教科版高中信息技术选修5人工智能初步：如何开发专家系统
《人工智能初步》教学设计
《人工智能初步》教学设计【学科核心素养】（1）能够采用计算机可以处理的方式界定问题、抽象特征、建立结构模型、合理组织数据。
（2）通过判断、分析与综合各种信息资源，运用合理的算法形成解决问题的方案。
（3）掌握数字化学习系统、学习资源与学习工具的操作技能，用于开展自主学习、协同工作、知识分享与创新创造，助力终身学习能力的提高。
（4）对于信息技术创新所产生的新观念和新事物，具有积极学习的态度、理性判断和负责行动的能力。
【课程标准要求】（1）通过人工智能典型案例的剖析，了解智能信息处理的巨大进步和应用潜力，认识人工智能在信息社会中的重要作用。
（2）了解人工智能的算法，熟悉智能技术应用的基本过程和实现原理。
【学业要求】了解人工智能技术，认识人工智能在信息社会中的重要作用。
了解人工智能的新进展、新应用，并能适当运用在学习和生活中。
了解人工智能的发展历程，能客观认识智能技术对社会生活的影响。
【学情分析】本课面对的教学对象是高一学生，对知识的获取已经开始由感性认识提升到理性认识，已经具有一定的研究能力，喜欢新鲜事物，也愿意突破自己的固有认识。
经过初中的学习，学生已经能够熟练操作一些常见软件，并能迁移到新软件的使用中，但也容易满足并停留于技能操作层面。
在日常的学习和生活中，也或多或少的接触过人工智能技术的应用。
但是，他们对人工智能的了解更多的停留于日常学习和生活中的所见所闻，对人工智能的原理及人工智能的实现方法知之甚少，运用人工智能方法解决问题的意识不足、解决问题的能力较弱。
【教学目标】（1）理解人工智能的核心能力。
（2）掌握机器学习中监督学习、无监督学习和强化学习。
（3）了解机器学习中的KNN算法、聚类算法。
【教学重难点】教学重点：监督学习、无监督学习和强化学习。
教学难点：三种机器学习方式的实现原理。
【教学策略分析】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新兴技术。
近年来，机器学习已经成为实现人工智能的主流方法，具体可分为监督学习、无监督学习和强化学习三种方式。
认识专家系统 课件 2023—2024学年教科版高中信息技术选修5
从外部获取相关的专业知识和经验，并对这些知识进行整理、归纳 和验证等操作。
设计知识库和推理机
根据收集到的知识和经验，设计出合适的知识库和推理机，并确定 它们之间的交互方式和工作流程。
专家系统的构建方法和步骤
• 开发用户接口和解释子系统：设计出用户友好的用户接口和解释子系统，以便用户能够方便地使用专家系统和 理解推理过程及结果。
专家系统的应用范围和优势
• 专家系统的应用范围非常广泛，包括医疗、金融、交通、安全等领域。在医疗方面，专家系统可以用于疾病诊 断和治疗方案的制定。
• 在金融方面，专家系统可以用于投资决策和风险评估。 • 在交通方面，专家系统可以用于交通规划和交通控制等。 • 专家系统的优势在于其能够利用已有的专家知识和经验，提高工作效率和准确性，同时也可以减少人为错误和
专家系统的工作原理是
用户通过用户接口向推理机提出问题，推理机根据知识库中的知识和推理规则进行推理，推导出问题的答案，并 通过用户接口将答案返回给用户。在推理过程中，解释子系统会对推理过程和结果进行解释和说明，以便用户更 好地理解和信任专家系统的结论。
专家系统的构建方法和步骤
确定应用领域和目标
明确专家系统的应用领域和目标，以便后续的设计和开发工作能 够更加有针对性地进行。
专家系统也存在一定的局限性， 例如知识获取的难度和成本较高 ，知识库的更新和维护需要不断 投入人力物力等。此外，由于专 家系统的推理过程往往依赖于规 则和数据，因此对于复杂的问题 和不确定性较高的领域，专家系 统的表现可能不如人类专家。
02
专家系统的定义和特点
专家系统的定义
专家系统的定义（续）
用户接口使非专业用户能够与专家系统进行交互，无需了解其内部工作原理。知识获取子 系统负责将人类专家的知识和经验转化为计算机可处理的形式，并存储在知识库中。
人工智能专家系统课程教案
