人工智能通识讲义

撰写初衷
目前，新一代人工智能（AI）技术处于爆发期之后的深化期，各行业都需要大量的具备AI技术素养的专业人才，人们的日常生活已经和AI息息相关，几乎每天都会和它打交道。与其他技术显著不同的是，AI会通过“学习”帮我们做出偏好选择和决定，一些不良的AI程序还在尝试收集我们的隐私，如果对它一无所知是非常可怕的。具备一些认知和鉴别AI的信息意识、了解代表性AI技术原理与实现的计算思维、掌握简单的AI案例的数字化实现手段、识别生活中AI技术的两面性、肩负起构建和谐信息社会的责任，应该成为青少年的基本信息素养。因此，人工智能教育不应局限于高等教育，相关科技的了解和普及教育应该从青少年开始。
随着人工智能应用的遍地开花，我国已将人工智能作为赢得全球科技竞争主动权的重要战略抓手，不断进行深化研究，近年来我国人工智能原创优秀成果以及与传统文化结合而产生的交叉研究成果也在不断涌现，并成为我们国家科技飞速发展的一个重要标志。因此，我们迫切需要有更多面向青少年的人工智能书籍，在传播知识的同时能够帮助他们建立文化自信、培养家国情怀、激发工匠精神，为未来培养更多人工智能应用和国家建设科技强国的生力军。
本书特色
本书定位为面向青少年的AI知识科普读物和入门教材，书中并未详细介绍人工智能的学术体系，而是希望通过案例来激发学习AI的好奇心和同理心，将内容聚焦到语音、视觉、生活中的AI和AI伦理四方面，也是日常生活中接触使用多、迫切需要去了解。本书立足于青少年学生能读懂、有关科任教师能讲透、案例易于上手实践和理解，再根据趣味性、科学性、知识性和实践性来组织各章节内容。
主要特点如下：
（1）本书采用图文并茂的写作方式，没有大段公式和大篇幅理论知识论述，符合目标群体认知特点。
（2）本书仅介绍了人工智能专业的必要概念，避免了概念过多且难以理解对读者群体造成困惑。
（3）全书内容不需要读者具备线性代数和概率论等专业知识，专业术语也经过反复斟酌，尽量用浅显、通俗的语言来解释。
（4）本书采用固定体例的方式，包括学习启航、知识讲堂、拓展阅读、活动实践、课后练习等栏目，符合教师的教学和青少年的阅读习惯。
（5）本书强调理论与实践相结合，精心筛选和设计了数十个难度不同的实践案例，可以供不同读者灵活选用，多数案例可扫描二维码观看操作视频。
（6）本书多处探讨了AI可能带来的隐私泄露、技术滥用等问题，还特别设置了人工智能伦理章节，以增强青少年对AI的思辨能力和信息安全意识。
（7）书中对一些知识点做了适当延伸，如鸟类识别、深度学习等，与其他内容是一个有机的整体，如果完整地学下来并不难理解。
（8）本书特别设计了人工智能与文学、艺术等交叉的新兴内容，能向读者有效传递文化自信，提升读者全方位素养。
本书使用
本书按照单元和章节的方式进行组织，单元内部各章节的内容有序而又独立，形成章节内部的逻辑主线。本书的结构体系侧重于面向问题而不是知识点，每个章节从AI应用中的具体话题引出，同一个单元的章节之间又前后呼应。作为科普读物，读者既可以通篇阅读，也可以按照章节独立阅读。教师作为教学参考书时，既可以按顺序使用，也可以根据教学需要选择不同单元的内容。
本书中的实践案例以及思考讨论题目有助于学习和掌握相关知识，还可以通过扫描二维码观看主要实践案例的操作视频，大部分章节都有思考或练习题，教师可根据需要选用或拓展。本书涉及的编程软件，读者可以按需下载和配置使用，少量案例需要额外的硬件支持，一般性的学习可跳过，这不影响书籍阅读的整体性。如作为职业院校的教材或期望掌握AI编程技术的同学使用，建议多尝试基于Python编程的案例。
编写团队
本书的编写团队包括人工智能领域专家、专业研究学者、教研人员、一线中学骨干教师、职业院校科任教师、专业科普人员和技术开发人员等。领域专家熟悉人工智能的历史脉络及学科知识体系，确保知识内容的科学性及严谨性。教研人员了解代表性青少年群体的信息科技知识水平、兴趣点及迫切需要了解的内容。中学和职业院校教师具有丰富的教学经验，了解青少年的认知水平和认知习惯，了解其基础知识体系构成，使得书籍行文充分符合青少年教材和参考书的特点。专业科普人员则熟悉教学和科普的差异，对知识点的讲解和呈现形式做了专门的设计。技术开发人员根据操作简便的原则专门开发了配套的软件，并对编程案例设计进行了测试和优化。
本书配套资源和获取方式
本书配有大量多媒体资源，如微课视频、实践活动所需各类素材（图像素材原文件、代码、活动案例网站地址、音频文件，部分插图的彩色图像文件）。音视频资源可在正文中扫描二维码获得，其他资源可扫描封底二维码获取电子资源包。
本书中的Python编程实例推荐使用Anaconda和PyCharm软件环境，安装和配置流程详见电子资源包中的说明文档或扫描附录中的二维码观看视频。
特别致谢
感谢北京市教育科学研究院基础教育教学研究中心、北京市东城区教育科学研究院、北京建筑大学、北京工商大学等单位在本书撰写过程给予的大力支持与指导。感谢北京市大兴区

