杜海瓊　張劍平

【摘要】“推理與專家系統(tǒng)”是高中新課標(biāo)《人工智能初步》選修模塊中的三個主題之一，該主題的教學(xué)與認(rèn)知學(xué)徒制的知識觀、技能觀有著密切的聯(lián)系。探討認(rèn)知學(xué)徒在“推理與專家系統(tǒng)”教學(xué)中的可行性及其實施過程，能為中學(xué)信息技術(shù)的一線教師開展該主題的教學(xué)提供借鑒與參考。

【關(guān)鍵字】推理與專家系統(tǒng)；認(rèn)知學(xué)徒制；專家系統(tǒng)外殼

【中圖分類號】G420 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【論文編號】1009—8097（2009）04—0120—03

在教育部2003年頒布的《普通高中技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗）》中，首次設(shè)立了《人工智能初步》選修模塊，該模塊共設(shè)三個主題：“知識及其表達(dá)”，“推理與專家系統(tǒng)”，“人工智能語言與問題求解”。其中的“推理與專家系統(tǒng)”主題，由于專家系統(tǒng)構(gòu)建的簡便性以及運(yùn)行的可觀察性，在為數(shù)不多的已開設(shè)《人工智能初步》選修模塊的學(xué)校中，較為普遍地被作為重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)。[1]因此，十分有必要對“推理與專家系統(tǒng)”主題的教學(xué)模式及其相關(guān)問題進(jìn)行討論，以便為中學(xué)信息技術(shù)教師更有效的開展教學(xué)提供參考與借鑒。

一 “推理與專家系統(tǒng)”主題的教學(xué)目標(biāo)

新課標(biāo)中給出了“推理與專家系統(tǒng)”主題的具體教學(xué)目標(biāo)：

1 演示或使用簡單的產(chǎn)生式專家系統(tǒng)軟件，感受用專家系統(tǒng)解決問題的基本過程；了解專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。

2 通過實例分析，知道專家系統(tǒng)正向、反向推理的基本原理；會描述一種常用的不精確推理的基本過程。

3 了解專家系統(tǒng)解釋機(jī)制的基本概念及其在專家系統(tǒng)中的重要作用。

4 了解專家系統(tǒng)外殼的概念；學(xué)會使用一個簡易的專家系統(tǒng)外殼，并能用它開發(fā)簡單的專家系統(tǒng)。[2]

由此可見，“推理與專家系統(tǒng)”主題并非是大學(xué)專家系統(tǒng)相關(guān)專業(yè)內(nèi)容的簡單下移，它的總體目標(biāo)是了解與專家系統(tǒng)相關(guān)的知識，體驗專家系統(tǒng)的技術(shù)與應(yīng)用，感受專家系統(tǒng)對學(xué)習(xí)和生活的影響，從而激發(fā)對信息技術(shù)未來的追求。

二 認(rèn)知學(xué)徒制及其應(yīng)用于“推理與專家系統(tǒng)”教學(xué)的可行性

1 認(rèn)知學(xué)徒制及其特征

所謂認(rèn)知學(xué)徒制(Cognitive Apprenticeship)，是一種從改造學(xué)校教育中的主要問題出發(fā)，將傳統(tǒng)學(xué)徒制方法中的核心技術(shù)與學(xué)校教育整合起來的新型教學(xué)模式，[3]用以培養(yǎng)學(xué)生的認(rèn)知技能，即專家實踐所需的思維、問題求解和處理復(fù)雜任務(wù)的能力。

從認(rèn)知學(xué)徒制的特征與“推理與專家系統(tǒng)”教學(xué)過程的特點(diǎn)的一致性、認(rèn)知學(xué)徒制的知識觀與“推理與專家系統(tǒng)”強(qiáng)調(diào)知識獲取、轉(zhuǎn)化的一致性、認(rèn)知學(xué)徒制的技能觀與“推理與專家系統(tǒng)”教學(xué)注重學(xué)生技能發(fā)展的一致性，能夠得出將認(rèn)知學(xué)徒制應(yīng)用于“推理與專家系統(tǒng)”主題的教學(xué)是切實可行的。

認(rèn)知學(xué)徒制的核心假設(shè)是：通過這種模式能夠培養(yǎng)學(xué)習(xí)者問題求解等方面的高階思維技能/策略。這種技能/策略把技能與知識結(jié)合起來，是完成有意義的/真實的任務(wù)的關(guān)鍵。它具有如下的基本特征：

