上海思源会所:浅谈专家系统——从学习技术的视角

专家系统及其在教育中的应用

李慧迎¹  章伟民²

1、湖南科技大学教育学院   2、华东师范大学教育信息技术系

【摘要】：文章简要的分析了专家系统的组成结构及其特点，着重探讨了在以学习者为中心的教育活动中，专家系统作为学习工具和学习对象的主要应用，及其促进教育信息化发展和提高学生信息素养方面的作用。

【关键词】：专家系统   学习工具   学习对象

一、引言

在信息社会中，现代教育技术发展迅猛，对我国教育教学的改革产生深远的影响。随着改革的不断深入，信息技术在教育实践中的不断拓展，人们发现由于技术的局限，使得许多的实践都很难达到理论的要求。比如，根据教学设计理论，要求对学习者的起始能力、学习风格等进行分析，以便提供个性化的学习指导；在学习的过程中要求适时地进行评价，并提供及时的反馈意见，然而在实践的过程中，特别是在远程教学的实践操作中就涉及到许多的问题：如何准确地诊断学习者学习风格，并提供适合学习者个性的学习指导；如何为那么多的学习者提供及时的反馈等等都制约着远程教学的质量的提高和教学范围的扩展。如何通过比较便捷的方式来妥善的处理这些问题呢？伴随人工智能技术与应用的发展，我们将目光投向了专家系统，并认为在以学习者为中心的教育活动中，专家系统的应用问题必将越来越得到人们的重视与研究，为促进我国教育信息化作出贡献。

二、专家系统概述

所谓专家，一般都拥有某一特定领域的大量知识和丰富的经验。在解决问题时，专家们通常拥有一套独特的思维方式，能较圆满的解决一类难题，或向用户提出一些建设性的意见。

专家系统（Expert System）可视为一类具有大量专门知识的计算机智能程序系统。它能运用特定领域一位和众多专家提供的专门知识和经验，并采用人工智能中推理技术来求解和模拟通过由专家才能解决的各种复杂问题，达到与专家具有同等解决问题的能力。它可使专家的特长不受时间和空间的限制。因此，专家系统必须包含领域专家的大量知识，拥有类似人类专家思维的推理能力，并能用这些知识来解决实际问题。例如，一个医学专家系统就能够像真正的医学专家一样，诊断病人的疾病，判断病情的严重性，并给出相应的处方和治疗建议等。

1、专家系统的基本结构^[1]

人机交互界面

图1  专家系统组成结构

（1）知识库：是专家系统的核心，由事实性知识和启发性知识构成。事实性知识指广泛共有的事实，启发性知识指专业领域经验和具有启发意义的知识。它是专家系统中关于一个领域或特定问题的若干专家知识的集合体，它可以向用户提供超过一个专家的经验和知识。

知识库是专家系统质量优劣的关键所在，即知识库中知识的质量和数量决定着专家系统的质量水平。一般来说，专家系统中的知识库和专家系统程序是相互独立的，用户可以通过改变、完善知识库中的知识内容来提供专家系统的性能。

现有的系统大都采用规则来表示知识，每条规则都是IF-THEN形式。IF代表规则的前提部分，它可以是多个条件的逻辑组合；THEN代表规则的结论部分，也可以是若干结论的组合。如：IF：该动物有奶，THEN：该动物是哺乳动物。

（2）数据库：用于存储有关领域问题的事实、数据、初始状态、推理过程的各种中间状态及目标等。实际上，它相当于专家系统的工作存储区，存放用户回答的事实、已知的事实和由推理得到的事实。

（3）推理机：是一组用来控制、协调整个专家系统的方法、策略的程序，它根据用户的输入数据（现象、症状），利用知识库中的知识，按一定推理策略（如正向推理、逆向推理、混合推理），求解当前问题，解释用户的请求，最终推出结论。在设计推理机时，应使其符合专家的推理过程。一般来说，专家系统的推理机和知识库是分离的，这不仅有利于知识的管理，而且可实现系统的通用性和伸缩性。

（4）解释机：主要用来解释专家系统是如何推断结论，回答用户的提问，并使用户了解推理过程及推理过程所运用的知识和数据。

（5）知识获取：是专家系统的学习功能，它修改知识库中原有的知识，增加新的知识，实现自动学习。一个学习系统是否具有学习能力是衡量其适应性的重要标志。

（6）用户界面：实现系统与用户的信息交换，为用户使用专家系统提供一个界面友好的交互环境。通过该界面，用户输入基本信息，回答系统提供的相关问题，并输出推理结果及相关的解释等。

