人工智能 高中版

什么是人工智能
人工智能（ Artificial Intelligence，简称“AI”）自诞生之日起，其定义与内涵就一直存在争议。从字面上看， AI 由“人工”和“智能”两词构成，其核心是智能。因此，人工智能首先是智能的一种。但是人工智能是人造的，而非自然形成的智能（如我们人类的智能就是经过长期的进化而形成的一种生物智能）。进一步理解人工智能的关键，在于理解“智能是什么”，这其实是一个难以回答的问题。一个普遍的认识是“智能是利用知识解决问题的能力”。作为“万物之灵长”的人类，其智能很大程度上就体现在人类能够发现知识并利用知识解决各类问题。人工智能的研究与实践的一个重要目标就是回答“智能是什么”这一问题。对这个问题的回答，将成为我们这代人甚至后面几代人共同努力的方向与目标。

如果需要给人工智能下一个定义，可以表述为：人工智能是通过智能机器延伸、增强人类改造自然和治理社会能力的科学与技术。人工智能首先是一门科学，因为我们需要解释智能的本质，需要回答智能能否计算、如何计算等科学问题。人工智能更是一项工程，因为我们需要让机器实现对于人类智能的模拟，从而解决需要人类智能才能解决的问题。因此，人工智能兼有科学与工程的属性。也正是这个原因，决定了人工智能的跨学科和综合特性。人工智能涉及哲学、心理学、数学、语言学、计算机等多个学科。人工智能的*终目标不是发展自主的机器智能，而是借助人工智能增强人类认识世界、改造世界的能力。拓展和延伸人类的智能，并*终造福人类社会，是发展人

工智能的根本使命，也是*使命。

人工智能是以人类智能为模板进行拓印与塑形的，理解与模拟人类智能是人工智能实现的基本路径。人类智能，外观体现为行为，内察体现为思维。人工智能的研究与实践不论其形式如何不同，其*终落脚点要么是让机器具备人类身体的智能行为能力，要么是让机器具备人类心灵的复杂思维能力。

人类的智能行为能力体现在其身体的感知与运动能力。我们的身体具有五官与四肢。我们通过五官识音辨声、识图辨形、辨别气味等，通过四肢操纵物体、运动身体，从而实现身体与环境的复杂交互。机器实现这些能力需要具备模式识别与反馈控制能力。比如，为了识别一个手写字是不是“0”，机器必须能够从手写体输入数据中识别出“0”所对应的书写模式。模式识别能力是我们五官所具备的基本能力。我们人类的四肢能够十分柔韧、灵活地做出各类动作，实现各类物体操纵，这背后体现的是人类四肢与环境的强大交互能力。比如机械手臂在抓举物品时，需要实时感知物品的位置以及抓举的力度，从而及时调整抓举的动作与姿态，*终完成抓举动作。近年来，机器在模式识别与运动控制等能力上飞速发展，已经初步达到人类水平。以感知数据中的模式、物理世界的状态为主，让机器具备人类的智能行为为主要目标的人工智能研究和实践，我们称之为“感知派”。

人类的智能更为鲜明地体现在人类的复杂心智上。人类的心智活动十分多样，包括语言理解、场景理解、调度规划、智能检索、学习归纳、推理决策等。塑造人类心智能力的器官是我们的大脑。理解大脑的运作机制，从而实现类脑智能，一直以来是科学家们持之以恒为之奋斗的目标之一。随着人工智能的发展，让机器具有一颗聪慧的大脑，已被迫切地提上议事日程。有身无心的机器就好比没有灵魂的“僵尸”，虽然也能解决很多问题，但是难以进入人类社会，成为人类有趣的“伙伴”。如果人工智能的发展仅是停留在感知与运动阶段，机器只是达到了一般动物的智能水平，而真正意义上使得人类从动物本性中脱胎而出的是人类独有的心智能力。虽然动物也有大脑，也有一定的心智水平，但是人类心智与动物心智的根本差别在于人类的认知能力。认知能力是指人脑接受外界信息，经过加工处理，转换成内在的心理活动，从而形成对世界的认知体验的过程。它包括时空认知、因果认知、语言认知、文化认知等方面。很显然，目前只有人类具有认知能力，以“认知”为基础的人工智能研究和实践，被称为“认知派”，将是未来人工智能研究与实践的焦点。