人工智能专家系统课程教案教学内容：本章主要介绍专家系统的定义、结构、特点和类型，分析了基于规则的专家系统、基于框架的专家系统和基于模型的专家系统，归纳了协同式和分布式等新型专家系统，并结合实例介绍了专家系统的设计方法和开发工具。
教学重点：专家系统的特点、专家系统的类型、专家系统的设计等。
教学难点：专家系统的设计。
教学方法：课堂教学为主。
注意结合学生前面所学的人工智能原理、知识的表示等内容，及时提问加深学生对基本原理和概念以及专家系统开发设计等的理解。
利用网络课程中的相关内容，协助对抽象概念的理解。
教学要求：重点掌握专家系统的基本概念和设计，掌握基于规则、基于模型、基于框架的专家系统，了解新型专家系统的一些概念和类型，一般了解专家系统的开发工具以及评价方法。
1专家系统概述教学内容：本小节讨论专家系统的一些基本概念，介绍专家系统的定义、结构、特点和类型。
本小节内容是本章的一个重点，是深入学习讨论专家系统的基础。
教学重点：专家系统的定义、专家系统的结构、专家系统的一般特点、各类专家系统的任务和特点。
教学难点：专家系统的结构与建造步骤。
教学方法：主要通过课堂教学，讲解各种基本概念和系统结构，归纳专家系统的一般特点，分析各类专家系统的任务、特点并进行举例教学要求：重点掌握专家系统的定义与基本结构，掌握专家系统的特点，了解专家系统的类型1.1专家系统的特点1、定义专家系统是一个含有大量的某个领域专家水平的知识与经验智能计算机程序系统，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问题。
简而言之，专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。
2、专家系统特点启发性：专家系统能运用专家的知识与经验进行推理、判断和决策。
透明性：专家系统能够解释本身的推理过程和回答用户提出的问题，以便让用户能够了解推理过程，提高对专家系统的信赖感。
灵活性：专家系统能不断地增长知识，修改原有知识，不断更新。
3、专家系统的优点具体地说，包括下列八个方面：(1)专家系统能够高效率、准确、周到、迅速和不知疲倦地进行工作。
(完整)人工智能初步教学计划
人工智能初步教学计划1教学指导思想：人工智能技术是当前信息技术应用发展的热点之一。
与一般的信息处理技术相比，人工智能技术在求解策略和处理手段上具有独到之处。
“人工智能初步”模块介绍了人工智能的基本概念和人工智能领域内容易为高中学生所理解和掌握的部分内容，是选修模块。
本模块教材根据教育部普通高中技术领域课程标准（信息技术部分）编写，教材以知识引领活动、穿插工具支持、评估配合为编写思路，从解决学生日常学习生活中的实际问题入手，运用信息获取、加工、管理、表达与交流的基本方法，在主题活动、探究性学习等形式的学习过程中逐步提升学生的信息素养，从而实现知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三个方面的培养目标。
2教学目标：通过本模块的学习，学生能描述人工智能的基本概念，会使用一种人工智能语言解决简单问题，把握其基本特点；能利用简易的专家系统外壳开发简单的专家系统；知道人工智能对人类学习、生活的影响；通过感受人工智能技术的丰富魅力，增强对信息技术发展前景的向往和对未来生活的追求。
3教材分析：本书内容体现了活动引领、任务驱动主导思想，每个单元的前几节的教学内容都不同程度在为最后一节综合性的活动作准备，前两个单元又是第3单元的铺垫；同时，评价教学效果的方式也与传统的教学评价方式不同，而是请学生们参与评价；因此，学生的积极参与是完成该门课程教学目标的关键因素。
在执行新课程计划中，开发利用校内外的一切课程资源，来丰富教学内容。
4重点难点：通过对人工智能的含义及发展历程的理解、对人工智能诸多应用领域的体验，感受人工智能的无穷魅力以及它服务于人类社会的价值。
教师应将教学重点放在引导学生如何去“体会”、“好奇”、“喜欢”这门科学，了解本学科与其他学科研究问题、解决问题的方法的新、特之处，拓展学生思维。
同时，在教学中教师应注意解决以下几个问题：1、使学生科学理解人工智能的含义。
2、通过对人工智能应用领域的了解，可以发现人工智能在人类发展中更多的应用。
