作者：丁亮,姜春茂,于振中
出版社：清华大学出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
人工智能基础教程：Python篇(青少版)试读：
前言
2017年国务院印发了《关于印发新一代人工智能发展规划的通知》，提出要围绕教育、医疗、养老等迫切民生需求，加快人工智能创新应用。要发展智能教育，利用智能技术加快推动人才培养模式、教学方法改革，构建包含智能学习、交互式学习的新型教育体系。更进一步提出要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，鼓励社会力量参与寓教于乐的编程教学软件、游戏软件的开发和推广。在目前的国际国内大背景下，人工智能教育不仅是个人成长的需要，更是实现创新型国家发展的需要，是我国成为世界强国的需要，而人工智能教育必将从中学阶段展开。
人工智能教育的方式和方法，可以大致分为如下两种：一是在信息技术课程中开展部分人工智能基础知识的内容教学；二是在具备一定数学基础的高中阶段开展人工智能的选修课程。然而，单纯的知识性、科普性的人工智能知识的讲授缺少实践过程，缺少对动手能力的培养。因此，我们编写了本套教材。
本套教材以人工智能教育为主线，以Python编程为实现手段，以在线编程训练平台和人工智能案例实现平台为辅助工具，同时辅以我们自主开发的一系列机器人为载体，打造立体沉浸式的人工智能学习体系。之所以选择Python语言为实现手段，主要是考虑到Python具有与人工智能天然的切合性，而且语言本身入门相对容易，特别适合高中阶段的学生学习。
乐学系列机器人（中学系列）是由哈工大机器人（合肥）国际创新研究院独立开发的具有自主知识产权的机器人产品。该系列产品可以自由组装，自由编程。在锻炼动手能力的同时具有学科特色，能够促进物理、数学学科的学习；乐学系列机器人支持Python编程，具有丰富的传感器，可以实现人工智能的绝大部分要求，包括视觉、语音、自然语言处理、推理、逻辑、深度学习等系列的功能。学生可以在乐学系列机器人上围绕人工智能进行编程学习，通过机器人可以直观地观察智能编程的效果。总地来说，本套教材是以人工智能为主线，融合学科特点的编程能力培养；以自主开发的机器人为载体，驱动人工智能的实践；以信息素养的提升为内涵目标，以小组工程项目为牵引，实现高中生团队合作能力的提升。
本套教材目前规划总计两册，第一册为《人工智能基础教程：Python篇（青少版）》，主要讲授Python的编程基础及其人工智能初步，在这部分内容中，我们结合高中教育的学科特点和高中学生的认知特点，不求Python内容的大而全，但求够用和编程思想的训练。在学生具备了Python的基础以后，讲授了人工智能的基础知识，包括自然语言处理、语音识别、计算机视觉、人工神经网络等内容。与此同时，我们还开发了在线学习和竞赛平台，学生可以通过教材和在线编程平台完成课程内容和辅助内容的学习。随后将出版的第二册为《人工智能实践教程：机器人篇（青少版）》，主要讲解人工智能在我们自主开发的机器人上的实现，通过在机器人上的实现，让学生真正懂得如何去开发一个个人工智能的小案例，同时我们为学生提供了扩展性的开发案例来扩展他们的思维，唯有思维能力的提高才能促进创造力的提升。综合案例需通过团队的配合和合作完成，将极大地促进学生的学习和能力的提高。
本册教材共18章，分为2篇，第1篇为人工智能编程基础篇，选择Python作为入门人工智能的基本语言，在这一部分中，我们紧密结合人工智能和高中教育的学科特点，力争融知识、趣味、能力培养为一体。结合高中教育的学科特点，学生在学习的过程中就可以解决数学等学科中出现的问题和难点，有利于提高学生的学科学习和科学素养。第2篇为人工智能篇，该部分中我们对人工智能涉及的诸多要素如机器学习算法、自然语言处理、语音识别、视觉识别、神经网络等内容进行讲解，讲解的方式是通过Python的实践进行讲授，每个要素和内容的呈现过程包括基础知识、代码实现等；限于篇幅，我们不可能把所有的人工智能的内容都呈现给大家，但是期待这些基础内容可以帮助大家打下基础，以便未来进一步扩展学习。
致教师：在编写教材之初，我们深知对于高中的信息技术课教师而言，学习一门新的编程语言并将它传授给学生是一件成本较高的事情，但是时代在进步，社会在发展，培养学生的创新能力已经成为我国经济社会发展的重要一环。国家层面的政策必将导向到考核学生的思维、创新方向上来，已经有诸多发达省份的中高考开始考查Python编程的内容，在全国铺开只是时间问题而已。因此，我们期待每位老师抓住机会，和我们一起迎接挑战。
致学生：Python是目前通用的编程语言中相对简单易学的，而且支持它的第三方功能库特别丰富，项目开发速度非常快，所以广泛应用于各个领域。一旦学会了，你的思考和运用方式会让人刮目相看！期待同学们在快乐中学到真正的编程知识，还能把编程发展为特长，在以后的工作和学习中都能成为你最最实在的加分项。