值得注意的是，虽然人类是实现人工智能的模板，但是人工智能在当下的实践已经不单单以“类人”为目标，很多时候是远超人类水平的。人类的特定智能很多情况下是有局限的。比如，我们在决定买哪本人工智能教材时，其决策要素一般不超过 5—7 个，而机器则可以同时考虑数以百万计的决策要素进行判断。人类感知的物理范围是十分有限的，而机器视觉可以识别数千米范围内的目标。因此，在很多单项智能上，人类被机器超越只是时间问题，如计算、下棋、识图、辨声等。人工智能的发展进程必定是我们见证人类单项智能被机器逐步超越的过程。但是有一个至关重要的奖项，智能的“全能冠军”，却是机器难以从人类手中夺走的。无数个智能的单项冠军也难以企及这一“全能冠军”的智能水平。这就引出了人工智能的强弱之分的话题。

……

丛书是面向全体中小学生的人工智能教材，旨在顺应时代发展，从提升中小学生综合素养入手，帮助学生做好面向未来、迎接人工智能时代到来的准备。内容围绕人工智能主题展开，不囿于技术，充分凸显课程育人的功能，重在培养学生的高阶思维品质和与之相适应的意识、能力和行为习惯。本书是人工智能第三进阶（高中阶段），主要目标是人工智能初创造——以项目化学习的方式利用开发者平台与工具进行项目学习，帮助学生学习人工智能开发，孕育创新的种子。主要内容包括：出行路径早知道、听懂人话的汽车、能识别车牌的闸机、繁忙路口的智能预警、寻找停车场的“问答”、当“座驾”有了好奇心。

丛书是面向全体中小学生的人工智能教材，旨在顺应时代发展，从提升中小学生综合素养入手，帮助学生做好面向未来、迎接人工智能时代到来的准备。内容围绕人工智能主题展开，不囿于技术，充分凸显课程育人的功能，重在培养学生的高阶思维品质和与之相适应的意识、能力和行为习惯。本书是人工智能第三进阶（高中阶段），主要目标是人工智能初创造——以项目化学习的方式利用开发者平台与工具进行项目学习，帮助学生学习人工智能开发，孕育创新的种子。主要内容包括：出行路径早知道、听懂人话的汽车、能识别车牌的闸机、繁忙路口的智能预警、寻找停车场的“问答”、当“座驾”有了好奇心。

主编任友群，教育学博士、华东师范大学博士生导师，*人文社会科学重点研究基地课程与教学研究所研究员，*2017版高中信息技术课程标准修订组组长。

目录

引言

提示： 在人工智能诞生之初，人们就期待它像人一样具备视听感知、语言理解甚至认知世界的能力。人工智能是什么，它经历了怎样的发展历程？它有哪些流派？它与大数据、超级计算、数学模型有着怎样的关联……在引言部分，我们一起探讨这些重要而基础的话题，为后面的项目化学习作好铺垫。

拓展性议题： 人与机器的区别和差异

项目一  出行路径早知道

提示： 从“无人驾驶”的规划路径入手，解析车载导航“地图”背后人工智能技术的秘密。项目以广度优先算法、迪杰斯特拉算法为核心，介绍解决无权值图和有权值图上短路径问题，同时在活动中体验计算机中的地图构建和搜索方式。

任务 1 什么是路径规划 032  任务 2 图的数据结构 036
任务 3 无权值图上的路径规划 042  任务 4 有权值图上的路径规划 049

拓展性议题： 旅行商问题

项目二  听懂人话的汽车
提示： 从与车载语音设备对话入手，解析语音识别背后人工智能技术的秘密。项目通过傅里叶变换将音频从时域信号转换为频域信号；通过三角滤波等进行特征提取，得到梅尔频率倒谱系数；通过 GMM HMM 等实现语音识别；通过孤立词语音识别模型的搭建增强学生的体验。
任务 1 语音识别的体验 062  任务 2 语音编码和语音特征 065
任务 3 语音的特征提取 073  任务 4 搭建孤立词语音识别模型 081
拓展性议题： 听音辨罪犯