简述专家系统的开发过程
简述专家系统的开发过程
专家系统是一种基于人工智能、知识表示和推理等技术的计算机
程序，可以模拟人类专家分析和解决实际问题。
专家系统的开发过程
一般包括以下几个阶段：
一、需求分析和知识获取阶段：确定问题领域和专家系统的功能
需求，采集领域知识并将其转化为计算机能够理解和处理的形式。
主
要的方法包括面谈、问卷、实地观察、文献研究等。
二、知识表示和建模阶段：将获取到的领域知识进行逻辑分类和
表达，并转化为适合计算机处理的形式，使用知识表示语言和工具进
行表达和管理。
主要的知识表示方法包括规则表示法、框架表示法、
本体论等。
三、推理机设计和实现阶段：基于知识表示和推理算法，设计和
实现专家系统的推理机。
主要的推理算法包括前向推理、后向推理、
混合推理等。
推理机的实现可以使用专门的工具，如CLIPS、PROLOG、JESS等。
四、用户接口设计和实现阶段：专家系统的用户接口应该清晰友好，方便用户操作和查询，包括命令行界面、图形界面、语音界面等。
这个过程也会根据需求来设计相应的接口。
五、测试、优化和维护阶段：对专家系统进行功能测试和性能优化，发现并修复问题，确定是否可以投入使用。
同时，也需要模糊测试进行。
以上是专家系统开发的主要过程，建议在开发过程中，注重知识的获取和表示，遵循面向对象的设计原则，采用现代软件工程方法和工具，同时充分考虑专家系统的实用性、可靠性和可维护性等方面，以便为企业和个人提供高效的知识服务。
中图版高中信息技术选修5人工智能初步：专家系统开发工具
三、在专家系统外壳中表示知识
每个专家系统都有自己独特的知 识表示方式，为了构造知识库， InterModeller提供了七种“模型”。
1.决策树
2.分类树
三、在专家系统外壳中表示知识
3.表：一个二维表格，它由若干行和 列组成，每行代表一类或一个事物。 4.规则：最基本的构造知识库的方法。 ① 一般规则：顺序、逆序 ② 简单规则：一种具有更语言
Prolog语言建立在严格的数学基 础——谓词演算智商，结构清晰，文 法简洁。
3.CLIPS
CLIPS是一个正向推理语言，用 标准C语言编写，它具有高移植性、 高扩展性、强大的知识表达能力和编 程方式以及低成本等特点。
二、专家系统外壳
用程序设计语言建造专家系统具 有灵活、代码质量高等优点，缺点是 工作量大，周期长，非常耗时费力。
专家系统开发工具
一、语言工具
用来开发专家系统的语言工具主 要由人工智能程序设计语言LISP、 Prolog和新兴的CLIPS等。它们具有 灵活、程序代码表达比较简洁等特点。
1.LISP语言
LISP语言是一种函数型语言，它 没有语句的概念，它的全部语法成分 都表示成函数，函数的基本形式为： （函数名 参数1 参数2……参数n）
1.借助外壳——事半功倍
专家系统外壳又称为骨架系统， 它是有一些成功的专家系统演变而来 的，即去掉专家系统的具体知识，保 留基本结构和推理机制，就得到一个 专家系统外壳。
2.专家系统外壳InterModeller
InterModeller是一个简单易学 的专家系统外壳，它提供了一套专门 用于开发分类专家系统的推理机、用 户接口和其他工具。
人工智能专家系统PPT-28张课件
专家系统的开发
2.专家系统的基本设计思想与基本设计原则
(6) 以各种事例来试验所设计的系统。 研究那些产生不准确结论的事例，并且确定 系统可以做些什么修改以校正错误。修改系 统后要检验系统对这些事例产生的结果以及 系统的这些修改对其它事例的影响。
专家系统的开发
2.专家系统的基本设计思想与基本设计原则
各类专家系统之间具有一些共同的问题。 对于一些任务相似的专家系统，由于问题特 征不同而具有不同的求解方法；而另一些任 务不同的专家系统，由于问题性质相近而具 有类似的求解方法。显然，从问题的一般特 征出发来考虑建立模型的方法，能够更易于 抓住问题的本质。
专家系统的开发
3.专家系统的开发工具 目前国外出现了许多专用的专家系统工
•
6、无论你正遭遇着什么，你都要从落魄中站起来重振旗鼓，要继续保持热忱，要继续保持微笑，就像从未受伤过一样。
•
