(yōu)秀的自然語言處理工具包，是對(duì)話機(jī)器人需要的重要工具。Keras：是一個(gè)高層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用程序編程接口。scikitlearn：是一個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)庫，其中包含大量機(jī)器學(xué)習(xí)算法和數(shù)據(jù)集，是方便的數(shù)據(jù)挖掘工具。5.圖形界面開發(fā)PyQt：是一個(gè)創(chuàng)建圖形用戶界面（GUI）的工具包。項(xiàng)目實(shí)施開發(fā)“智能班級(jí)交互系統(tǒng)”一、項(xiàng)目活動(dòng)借助智能平臺(tái)上的智能工具和班級(jí)微信公眾號(hào)，開發(fā)“智能班級(jí)交互系統(tǒng)”，利用這個(gè)系統(tǒng)答疑解惑。1.在開放的智能平臺(tái)上注冊(cè)賬號(hào)。2.對(duì)接微信公眾號(hào)和智能平臺(tái)，如圖4.2.3（參見教材P145）所示，開發(fā)“智能班級(jí)交互系統(tǒng)”。3.使用“智能班級(jí)交互系統(tǒng)”，體驗(yàn)人機(jī)對(duì)話的過程。二、項(xiàng)目檢查完成開放智能平臺(tái)上賬號(hào)的注冊(cè)，實(shí)現(xiàn)微信公眾號(hào)和智能平臺(tái)對(duì)接，利用“智能班級(jí)交互系統(tǒng)”實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。課后作業(yè)練習(xí)提升1.詩歌是人類文學(xué)皇冠上的明珠，深度學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展讓機(jī)器自動(dòng)生成詩歌成為可能。查找相關(guān)智能應(yīng)用程序，體驗(yàn)機(jī)器作詩，分析機(jī)器是如