项目三  能识别车牌的闸机
提示： 从车库闸机对车牌识别的情景入手，解析图像识别背后人工智能技术的秘密。项目通过介绍使用灰度化、二值化对采集的图像数据进行预处理，再分别用 SVM 和 DNN 方法对车牌数字进行识别，让学生感受不同图像识别算法之间的差异。
任务 1 图像识别与图像的预处理 096  任务 2 用支持向量机方法识别车牌 104
任务 3 基于深度模型的车牌识别 110

拓展性议题： AI 诊断读片

丛书是面向全体中小学生的人工智能教材，旨在顺应时代发展，从提升中小学生综合素养入手，帮助学生做好面向未来、迎接人工智能时代到来的准备。内容围绕人工智能主题展开，不囿于技术，充分凸显课程育人的功能，重在培养学生的高阶思维品质和与之相适应的意识、能力和行为习惯。本书是人工智能第三进阶（高中阶段），主要目标是人工智能初创造——以项目化学习的方式利用开发者平台与工具进行项目学习，帮助学生学习人工智能开发，孕育创新的种子。主要内容包括：出行路径早知道、听懂人话的汽车、能识别车牌的闸机、繁忙路口的智能预警、寻找停车场的“问答”、当“座驾”有了好奇心。

主编任友群，教育学博士、华东师范大学博士生导师，*人文社会科学重点研究基地课程与教学研究所研究员，*2017版高中信息技术课程标准修订组组长。

致人工智能时代的青少年朋友（代序）

1956 年在美国，一群科学家提出了人工智能（Artificial Intelligence）概念，即用计算机模拟人的智能行为，如认知、思考和学习等。经过大半个世纪的发展，人工智能已取得了巨大进展。在博弈领域，打败了象棋和围棋的人类世界冠军；在模式识别领域，语音、文字和图像识别已广泛用于智能音箱、行人和车牌识别、机场和银行的安全检查；在知识学习和推理领域，深度神经网络和知识图谱技术正在辅助医学读图、临床诊断和金融借贷风险防范；在机器人领域，自动生产线、机械手、无人机、无人车正在提高我们经济和社会的运行水平。人工智能在全球范围内蓬勃发展，正在深刻地改变着人们的生产生活方式，也将深刻改变我们的思维方式，为经济社会的发展开启新的范式。因此，很多有识之士预测，人工智能时代即将到来。

2017 年7 月，我国政府发布了《新一代人工智能发展规划》，指出了人工智能正走向新一代。新一代人工智能(AI 2.0) 的概念除了继续用计算机模拟人的智能行为之外，还包括用更综合的信息系统，如互联网、大数据、云计算等去探索更大更复杂系统的行为，如制造系统、城市系统、交通系统等的智能化运行和发展，这就为人工智能打开了一扇新的大门和一个新的发展空间。人工智能将从各个角度与层次，宏观、中观和微观地去发挥“头雁效应”，去渗透我们的学习、工作与生活，去改变我们的发展方式。

中国要在2030 年成为世界主要人工智能创新中心，大批人工智能人才的培养必不可少。因此，中小学人工智能教育就十分迫切。

对各位青少年朋友而言，要想在未来人工智能海洋中畅游，首先需要具备算法思维和解决问题的综合能力。算法思维和编程能力的早期培养应该与语文、数学等基础学科能力的培养一样重要。我国《新一代人工智能发展规划》因此提出“实施全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育”。 对于智能时代而言，早期编程教育，有助于中国人工智能优秀人才的批量涌现。

人工智能的学习是一个由浅入深的系统过程。这套人工智能课程系列读本的重

要特色在于，它通过对人工智能的感性介绍，引导各位青少年朋友入门并引发想象力；通过对人工智能技术的实验，培养各位的动手设计能力；通过人工智能的创意实践，培养各位解决问题的综合能力和对人工智能的创新体验。这对青少年学习人工智能而言，是一个系统的认知推进过程。

我很高兴，这套人工智能课程系列读本还配有立体化的教学生态系统，以促进青少年朋友能浸润式学习、创造性学习和竞赛性学习。它凝聚了很多科学家、工程师和教育家的心血和智慧。我希望越来越多的中国学生学习人工智能，应用人工智能，并勇探人工智能“无人区”，创造各种人工智能技术、产品、系统，造福全人类。

【中国工程院院士 浙江大学教授   潘云鹤】