7、生命的美丽，永远展现在她的进取之中;就像大树的美丽，是展现在它负势向上高耸入云的蓬勃生机中;像雄鹰的美丽，是展现在它搏风击雨如苍天之魂的翱翔中;像江
河的美丽，是展现在它波涛汹涌一泻千里的奔流中。
专家系统的开发
3.专家系统的开发步骤
(1) 设计初始知识库。知识库的设计是 建立专家系统最重要和最艰巨的任务。初始 知识库的设计包括：
(c) 概念形式化，即确定用来组织知 识的数据结构形式，应用人工智能中各种知 识表示方法把与概念化过程有关的关键概念 、子问题及信息流特性等变换为比较正式的 表达，它包括假设空间、过程模型和数据特 性等。
•
4、心中没有过分的贪求，自然苦就少。口里不说多余的话，自然祸就少。腹内的食物能减少，自然病就少。思绪中没有过分欲，自然忧就少。大悲是无泪的，同样大悟
专家系统开发技术手册
专家系统开发技术手册1. 简介专家系统是一种使用人工智能技术来模拟人类专家决策过程的计算机程序。
它能够根据特定领域的知识和规则，模拟出专家在该领域中做出决策的过程，并通过推理和逻辑推断来解决复杂的问题。
本技术手册将介绍专家系统的开发过程和相关技术。
2. 专家系统的开发流程2.1 知识获取在开发专家系统之前，首先需要获取特定领域的专家知识。
这可以通过面对面的专家访谈、文档资料的收集、领域中已有的知识库等方式进行。
知识获取的关键是准确、全面地收集到领域专家的知识和规则。
2.2 知识建模知识建模是将领域专家所提供的知识和规则表示为计算机可以理解和推理的形式。
常用的知识建模方法包括产生式规则、框架结构、语义网络和决策树等。
根据实际情况选择适合的知识建模方法，并将专家知识转化为相应的数据结构和规则。
2.3 知识表达知识表达是将知识和规则以计算机可识别的形式进行表示和存储。
在专家系统中，常用的知识表达方法包括规则库、知识库和本体库等。
通过采用合适的知识表达方法，可以方便地进行知识的检索和推理。
2.4 推理机制推理机制是专家系统的核心部分，它能够基于已有的知识和规则，通过逻辑推断和推理，解决实际问题。
常用的推理机制包括前向推理、后向推理、混合推理和基于案例推理等。
在开发专家系统时，应根据具体需求选择适合的推理机制。
2.5 用户界面设计用户界面设计是专家系统开发中不可忽视的一环。
合理的用户界面设计能够提高用户的使用体验和工作效率。
在设计用户界面时，应考虑用户的背景和技术水平，简化操作过程，提供清晰的提示和反馈。
3. 专家系统开发技术3.1 编程语言专家系统的开发可以使用多种编程语言，如Java、Python、Prolog 等。
选择合适的编程语言可以更好地满足开发需求，并提高系统的性能和可维护性。
3.2 开发工具为了提高开发效率，可以使用一些专门的开发工具来辅助专家系统的开发。
例如，利用Protege可以方便地创建本体库，使用Clips可以快速构建专家系统的推理引擎。
“专家系统”教学的认知教学理论基础及其教学实施
二 专家系统教 学的认知教学理论基础
认 知 心 理 学 关 于 人 类 认 知 过 程 尤 其 是 高级 思维 过程 的研
究，为专家系统研究者编制体现人类思维 的计算机 程序提供 了理论基础 。同时 ，专 家系统的研 究在 某种程度上又促进 了 认知心理学 的研究 。鉴于 教学 中的作用 ，认 知教学理论理所当
决 问题 等 活动 都 是 典 型 的程 序 性 知 识 。 一 般 认 为 陈述 性 知 识
图２专 家系统教学过程 中各角色之 间的关系
基于 “ 专家 一新手 ”研究提 出的 “ 认知 学徒教学 法 ”可
学 生 利用 专 家 系 统 外 壳 ，通 过 构 建 相 应 的 知识 库 来 创 建 一个
专 家 系统 。
专家系统及其外壳
专家系统是一个智 能计算机程 序系统 ，其 内部含有大量
某个领域专家 水平的知识与经验 ，模拟人类专家推理 的过程 来 处理现 实世 界中需要专家做 出解释 的复杂 问题 。它一般 由 知 识库 、推理机 、工作 内存 、解释器和人． 机界面组成 （ 图１ 如
容 的陈述性表征转变 为体现产 生式规 则的程序性 知识。
指导