2、专家系统的特点

与人类专家相比，专家系统有许多吸引人的特长^[2]：

（1）       灵活性。专家系统是专家知识的集成体。一个专家系统可能具有大量的知识，并且其知识库可以按照一定的规则增加、修改和删除知识以适应应用的需要。

（2）       持久性。系统贮存的知识是持久的，它不像人类专家那样会退休、或者死亡，专家系统的知识会无限地持续。

（3）       具有解释、说明功能。专家系统能明确、详细地解释导出结论的推理过程。一个人可能会讨厌、不愿意或是没有能力给出详细而明确的推理过程，但明确、详细的解释有利于得出正确的决策和向专家学习其思考过程。

（4）       复合专家知识。由多个专家复合起来的知识，其水平肯定会超过某个单独的专家。而且，专家系统可以做到白天或晚上的任何时候同时和持续地解决某个问题。

（5）       稳定、理智、及时和完整的响应。迅速或适时的相应对某些应用来讲是必要的。专家可能由于压力或疲劳而不能高效的解决问题，专家系统可能比专家反应得更加迅速或更有效。

三、专家系统在教育中的作用

专家系统是人工智能研究中最重要的分支之一，它实现了人工智能从理论研究走向实践应用，从一般思维方法的探讨转入运用专门知识求解专门问题的重大突破。目前，被大多数人认可的专家系统在教育中的应用主要有两种：即将专家系统作为学习的工具和学习的对象。

（一）专家系统作为学习的工具

1、改进教学模式

勃朗逊(Robert Branson)在美国的《教育技术》杂志上发表的题为《过去、现在和未来的教学模式》一文中，描述了一个以教育技术为基础的未来教育模式^[3]：(见图2)

图2  以教育技术为基础的未来教育模式

我们可以看出，这个模式是由教师、专家系统和学生三个方面所组成的。其中的专家系统是一个由知识和数据库组成的智能教学专家系统。以它作为学习的工具，为学习者提供像学科专家一样的学习支持，学生通过主动地与专家系统的交互来获取知识。同时，在这一系统中，将教师从学科事务中解放出来，使其有更多的时间和精力来协调学习者之间、学习者与专家系统之间的关系，使教师的主导作用得以充分的发挥。这一模式的实现，可以使目前的“以教师为中心”、“以课堂为中心”的教学模式从根本上有所改变。

众多文献中介绍的智能计算机辅助教学 (ICAI)其实质也当归属智能教学专家系统。ICAI的作用在于通过研究人类学习思维的特征和过程，寻求学习认知的模式，使学生获得个别化自适应学习，从而学得更快、更有效。通常，ICAI系统具备下列智能^[4]：

(1)    能自动生成各种问题与练习；

(2)    能根据学生的不同水平与学习情况选择相应的学习内容并调整相应的教学进度；

(3)    能在理解教学内容的基础上自动解决问题并生成答案；

(4)    具有自然语言的生成与理解能力，以便实现比较自由的教学问答系统，以提高人机交互作用的主动性；

(5)    对教学内容具有解释咨询能力；

(6)    能诊断学生错误，分析错误发生的原因并采取相应的纠正措施；

(7)    能评价学生的学习行为；

(8)    能不断地在教学中改进教学策略。

目前，ICAI在教学中的应用已有诸多实例，对ICAI模型的研究及各种ICAI软件的开发也不断推陈出新，已形成了对教学过程智能化的有力的技术支撑。

需要说明的是，虽然智能教学专家系统能够承担教师的许多工作，但是由于专家系统所固有的局限（如：其能力受限于系统的知识域），以及学习活动的丰富性，使得它不可能完全替代教师。

2、提供智能化的决策服务

支持服务是现代远程教育系统的重要构成要素，其宗旨是创造一个优良的学习环境，使学习者方便快捷地调用各种资源，接受关于学习的全方位服务，以获得学习的成功。建立和维持一个高效灵活、强有力的支持服务子系统是有效地开发、管理和实施远程教育项目的保证，关系到现代远程教育的发展和生存。

但当前远程教育中的学习支持服务并不尽人意，导学和答疑的手段都还十分落后，服务方式也受到诸多限制（如：地域、时间、人员和设施等），缺乏主动性、针对性和策略性。欲改变支持服务的被动状况，提高支持服务的质量，其有效途径之一就是引进人工智能技术，实现服务的智能化。

智能决策系统（Intelligence Decision Support System）是在20世纪80年代初提出来的，它是把决策系统与人工智能相结合，尤其是与专家系统相结合的产物，它比传统的决策支持系统具有更有效的辅导决策作用。智能决策系统可以实现以下的一些功能：

