《人工智能初步》案例五

1、启发式搜索与人机博弈”的教学设计浙江师范大学附属中学 李永前一、前言人工智能是一门研究运用计算机模拟和延伸人脑功能的综合性学科，涉及数学、计算机科学、控制论、 信息学、心理学等学科，即使在大学里，也是一门深奥难学的学科。因此，在高中阶段开展人工智能教学， 相比大学，虽然教学侧重点不同，难度降低，但教学难度还是可想而知的。高中阶段的人工智能课程教学， 一旦处理不当，将会使学生失去兴趣，又会成为一门学生不喜欢的枯燥的课程。因此，我们试图在人工智能的教学过程中，创设一些学生能够接收的、有兴趣的实践活动。通过各种 活动，让学生进行思考，并让学生自己得出一些结论。同时，希望学生得出的结论是无固定答案的，

2、能体 现学生想象力、创造力的结论。同时将学生的结论发布在网络的论坛上，在师生讨论这些结论的过程中， 进一步提升全体学生对人工智能的认识，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。 下面就“启发式搜索与人机博弈”的两节课，通过上述的设想进行教学设计。“启发式搜索与人机博弈”教学之前，学生已经学习了穷举式搜索的知识，如宽度优先搜索和深度优 先搜索；已经了解了状态空间、状态空间搜索及启发式搜索等概念。在“启发式搜索与人机博弈”的教学 中，将通过各种活动，让学生进一步了解启发式搜索的过程，启发式搜索与穷举式搜索的不同之处，并让 学生在人机博弈中，如何通过启发式搜索，引入“人”的思维。在

3、“启发式搜索与人机博弈”的任务驱动 法中，如何设计学生活动是至关重要的。好的学生活动将激发学生的学习兴趣，活跃学生的思维，因此， 在下面的具体的教学设计中，重点给出我们设计的教学活动。抛砖引玉，希望同行们能给出更多更好的学 生活动，使人工智能教学在中学里，能优质高效地开展。二、“启发式搜索与人机博弈”第一节课教学任务：任务 1：让学生实际操作文曲星等电子字典符带的黑白棋游戏，写出该游戏的规则，并在“玩”的过 程中，总结出自己设想的“致胜”法则。任务2：进入Internet,查找人机博弈的相关资料。课前准备：让学生准备带有黑白棋的电子字典。（或者在网络教室的每一台学生机上，安装黑白棋程序。）在教

4、师机中，设置“教学资料”只读共享文件夹，存放有表格一和表格二的Word文档。在教师机中，设置“作业上交”完全共享文件夹，学生完成的作业上交至该文件夹中。教学过程：教学 步骤教师活动学生活动设计意图新课导入1.讲解如何启动黑白棋程序。2讲解黑白棋的基本规则，并简单 演示如何“玩”黑白棋。3.重点说明在“玩”的过程中，本 节课教学要完成的任务。了解本节课的两个教学 任务。启动并开始“玩”黑白 棋。通过“玩”黑白棋游 戏，理清自己（也就是“人”）在走棋时的思路。教 学 任 务11指导学生如何从教师机上获取 表格一和表格二。2在表格一中，将黑白棋的第一条 规则，也是最难写一条规则，提供给 学生，给学生

5、作为范例。3例一：参照图一，讲解黑白棋的 上述规则。如：现轮到黑棋走。若黑 棋在“C6”位下一棋，则垂直方向的通过例一，了解黑白棋 的最基本规则。回答：当黑棋 在图一的其它位置上下一棋子 时，棋局发生什么变化？写出黑白棋的游戏规 贝y,并填写表格一。3总结自己认为的“致胜” 法则，并填写表格二。通过书写游戏规则 和游戏的“致胜”法则， 让学生学会如何分解自 己瞬间”的思维（即“放 慢”思维速度），将“模 糊”的、原始的思维，逐 步转化为可用文字表达 的、较为清晰的游戏规则“C5”和对角线方向的“D5”白棋均 变为黑棋了。4.与学生讨论一些“致胜”法则。 如：吃子越多越好等法则。并引导学 生进行

6、深入讨论，如：“吃子越多越好” 是一条最好的“致胜”法则吗？5指导学生将填写好表格一和表 格二的Word文档，以自己的学号为文 件名，上传到教师机上。整理自己的“致胜”法 则。如：各条“致胜”法则的 优先级；哪些“致胜”法则将 受哪种条件的制约等。对自己 想不清楚的问题，可放到校园 网的论坛中进行讨论。上传填与好表格一、表 格二的Word文档。和游戏“致胜”法则。 游戏规则虽然是定 死的，但也允许学生用自 己的方式表达。而游戏的 “致胜”法则，则每个学 生都会有自己不同的想 法，要鼓励学生发表自己 独特的见解。教 学 任 务21教学任务2是针对已经较好完 成任务1的同学而设置的。2.在参考网址

7、中提供了一些有关 的网站。1进入教师提供的网站， 浏览人机博弈的相关资料。2自己查找更多有关人机 博弈的资料。3.将查到的好的网址或好 的资料，发布到校园网的论坛 上，供大豕讨论。通过查找人机博弈 的资料，让学生了解人机 博弈研究的进展，了解编 写人机博弈程序的难度， 激发学生对人机博弈的 兴趣。表格一：黑白棋的游戏规则序号游戏规则1双方轮流走，所走的棋在水平、垂直、对角线方向，将对方所夹的棋，均变为自己颜色的棋。234表格二：自己认为的“致胜”法则序号“致胜”法则12345注：尽量标明“致胜”法则的优先级。各种“致胜”法则在不同情况下，如果优先级会发生变化，请在备注中说明。图一：黑白棋的某一