（1） 認(rèn)知學(xué)徒制關(guān)注的不是概念和事實知識的獲得，而是重視專家在獲取知識或?qū)⒅R運(yùn)用于復(fù)雜現(xiàn)實生活任務(wù)/問題時所關(guān)涉的推理過程與認(rèn)知/元認(rèn)知策略。

（2） 將原本隱蔽的內(nèi)在認(rèn)知過程顯性化，亦即表現(xiàn)思維過程，使之可視化（包括教師和學(xué)生的思維過程）。通過這種方法，學(xué)生可以在老師和其他學(xué)生的幫助下進(jìn)行觀察、重復(fù)演練和實踐。

（3） 將學(xué)校課程中的抽象任務(wù)/內(nèi)容置于對學(xué)生有意義的情境之中，學(xué)習(xí)者充分了解學(xué)習(xí)的目的與應(yīng)用，理解工作的相關(guān)性，并參與專家行為。[4]

“推理與專家系統(tǒng)”主題的教學(xué)主要思路是要求學(xué)生使用一個簡易的專家系統(tǒng)外殼（例如InterModeller）開發(fā)簡單的專家系統(tǒng)，它的過程是：第一步，確定所要開發(fā)的專家系統(tǒng)類型，即確定開發(fā)的專家系統(tǒng)的內(nèi)容，如動物識別專家系統(tǒng)、汽車故障診斷專家系統(tǒng)等；第二步，選擇、整理與所要開發(fā)的專家系統(tǒng)相關(guān)的日常生活知識；第三步，將日常生活知識轉(zhuǎn)化為專家系統(tǒng)能推理和解釋的知識表示形式，如產(chǎn)生式規(guī)則表示，框架知識表示等；第四步，通過師生、生生之間的交流與討論，逐步修改完善專家系統(tǒng)，使專家系統(tǒng)做出判斷與解釋。

這一教學(xué)過程不僅要求學(xué)生獲取、選擇、整理概念和事實知識，更強(qiáng)調(diào)將知識轉(zhuǎn)化為專家系統(tǒng)能推理和解釋的知識表示形式，最終能用專家系統(tǒng)解決實際問題，這與認(rèn)知學(xué)徒制所關(guān)注的在有意義的情境之中，將知識進(jìn)行邏輯化表示后去解決現(xiàn)實任務(wù)/問題，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者問題求解等方面的高階思維技能/策略是相一致的。

2 基于認(rèn)知學(xué)徒制的知識觀

比利特（Billett，1993）認(rèn)為學(xué)習(xí)的知識包括三種形式：陳述性知識（關(guān)于是“什么”的知識）、程序性知識（關(guān)于“怎么做”的知識）和情感性知識（關(guān)于價值觀和態(tài)度的知識）。陳述性知識用來提供事實和陳述，程序性知識用來提供做事過程的規(guī)則，情感性知識用來提供對事情的意見與看法。在一些實際工作情境中，程序性知識通常是可以直接觀察的，而陳述性知識的內(nèi)容則往往比較模糊、不透明。因此，與程序性知識相比，在日常工作的活動中，一些類型的概念性知識獲得更加困難，學(xué)習(xí)者對它們的理解受到更多的限制。[5][6]

如何在學(xué)習(xí)中有效的獲得陳述性知識，比利特和羅斯（Billett & Rose,1996）認(rèn)為：第一，陳述性的知識是在參與社會實踐、從事日常工作的過程中獲得的。在日常的工作實踐中，人們必須解決問題、實現(xiàn)目標(biāo)而這些活動真正促進(jìn)了人們對學(xué)習(xí)對象的理解；第二，在學(xué)習(xí)的闡釋或知識的建構(gòu)過程中，個體之間的密切互動是知識一個非常重要的來源，特別是熟練的指導(dǎo)者能夠幫助個體建構(gòu)知識，“強(qiáng)烈的社會影響或者最貼切的指導(dǎo)似乎為學(xué)習(xí)者獲取和建構(gòu)陳述性知識提供了有意的途徑”。[5]