根据知识的状态和表 征方式，认知心 理学将知识分为两 类：陈述 性知识和程序性 知识 。陈述性知识 说明事物 、情况 是怎样 的，是对事实 、定义 、规则、原理等 的描述 ；程序性 知识 则是关于怎样完成某项 活动的知识 。推 理、决策或者解
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第１ ８卷
２０ ０ ８年 第 ８ 期
现 代教 育技 术
Ｍ ｏｄ ｍ ｕｃ ｔｏ ａ ｃ ｎ ｏｇ ｅ Ｅｄ ａ ｉ ｎ ｌ Ｔｅ ｈ ｏｌ ｙ
专家系统及其设计
初识专家系统北京市陈经纶中学帝景分校范晶皮皮猫与大胡子医生提问：皮皮猫没有去医院，却得到了医学专家的建议，它是通过什么方法得到“专家”建议的？（计算机中的“医学疾病诊断专家系统”）分钟）发现和体验：试在“农业专家系统网站”中查找相应的杨梅品（课堂练习：三、填图题）⒉产生式规则（播放PPT片“cssgz.ppt”）产生式规则以“IF…THEN…”的形式出现， IF后面的是结论。
条件与结论均可以通过逻辑运算“AND、OR、NOT②写出“产生式”（课堂练习：四、写出产生式）（第1题必做，第2题选做）（如果是多边形，并且有三条边，那么是三角形。
专家系统外壳（InterModeller）⒉作品演示，交流促进展示各学习小组制作完成的“水果识别专家系统”。
并逐一进行讨论、交流、评价。
⒊对专家系统进行客观评价（在□中划“√”或“〤”）时间空间便捷程度灵活程度其它课堂练习（满分：100分）学校：_________ 班级：_________ 姓名：_________ 日期：_________ 成绩：_________ 一、根据下表中对杨梅属性的描述，试在“农业专家系统网站”中查出相应的杨梅品种(10通过体验专家系统的应用，谈谈你对专家系统的认识；并从下列选项中选出专家系统的定义。
（）①专家系统是指能够帮助人们解决问题的计算机系统。
②专家系统是指能够像人一样进行智能推理的计算机系统。
③专家系统是指能够像人类的专家那样解决某些专业范围内的问题的计算机。
④专家系统是指能够像人类的专家那样解决某些专业范围内的问题的智能计算机系统。
三、填图题（10分）请将下面的专家系统基本结构图填充完整。
四、写出产生式（30分）⒈（必做题，15分）按照产生式规则，写出下列推理关系的产生式：如果它是多边形，并且它有三条边，那么它是三角形。
IF_______________AND_______________ THEN_______________⒉（选做题，15分）请你列举一个推理关系，并写出其产生式。
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构建专家系统的流程图
活动1
自然界的植物种类繁多，似乎是杂乱无章；我们 如果将这些植物按某种规律进行归类，则会大不一样 。请你试着根据植物的花、果、叶、根的异同来对植 物进行归类。
活动2
将活动1中分析得出的植物特性用产生式 规则表示出来。
活动3
在上述工作的基础上，构建一个小型的“ 植物分类专家系统”。
谢谢！
一、专家系统外壳
2、专家系统外壳的使用方法
利用专家系统外壳作为开发工具，只要将新 的领域知识填充到专家系统中去，就可以生成新 的专家系统。专家系统外壳的知识库结构及管理 机制、推理机结构及控制机制、人机接口及辅助 工具都可为新系统提供服务和支持。因此，使用 这种工具开发效率最高，但限制也最多，灵活性 最差。
如何开发专家系统
学习目标：
1、什么是专家系统外壳； 2、使用外壳开发专家系统的步骤； 3、人在专家系统开发及应用中所起的作用。
新课导入：
人月神话
一、专由已有的成功的专 家系统演化而来的。它抽出了原系统中具体的领域知识， 而保留了原系统的基本骨架(知识库及推理机结构)，所以 称为“外壳”。
二、专家系统的开发步骤
1、原型化方法
在开发专家系统时，先建立一个能反映该专家系统主 要功能的原型程序，这个程序里的规则可以只是全部规则 的一部分。然后，通过不断地运行、修改、增加规则来完 善该原型，直至获得最终专家系统成品。
二、专家系统的开发步骤
2、开发步骤
（1）确定目标，分析事实 （2）归纳整理 （3）构造知识库 （4）增加规则，完善知识库 （5）调试、评价