8、状态图，现在由黑棋下棋。参考网址：中国黑白棋联盟 HYPERLINK / /黑白棋世界 HYPERLINK 中青在线的电脑历史 HYPERLINK /gb/it/2000-11/28/node_721.htm /gb/it/2000-11/28/node_721.htm赛伯时空网的电脑下棋传奇 HYPERLINK /1/old07.htm /1/old07.htm电脑中国象棋软件 AI 评 HYPERLINK /book/dnai.html /book/dnai.html附：参考答案表格一：黑白棋的游戏规则序号游戏规则1双方轮流走，所走的棋在水平、垂直、对角线方向，将对方所夹的棋，均变为自己颜

9、色的棋。2当轮到该方下子，而该方又无法下子时，则由对方下子。3当一方的子被另一方全吃完时，则被吃完的一方被认为是“输家”4当所有的棋格均被填满后，棋子多的一方被认为是“赢家”表格二：自己认为的“致胜”法则序号“致胜”法则备注1能占角的，尽量先占角。序号1的法则，优先于序号2的法则。2能占边的，尽量先占边。如果本方能占边，但导致对方能占角，则本法则不适用。3尽量将对方占边的子吃掉。可能导致对方占角的，则该法则不适用。4尽可能将对角线上的对方子吃掉。可能导致对方占角的，则该法则不适用。5尽可能多地吃掉对方的子。在上述法则均不适用的情况，再使用该法则。注：上述“致胜”并不是最优的法则，仅为一种较为可

10、行的“致胜”法则，供大家讨论。三、“启发式搜索与人机博弈”第二节课教学任务：任务 1：写出在理想状态下，对黑白棋走两步后的评价函数。任务2：进入Internet,查找资料，讨论在人机博弈中的一些问题。如：“致胜”法则的好坏与评价函数的关系。在博弈搜索中，为什么会产生节点爆炸问题。在人机博弈中，除了采用启发式搜索外，还会用到哪些搜索策略？通过前面的实践操作和分析，谈谈在人机对弈游戏中所指“棋力”的含义是什么？ 课前准备：整理学生前一节课上交的作业，将学生提出的“致胜”法则上传到校园网的论坛上。或将前一节课学生上交的作业所在的文件夹，设置成只读共享文件夹，供大家浏览讨论 在教师机中，设置“作业上交

11、”完全共享文件夹，学生完成的作业上交至该文件夹中。教学过程：教学 步骤教师活动学生活动设计意图复习讨论1引导学生讨论在前一节课中，哪 些“致胜”法则较为有效。2提出问题，如何将致胜”法则， 转换为判断在某个位置下子的依据。3.给出一种黑白棋的状态（如图 二，此时由黑棋下子），如果黑棋下一 子，白棋下一子，黑棋再下一子后， 作为目标状态。引导学生讨论，该如 何搜索。通过浏览、讨论，了解 自己与其他同学的“致胜”法 则的优缺点。思考“致胜”法则的好 坏，与对弈取胜的关系。针对教师给出的这种状 态，讨论如何进行搜索。将具体的黑白棋，与 “抽象难懂”的搜索算法 逐步联系起来。化解搜索 算法的难度，让更

12、多的学 生对启发式搜索算法感 兴趣。教 学 任 务1回忆以前学过的知识，针对图 三，与学生一起讨论穷举式搜索的空 间状态图和搜索量。提醒学生，上述讨论出黑方最佳 的下子位置，是在一种理想状态下的 搜索得到的，即白方是按黑方的愿望 来下子的，也没有“致胜”法则的介 入。继续在这种理想状态下，讲解如 何用启发搜索减少搜索量。给出一种求评价函数f的方法：利用图三，分析穷举式 搜索的空间状态图和搜索量。学生分成三组，根据教 师在B分枝给出的范例，分别 完成A、C、D三个分枝各个节 点的g、h值及该节点的评价函 数f值的计算。每组学生在自己这一分 枝上，根据评价函数画出启发 式空间状态搜索图。通过对比穷

13、举搜索和启利用学生已经熟悉 的黑白棋，来讨论在人机 对弈时，如何求各个节点 的评价函数f,进一步了 解启发式搜索，及启发式 搜索在人机对弈中的作 用。有没有更好的求评 价函数f的方法？加入某 一 “致胜”算法后又如何 求评价函数？通过多种其g值为当前状态下白棋的个数；h取 即使白棋不下子，黑棋最多能杀白棋 的个数。如图三，以此方法计算出的 各个节点的评价函数，并画出搜索线 路图。5.引导学生讨论：比较完全搜索与 启发式搜索的不冋点。并讨论编写人 机对弈程序的难度。发式搜索，回答启发式搜索的 优越性。5.讨论：若加入某一“致 胜”算法，那么各节点的g、h、 f又该如何计算？方法，让学生充分了解求

14、 出在启发式搜索中占重 要地位的评价函数。教 学 任 务21教学任务2是针对已经较好完 成任务1的同学而设置的。2对任务2的四个问题，教师作简 要的说明。如人机博弈程序除加入启 发式信息外，程序还要具备自学习功 能;另外，极小一极大法，a p剪 枝法也是人机博弈程序中常用的方法 等，帮助学生完成相关问题的回答。1进入因特网，针对任务2 的四个问题，查找相关资料。对一般同学，要求回答 其中的一个问题。对能力较强 的同学，要求尽可能多地回答 问题。也可自己提出问题，发 布在校园网的论坛上。将回答的问题，写在 Word文档中，上传到老师的“作业上交”文件夹中。通过教学任务2,让 学生了解到，人机博弈程 序中，除了教学中要求掌 握的启发式搜索外，还有 许多问题要解决。