“推理與專家系統(tǒng)”主題中所涉及的知識也可分為陳述性知識和程序性知識。陳述性知識主要體現(xiàn)在確立的所要構(gòu)建的專家系統(tǒng)類型的情境中，將零散、孤立的陳述性知識，通過教師的指導(dǎo)，學(xué)生間的討論，將其整體化，組塊化。程序性知識主要是存在于專家系統(tǒng)的知識庫中，以“if<前提>then<結(jié)論>”形式來編程陳述性知識，即先確認(rèn)當(dāng)前的情境和條件，然后產(chǎn)生相應(yīng)的行動。由于高中階段的教學(xué)要求是利用簡易的專家系統(tǒng)外殼開發(fā)簡單的專家系統(tǒng)，因此在條理清晰、結(jié)構(gòu)合理的陳述性知識的基礎(chǔ)上編寫程序性知識的過程較為簡單，關(guān)鍵是學(xué)生如何通過多種有效形式獲得陳述性知識，并將其清晰，合理的表示出來。專家系統(tǒng)構(gòu)建過程中的陳述性知識獲取及其向陳述性知識的轉(zhuǎn)化，與認(rèn)知學(xué)徒制知識觀所倡導(dǎo)的知識分類和有效獲取是相吻合的。

3 基于認(rèn)知學(xué)徒制的學(xué)生技能發(fā)展

伊萬斯（Evans,1994）提出了技能發(fā)展的，明確了技能所包含的智力維度：

（1） 階段1——新手。其特征為行為是受限制的、不靈活的、受規(guī)則控制的；

（2） 階段2——較高級的新手。學(xué)習(xí)者開始能夠感知任務(wù)中一些重要的情境特征，但還不能對那些重要的情境進(jìn)行區(qū)分；

（3） 階段3——勝任階段。學(xué)習(xí)者能夠識別情境的重要特征，并以此為基礎(chǔ)思考行動的目標(biāo)和計劃，用來指導(dǎo)行動；

（4） 階段4——精通。能夠在不特別關(guān)注的情況下選擇最好的行動計劃，能夠快速概括、識別情境并訂出計劃；

（5） 階段5——專家。專家憑借直覺行動，這種直覺來自對情境的深刻理解，不關(guān)注規(guī)則的和特征，而且行動是可變的、靈活的和高度熟練的。[5]

在上述技能發(fā)展的五個階段中，學(xué)習(xí)者從新手到專家的過渡過程就是從被動接受信息到具備更多的反思和參與策略的過程。在建構(gòu)所需要的知識時，學(xué)習(xí)者開始需要指導(dǎo)者詳細(xì)的幫助，而后逐步過渡到大量的互動和建構(gòu)的水平。在技能發(fā)展的高級階段，對理解技能中的智力因素的需要進(jìn)一步增加，而對詳細(xì)指導(dǎo)的需要急劇下降，因為知識變得更加內(nèi)化，更加接近于自我建構(gòu)。在“推理與專家系統(tǒng)”主題中，學(xué)生利用專家系統(tǒng)外殼工具，通過了解由某一領(lǐng)域?qū)＜医?gòu)的專家系統(tǒng)，并在教師的指導(dǎo)下親手開發(fā)簡單的專家系統(tǒng)，來體驗專家系統(tǒng)的開發(fā)過程，加深學(xué)習(xí)體驗。在實際教學(xué)中，我們將上述技能發(fā)展的五個階段簡化為三個階段，學(xué)生和專家系統(tǒng)構(gòu)成了一種專家與新手的關(guān)系，剛開始學(xué)專家系統(tǒng)的學(xué)生（相對新手）、課程教師（相對于學(xué)生為專家）以及專家建構(gòu)的專家系統(tǒng)（相對于教師為專家），[7]學(xué)生開發(fā)專家系統(tǒng)的過程也即相對新手向相對專家轉(zhuǎn)化，最后還可能發(fā)展領(lǐng)域?qū)＜业倪^程。在這一過程中，學(xué)生對所建立的專家系統(tǒng)類型的相關(guān)陳述性知識和程序性的需要不斷增加，而對教師指導(dǎo)其開發(fā)的需要急劇下降。

三 認(rèn)知學(xué)徒制在“推理與專家系統(tǒng)”教學(xué)中的實施過程

認(rèn)知學(xué)徒制作為一種新型的教學(xué)模式，將其應(yīng)用于“推理與專家系統(tǒng)”教學(xué)，需要教師和學(xué)生兩方面共同執(zhí)行，如圖1所示。[4]