教学建议：首先，如果把本书作为高中的编程基础教材，可以学习第1篇的内容，即第1～12章，这部分内容从Python的基础讲起，融合高中的数学、物理、化学等学科知识，结合在线的学习平台，学生可以获得很好的编程素养训练。其次，学有余力的学校和学生，可以安排人工智能部分的学习和机器人的实践案例，真正体会到人工智能带给我们的直观体验，在一个立体的学习环境中达到科学、技术、工程等知识的融合，对于学生的未来发展具有诸多好处，对于建设特色驱动的学校也是重要的切入点。
教学资源：本套教材包括《人工智能基础教程：Python篇（青少版）》《人工智能实践教程：机器人篇（青少版）》。哈工智诚在线编程云平台不仅提供了在线编程、综合案例实践功能，还包括了视频课程讲解、虚拟仿真实验室等。
本套丛书的编写由哈工大机器人（合肥）国际创新研究院统一组织，本册教材由丁亮教授、姜春茂教授担任主编，曲明成博士、刘鹏飞副研究员和夏科睿副研究员担任副主编；其中丁亮教授编写了第17、18章，姜春茂教授编写了第1～12章，曲明成博士编写了第13、14章，刘鹏飞副研究员和夏科睿副研究员分别编写了15、16章。在此还要特别感谢于振中老师对本书编写的帮助和支持。在编写过程中，众多的研究生也付出了辛勤的劳动，他们是吴俊伟、栾浩、王凯旋、徐晓霞、张彤等，在此对他们表示感谢。
由于时间紧张，错误在所难免，期待各位读者提出宝贵意见和建议。第1篇人工智能编程基础篇人工智能（Artificial Intelligence, AI）是计算机科学的一个重要分支，它希望生产出一种类似于人类智能性质的智能机器。人工智能的研究范围很广，包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理等众多领域。在日常生活中，人工智能已得到广泛应用，如智能音箱、无人驾驶汽车等。Python语言称得上是最适合人工智能开发的编程语言，主要原因是，它简单易用，可以无缝地与数据结构和众多的人工智能算法一起使用。让我们一起在Python的世界里徜徉吧！第1章 初识Python
通过本章，我们将在学习Python的道路上迈出第一步。本章将要学习： Python的历史以及优缺点。 完成Python的开发环境搭建。 Python的程序解释机制。 编写并运行第一个Python程序。 Python基础。1.1 Python的前世今生
Python是一种面向对象的解释型计算机程序设计语言，由荷兰人Guido van Rossum（吉多·范罗苏姆）于1989年发明，它的第一个发行版于1991年发布。
1989年圣诞节期间，在阿姆斯特丹，Guido van Rossum为了打发圣诞节的无聊决心要开发一种新的编程语言，因为他是Monty Python喜剧团体的爱好者，所以选用了Python作为该语言的名字。
就这样，Python在Guido van Rossum手中诞生了。由于它的简洁性、易读性以及可扩展性，Python已经成为最受欢迎的程序设计语言之一，一些知名大学早已采用Python来教授程序设计课程。众多开源的科学计算软件包都提供了Python的调用接口。
1991年，第一个由C语言实现的Python编译器诞生。
1994年，Python 1.0版本发布。
2000年，Python 2.0版本发布，现有的Python语言框架已经完成。
2010年，Python 2.7版本发布，这是Python 2.X的最后一个版本。
2008年12月3日，Python 3.0版本发布，对比Python 2.X版本做出了较大改动。
2016年12月23日，Python 3.6版本发布。
2018年3月，Python宣布Python 2.7版本将于2020年1月1日终止支持。不过请放心，本书使用的案例都是以Python 3.X版本编写的。1.2 Python的优势
随着计算机技术的不断发展，目前有众多可选的计算机语言。作为入门者，如何选择一门适合自己的编程语言是至关重要的。相对来说，Python对于初学者具有以下几点优势：（1）软件质量。Python注重可读性、一致性和软件质量，这使得它的代码易于理解。同时，Python支持软件开发的高级重用机制。（2）提高开发效率。相对于很多编译类型语言，Python的开发效率会提高很多，因为它录入更少的代码、调试更少的代码以及维护更少的代码。（3）组件集成。Python有着灵活的集成机制，这使得它可以调用C或者C++的库或是被C/C++调用，也可以和Java组件集成。Python绝不是一个独立的工具。（4）易于学习。Python的易用性和强大的内置工具让编程变成了一种乐趣，在本书的学习中你将会体会到。
计算机语言
计算机语言（Computer Language）指用于人与计算机之间通信的语言，它可以分为机器语言、汇编语言、高级语言三大类。计算机语言是人与计算机之间传递信息的媒介。为了使计算机顺利地进行各种工作，需要有一套用以编写计算机程序的数字、字符和语法规则，由这些字符和语法规则组成计算机的各种指令（或各种语句）。这些就是计算机能接受的语言。