（1）       分析和识别问题；

（2）       形成候选的决策方案（目标、规划、方法和途径等）；

（3）       构造决策问题的求解模型；

（4）       多方案、多准则、多目标情况下的比较和优化；

（5）       综合分析，包括决策结构或方案对实际问题可能产生的作用和影响的分析，以及各种环境因素、变量对决策方案或结果的影响程度分析

目前，有许多文献对远程教学中的智能决策系统进行了研究。如本文“参考文献”[5]介绍的一种智能导师系统。它有以下功能：1）了解每个学生的学习能力、学习基础和当前知识水平。2）评价学习效果及诊断学习者的错误。3）分析学生的不同特点，思维、性格及学习能力，从而针对不同学生生成最佳教学策略。进行个性化教学。4）创作课件用于教学或辅助教师创作。

（二）专家系统作为学习的对象

教育部于2003年4月正式颁布普通高中课程标准（实验稿），首次在信息技术课程中设立“人工智能初步”选修模块，从而迈出了我国高中阶段开展人工智能教育的第一步。

专家系统在人工智能领域享有很高的声誉，曾被认为“是人工智能从幻想到实践，再由实践到理论的主角”。以专家系统作为学习对象，可以对学生的以下几个方面产生积极的作用：

1、 培养学生问题解决方法的多样性

人们在现实生活中遇到的问题按其结构划分，大致可以分为三类：^[6]结构化问题（能用形式化或公式化方法描述和求解的问题）、非结构化问题（难用确定的形式来描述，主要根据经验来求解的一类问题）和半结构化问题（介于以上两种之间的问题）。

学生在中学阶段要求解决的大都是结构化问题。求解结构化问题主要途径是：算法＋数据结构。而专家系统最适合那些没有高效算法解决的情况，即非结构化问题和半结构化问题。解决这类问题，推理可能是寻求较好解决方法的唯一希望。因此，求解非结构化、半结构化问题的主要途径是：知识＋推理。

通过让学生借助专家系统工具建造专家系统，包括知识库的构建和推理机制的设计，可以让学生在了解专家系统的基本特征，体验、认识专家系统的知识与技术的过程中获得对非结构化、半结构化问题解决过程的了解，从而使学生了解计算机解决问题方法的多样性，培养学生的多种思维方式，达到提高信息素养的目的。

2、  培养学生人际交流的能力

为成功开发一个专家系统要求领域专家、知识工程师和用户的密切配合，领域专家提供知识和求解方法，用户提供需求，知识工程师从专家那里获取知识，并将其转化到计算机上。在专家系统的教学中，可以要求学生自行构建由产生式规则组成的知识库，学生作为知识工程师或领域专家，即要能清楚地向他人表述自己意图，又要具备从别人那里获得对自己有用的信息的能力。通过这种角色扮演，有利于培养学生的人际交流的能力，提高协作意识。

3、  开发学生的元认知能力

元认知又称反省认知，即对认知的认知，是个人关于他自己的认知活动过程和结果以及与之有关的任何事项的认知，其实质是个体对自己认知活动的自我意识和自我调节^[7]。斯腾伯格认为，人们对自身思维过程（分析、创造和实践性的问题解决、推理和决策制定等）了解和控制的元认知能力，相比单纯的认知能力（如知觉、记忆和思维过程）更能影响到智力^[8]。而我国现行的学习目标大都以布卢姆的教育目标分类学或加涅的理论为指导，在制定学习目标时往往忽略元认知能力的培养。

由于专家系统中的知识组织和推理过程是对人类专家思维方式的一种模拟与再现，因此学生在建造知识库过程中，需要反省自己的思维过程，将原来零碎的未成型的知识概念化、形式化和条理化，从而内化为学生自己的东西。通过自己实践构建一个小型的专家系统，可以为学习者提供一个反思自身思维过程的机会，有助于学生认知水平的提高。

【参考文献】：

1、  王万森编著. 人工智能原理及其应用.  北京：电子工业出版社. 2000.9

2、  Gianatano.J ，Rilay.G 著. 印鉴等译. 专家系统原理与编程[M]. 北京：机械工业出版社.2000.5

3、  Ｒ·勃朗逊:过去、现在和未来的教学模式。美国《教育技术》杂志

4、  李力 智能化：提升现代远程教育水准的重要途径——远程教育领域AI应用前瞻， 电化教育研究，2002.12，25—28

5、  王世敏. 谢深泉. 程思杰  计算机智能导师系统（ITS）的构思，湘潭大学自然科学学报  2001.3，20—24

6、  张剑平. 关于人工智能教育的思考[J]  电化教育研究. 2003.1，24——28

7、  朱永祥. 小学生元认知技能培养实验研究报告[J]. 教育研究. 2000.6

8、  [美] RJ 斯腾伯格. 成功智力[M]. 吴国宏. 钱文译. 上海：华东师范大学出版社.1999

作者简介：

李慧迎：女，1977年生，汉，籍贯：湖南，职称：讲师，工作单位：湖南科技大学教育学院，现在华东师范大学攻读硕士学位，研究方向：教育技术学

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