在認(rèn)知學(xué)徒制教學(xué)模式中，學(xué)生是主體，教師起主導(dǎo)作用。對教師來說，要精心設(shè)計教學(xué)以表現(xiàn)專家實踐的思維過程，并引導(dǎo)學(xué)生積極參與、體驗，在這個過程中，教師先示范必要的策略，再放手讓學(xué)生嘗試，并在學(xué)生需要時予以指導(dǎo)。對學(xué)生來說，通過對特定領(lǐng)域?qū)＜覍嵺`能力的模仿、參與、討論、交流和闡釋，獲得基本的問題求解方法、策略和能力，并隨著腳手架的拆除，逐漸獨(dú)立探究、定義、分析和解決問題。[8]具體的說包含如下步驟：

（1） 建模。教師選擇某一典型的專家系統(tǒng)，對專家系統(tǒng)的問題解決過程，如推理方式和應(yīng)用策略進(jìn)行建模，以使學(xué)生觀察系統(tǒng)的推理、運(yùn)行過程，感受領(lǐng)域?qū)＜业乃季S過程。

（2） 情境設(shè)計。教師要引導(dǎo)學(xué)生選擇符合其認(rèn)知特點(diǎn)的專家系統(tǒng)內(nèi)容，注重實用性、貼切性和可開發(fā)性，如“當(dāng)?shù)芈糜尉包c(diǎn)識別”、“特色小吃劃分”等專家系統(tǒng)，并把情境化的活動與相關(guān)的預(yù)期結(jié)果關(guān)聯(lián)起來，以便學(xué)生在真實的情景中進(jìn)行模擬學(xué)習(xí)，發(fā)展遠(yuǎn)遷移能力。

（3） 提供腳手架。腳手架的重要功能是幫助學(xué)生順利穿越“最近發(fā)展區(qū)”。教師對學(xué)生的開發(fā)專家系統(tǒng)的過程進(jìn)行指導(dǎo),提供必要的“支架”，如概念支持、軟件應(yīng)用技巧支持、過程支持、策略方法支持等。

（4） 清晰表達(dá)。要求學(xué)生清晰地表達(dá)專家系統(tǒng)的推理過程或解決問題的過程，以使學(xué)生真正了解自己的學(xué)習(xí)過程， 不僅“知其然”（What），而且“知其所以然”（Why）。

（5） 反思。使學(xué)生將自己的思維和問題求解過程與領(lǐng)域?qū)＜?、其他學(xué)生的邏輯思維方式進(jìn)行比較。通過反思，學(xué)生可以構(gòu)建關(guān)于該專家系統(tǒng)內(nèi)容的問題求解過程的模型，已修正/啟示自己的問題求解和任務(wù)完成過程。

（6） 拆除腳手架。當(dāng)學(xué)生完成知識庫的建立，或者能運(yùn)行專家系統(tǒng)后，教師應(yīng)逐漸拆除支架，以促進(jìn)學(xué)生的發(fā)展。

四 結(jié)語

在“推理與專家系統(tǒng)”主題的教學(xué)中采用認(rèn)知學(xué)徒制教學(xué)模式，對于學(xué)生分析問題和解決問題能力的培養(yǎng)具有積極的意義。一方面，為了完成該任務(wù)，學(xué)生需要編制規(guī)劃、制定知識獲取策略，并具體付諸實施，這是一個不斷深化的過程。學(xué)生還得明確與系統(tǒng)有關(guān)的所有變量或相關(guān)的因素，并且將這些變量和因素轉(zhuǎn)化為問題求解過程，得出相應(yīng)的結(jié)論。在進(jìn)行一系列問題求解分析之后，運(yùn)用產(chǎn)生式規(guī)則來表示知識。 該過程中有助于提高他們的分析、思維與判斷能力。另一方面，在專家系統(tǒng)運(yùn)行時，學(xué)生可以向?qū)＜蚁到y(tǒng)提出諸如“為什么（Why）”、“如何（How）”、“如果……會怎么樣”等問題，系統(tǒng)接受用戶的問題指令后，可以根據(jù)推理的邏輯進(jìn)程，即時將答案呈現(xiàn)給用戶，這個過程如同教師與學(xué)生在進(jìn)行面對面的教學(xué)，學(xué)生還可以充分體驗人類專家的求解思路和推理風(fēng)格。完善的專家系統(tǒng)還可以讓其他學(xué)生去運(yùn)用和體驗，具有一定的實用價值。正如美國著名的學(xué)習(xí)論專家Jonassen所指出的：那些自行設(shè)計專家系統(tǒng)的學(xué)生將會在這種活動中受益匪淺，因為這是一個對所學(xué)知識進(jìn)行深度加工的過程。[9]

參考文獻(xiàn)

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