20世纪40年代当计算机刚刚问世的时候，程序员必须手动控制计算机。当时的计算机十分昂贵，唯一想到利用程序设计语言来解决问题的人是德国工程师Konrad Zuse（康拉德·楚泽）。不久后，计算机的价格大幅度下降，而计算机程序也越来越复杂。也就是说，开发时间已经远比运行时间来得宝贵。于是，新的集成、可视化的开发环境越来越流行。它们减少了所付出的时间、金钱（以及脑细胞）。只要轻敲几个键，一整段代码就可以使用了。这也得益于可以重用的程序代码库。随着C、Pascal、Fortran等结构化高级语言的诞生，使程序员可以离开机器层次，在更抽象的层次上表达意图。随着程序规模的不断扩大，在60年代末期爆发了软件危机，在当时的程序设计模型中都无法克服错误随着代码的扩大而级数般地扩大，以至到了无法控制的地步，这个时候就出现了一种新的思考程序设计方式和程序设计模型——面向对象程序设计，由此也诞生了一批支持此技术的程序设计语言，如Eiffel、C++、Java，这些语言都以新的观点去看待问题，即问题就是由各种不同属性的对象以及对象之间的消息传递构成。面向对象语言由此必须支持新的程序设计技术，如数据隐藏、数据抽象、用户定义类型、继承、多态等。1.3 Python的缺陷
前面介绍了很多Python的优点，在这里还是要说一下Python的缺陷。与C/C++这类的编程语言相比，Python的执行速度还不够快。
现如今，即使CPU的处理速度很快，在一些应用领域仍强调程序的执行速度。如果今后涉及这些领域的话，可以通过分离部分需要优化速度的应用，将其转换为编译好的扩展，并在系统中使用Python脚本将这些应用连接起来。当然，这些都是后话了。1.4 Ubuntu下开发环境的搭建
本节要讲的是在Ubuntu 16.04下搭建开发环境，在这里介绍两种方式：通过Ubuntu中自带的apt-get命令安装和通过PyEnv安装。1.4.1 通过apt-get命令安装
这种方式非常简便，只需打开终端，输入如下命令，再按Enter键。
命令：1.4.2 通过PyEnv安装
PyEnv是一个简单的Python版本管理工具，它的前身是Pythonbrew。通过PyEnv可以改变全局的Python版本，安装、管理多种不同的Python版本。
PyEnv的安装方式也很简便，一般有两种安装方法：一种是通过Git命令安装，另一种是直接下载安装。
注意：
这两种方法都是在终端中完成的。在进入Ubuntu系统后使用Ctrl+Alt+T快捷键可以快速打开终端。
1. 通过Git命令安装PyEnv
命令：
分析：
由于本书主要讲的并不是shell语句，这里将简单地介绍这个过程，有兴趣的读者可以查阅资料了解详情。Git是一个开源的分布式版本控制系统，它用于敏捷高效地处理任何或小或大的项目。第1行语句就是将Git安装到Ubuntu系统中。第2行及其后续的语句是使用Git安装PyEnv。
2. 直接下载安装PyEnv
命令：
分析：
这里使用curl命令从服务器上下载数据并运行安装。这种方法在使用时，过程耗时可能会比较长。
通过上述两种方法我们已经将PyEnv安装到系统中了，接下来，使用pyenv install -list命令来看看都可以安装哪些Python版本。命令详情如图1.1所示。图1.1 使用pyenv命令查看可安装版本（截图中仅是部分版本）
3. 安装Python
我们选用Python 3.6.4，但是在安装之前先要进行一些前序工作：安装依赖。
安装依赖：
经过这个过程之后，就可以安装Python 3.6.4了。
安装Python 3.6.4：
至此，已经完成了安装过程（过程可能会有些缓慢）。可以使用环境刷新命令更新一下。
刷新：
接下来，就可以很便捷地使用PyEnv管理Python版本了。由于Ubuntu 16.04中自带了Python 2.7.2，所以在使用时，需要切换一下。具体操作如图1.2所示。图1.2 使用pyenv global 3.6.4命令切换版本
完成Python的安装之后，再选择一款适合的编译器，可以让我们在编写程序时更得心应手。
虽然在Ubuntu中可以用Vim或者Emacs，但是为了将学习的重心放在学习Python而不是编辑器上，本书推荐使用PyCharm编译器进行Python语言的学习，下面将介绍该编译器的安装方法。1.4.3 安装PyCharm
PyCharm教育版是一款非常适合初学者学习Python的免费开发工具，下载网址为：https://www.jetbrains.com/pycharm-edu/。
PyCharm的安装如下。
进入下载网址页面，单击页面中央的DOWNLOAD FREE按钮下载pycharm-edu-2018. 1.3.tar.gz压缩文件（或者是下载当前最新版本都可以）。