本书是面向青少年的人工智能科普书和入门读物，立足于趣味性、科学性、知识性和实践性，尽量避免晦涩专业术语对阅读流畅性的影响。书中还包含数十个精心筛选的实践案例，可根据读者需要灵活选用。
全书共5 个单元、14章，从人工智能的发展简史讲起，以语音、图像、生活中的典型场景及伦理问题为主要知识载体，聚焦问题，深入浅出地引出人工智能的基本思想、主要原理、知识概念、典型应用实践等。
本书可作为青少年课外科普读物和中学信息技术等学科的辅助教材、职业院校的专业教材和本科阶段的通识教育教材，还可作为相关培训教材和科学素质提升读本。

前言

第1单元 导论

第1章 走进人工智能2
一、人工智能的由来2
二、真假难辨的人工智能4
三、遍地开花的人工智能5
四、保持反思9
课后练习 10
第2单元 语音处理与识别

第2章 声音的秘密——声音的本质12
一、声音的记录与保存12
二、声音的数字化13
三、声音的采样与存储16
四、声音的存储与编码压缩18
课后练习 20
第3章 倾听世界——语音识别21
一、语音识别的起源22
二、语音识别的原理24
三、语音识别的过程25
四、声音识别的应用29
课后练习 42
第4章 此音非彼音——语音合成43
一、语音合成技术与应用43
二、语音合成的实践47
三、机器合成语音的过程48
课后练习 51
第5章 你来我往——语音交互52
一、常见的语音交互53
二、语音交互的工作过程53
三、自然语言处理54
四、语音交互的实践56
课后练习 61

第3单元 图像处理与识别

第6章 精雕细琢——图像预处理64
一、数字图像基本知识65
二、图像预处理的原理70
三、常见的图像预处理方法72
课后练习 82
第7章 不是魔术——卷积与卷积
神经网络83
一、滤镜与卷积 84
二、图像的卷积85
三、卷积实现图像的边缘检测 91
四、人工神经网络及训练92
五、卷积神经网络98
课后练习 102
第8章 泾渭分明——图像分割103
一、抠图与图像分割 103
二、图像阈值分割105
三、交互式图像分割109
四、超像素图像分割112
五、图像数据标记与数据集113
课后练习 115
第9章 慧眼识珠——图像识别117
一、图像识别与理解117
二、图像的特征提取124
三、分类器127
课后练习 132
第10章 偷天换日——风格迁移133
一、模仿与图像风格迁移134
二、风格迁移的原理138
三、风格迁移的算法原理与
实现过程139
四、生成并不存在的图像141
课后练习 142

第4单元 生活中的人工智能
第11章 运筹帷幄——自动驾驶146
一、汽车的自动驾驶146
二、即时定位与地图构建148
三、路径搜索150
四、无人驾驶趣味实践152
课后练习 165
第12章 似曾相识——人脸识别166
一、人脸识别的概念166
二、人脸数据采集与检测167
三、人脸的特征169
四、编程实现人脸识别175
课后练习 180
第13章 察言观色——情绪识别181
一、人类的情绪182
二、情绪识别的方法183
三、情绪识别的应用186
课后练习 194

第5单元 人工智能伦理
第14章 善恶有名——技术的
两面性196
一、偏见与隐私196
二、权利和义务199
课后练习 202

附 录
一、人工智能实验套件及
“塔罗斯 ”软件204
二、Python编程环境的安装和
配置205

本书是面向青少年的人工智能科普书和入门读物，立足于趣味性、科学性、知识性和实践性，尽量避免晦涩专业术语对阅读流畅性的影响。书中还包含数十个精心筛选的实践案例，可根据读者需要灵活选用。
全书共5 个单元、14章，从人工智能的发展简史讲起，以语音、图像、生活中的典型场景及伦理问题为主要知识载体，聚焦问题，深入浅出地引出人工智能的基本思想、主要原理、知识概念、典型应用实践等。
本书可作为青少年课外科普读物和中学信息技术等学科的辅助教材、职业院校的专业教材和本科阶段的通识教育教材，还可作为相关培训教材和科学素质提升读本。

本书是面向青少年的人工智能科普书和入门教材，立足于趣味性、科学性、知识性和实践性，尽量避免晦涩专业术语对阅读流畅性的影响。书中还包含数十个精心筛选的实践案例，可根据读者需要灵活选用。
本书的编写团队包含AI领域专家、学者、一线中学骨干教师、科普专家和一线技术开发人员，确保了本书内容科学严谨又能准确青少年读者的知识水平、兴趣点及迫切需要了解的内容，同时能基于中小学生的基础知识构成，内容与中小学生教材和参考书契合。
本书配有大量配套学习资源，如微课视频、实践活动所需各类素材（图像素材原文件、代码、活动案例网站地址、音频文件，部分插图的彩色图像文件）。音视频资源可在正文中扫描二维码获得，其他资源可扫描封底二维码获取电子资源包。还配有PPT，供采用本书作为教材的老师教学参考。