下载完成后，进入终端并使用cd命令切换到pycharm压缩包所在路径〔见图1.3（a）〕，并用下面的命令解压。
解压完成之后，在终端继续使用cd命令进入到解压文件夹中的bin文件所在路径下，并运行．／pycharm.sh命令进行安装。这一过程演示如图1.3（b）所示。图1.3 PyCharm的安装过程
完成上述步骤之后，我们就进入了PyCharm的设定界面中，这里你可以根据自己的喜好设置。
完成设定后，我们来一起创建一个项目。启动PyCharm，单击界面中的Create New Project超链接，接下来进入创建工程界面，在Location文本框中可以选择工程的路径。在Location下面的Project Interpreter: New Virtualenv environment前面有一个三角按钮，单击它，就可以在Base interpreter一栏中选择我们要使用的Python版本（见图1.4）。图1.4 创建项目及其相关设置选择
如果使用的是PyEnv安装的Python版本，可以通过pyenv versions命令〔见图1.5（a）〕来查看都安装了哪些版本以及版本文件的路径。我们通过文件的路径来找到对应版本的路径（因为安装版本的路径和设置文件的路径都在pyenv文件夹下）。具体情况如图1.5（b）所示。图1.5 创建工程及其设置1.5 Windows下开发环境的搭建
本节将详细介绍Windows下开发环境的搭建。相比较上一节在Ubuntu下开发环境的搭建，Windows下开发环境的搭建就十分简单了。1.5.1 安装Python
首先进入官网的下载页面，网址为https://www.python.org/downloads/，并单击页面中的Download Python 3.6.5按钮下载安装程序（在写作本书时，最新版本是3.6.5，以后若有更新可下载最新版。也可以在Looking for a specific release?中找到Python 3.6.5版本进行下载），如图1.6所示。图1.6 下载Python安装程序
完成下载后，找到下载的文件python-3.6.5.exe并双击打开。安装程序界面如图1.7所示。图1.7 安装过程
安装时要注意的事项已经在图1.7中展示，其余的安装过程直接单击Next按钮即可，直到安装完成。1.5.2 安装PyCharm
首先进入PyCharm下载页面，网址为https://www.jetbrains.com/pycharm/，我们选择PyCharm的开源版本，这是免费的，具体下载过程如图1.8所示。图1.8 下载PyCharm免费版
下载完成后，双击下载的文件pycharm-community-2018.1.2.exe开始安装，单击后会出现如图1.9所示的安装界面，我们可以一直单击Next按钮完成安装，也可以自定义安装路径安装。图1.9 PyCharm的安装界面
完成PyCharm的安装之后，运行PyCharm会出现选择界面风格的窗口，完成选择后进入如图1.10所示的创建工程界面。图1.10 创建工程
在PyCharm中的工程表示的是一个项目，它允许我们定义一个或多个Python文件。在进入编辑界面之前，先配置工程，具体的操作如图1.11所示。图1.11 工程配置的具体操作
完成工程创建之后我们再向工程中添加Python文件用于程序编写，过程如图1.12所示。图1.12 向工程中添加Python文件
至此，新的Python文件已经创建，下面我们来看看PyCharm提供的开发界面，如图1.13所示。图1.13 PyCharm开发界面
图1.13中为了演示编码效果，添加了一条print语句，它的具体使用方法在后文会讲到。1.6 Python编程入门
接下来我们将进入Python编程的世界，先来看一些基础知识。1.6.1 Hello world
Hello world是很多程序语言运行的第一个结果，被程序员戏称为“经典世界问候语”。
在刚安装好的PyCharm中的工作区输入程序1.1所示代码，然后单击右上角的运行按钮。执行该代码后，会在运行结果显示区显示执行结果Hello world。程序1.1输出Hello world：
输出：
分析：
通过以上程序会发现，Python语言的编写是如此简单，print函数就是输出函数，我们只需要将要输出的变量或内容放入函数的括号中即可，这里我们将Hello world放在引号中作为一个字符串类型，最后输出。
经过上述解释你可能还有些疑惑，不过没有关系，有关输入／输出、函数、字符串等知识在后文都将会提到。此时，PyCharm的界面如图1.14所示。图1.14 Windows下的PyCharm界面
学习了Hello world之后我们再来看一个稍微复杂一点的程序。
程序1.2：
输出：
分析：
在这里我们将整个程序看成一个工作区，每行语句都有它的功
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]