【摘要】：文章簡(jiǎn)要的分析了專家系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)，著重探討了在以學(xué)習(xí)者為中心的教育活動(dòng)中，專家系統(tǒng)作為學(xué)習(xí)工具和學(xué)習(xí)對(duì)象的主要應(yīng)用，及其促進(jìn)教育信息化發(fā)展和提高學(xué)生信息素養(yǎng)方面的作用。

【關(guān)鍵詞】：專家系統(tǒng)   學(xué)習(xí)工具   學(xué)習(xí)對(duì)象

一、引言

在信息社會(huì)中，現(xiàn)代教育技術(shù)發(fā)展迅猛，對(duì)我國(guó)教育教學(xué)的改革產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。隨著改革的不斷深入，信息技術(shù)在教育實(shí)踐中的不斷拓展，人們發(fā)現(xiàn)由于技術(shù)的局限，使得許多的實(shí)踐都很難達(dá)到理論的要求。比如，根據(jù)教學(xué)設(shè)計(jì)理論，要求對(duì)學(xué)習(xí)者的起始能力、學(xué)習(xí)風(fēng)格等進(jìn)行分析，以便提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)指導(dǎo)；在學(xué)習(xí)的過程中要求適時(shí)地進(jìn)行評(píng)價(jià)，并提供及時(shí)的反饋意見，然而在實(shí)踐的過程中，特別是在遠(yuǎn)程教學(xué)的實(shí)踐操作中就涉及到許多的問題：如何準(zhǔn)確地診斷學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)風(fēng)格，并提供適合學(xué)習(xí)者個(gè)性的學(xué)習(xí)指導(dǎo)；如何為那么多的學(xué)習(xí)者提供及時(shí)的反饋等等都制約著遠(yuǎn)程教學(xué)的質(zhì)量的提高和教學(xué)范圍的擴(kuò)展。如何通過比較便捷的方式來妥善的處理這些問題呢？伴隨人工智能技術(shù)與應(yīng)用的發(fā)展，我們將目光投向了專家系統(tǒng)，并認(rèn)為在以學(xué)習(xí)者為中心的教育活動(dòng)中，專家系統(tǒng)的應(yīng)用問題必將越來越得到人們的重視與研究，為促進(jìn)我國(guó)教育信息化作出貢獻(xiàn)。

二、專家系統(tǒng)概述

所謂專家，一般都擁有某一特定領(lǐng)域的大量知識(shí)和豐富的經(jīng)驗(yàn)。在解決問題時(shí)，專家們通常擁有一套獨(dú)特的思維方式，能較圓滿的解決一類難題，或向用戶提出一些建設(shè)性的意見。

專家系統(tǒng)（Expert System）可視為一類具有大量專門知識(shí)的計(jì)算機(jī)智能程序系統(tǒng)。它能運(yùn)用特定領(lǐng)域一位和眾多專家提供的專門知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，并采用人工智能中推理技術(shù)來求解和模擬通過由專家才能解決的各種復(fù)雜問題，達(dá)到與專家具有同等解決問題的能力。它可使專家的特長(zhǎng)不受時(shí)間和空間的限制。因此，專家系統(tǒng)必須包含領(lǐng)域?qū)＜业拇罅恐R(shí)，擁有類似人類專家思維的推理能力，并能用這些知識(shí)來解決實(shí)際問題。例如，一個(gè)醫(yī)學(xué)專家系統(tǒng)就能夠像真正的醫(yī)學(xué)專家一樣，診斷病人的疾病，判斷病情的嚴(yán)重性，并給出相應(yīng)的處方和治療建議等。

1、專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)^[1]

圖1  專家系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

（1）知識(shí)庫(kù)：是專家系統(tǒng)的核心，由事實(shí)性知識(shí)和啟發(fā)性知識(shí)構(gòu)成。事實(shí)性知識(shí)指廣泛共有的事實(shí)，啟發(fā)性知識(shí)指專業(yè)領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)和具有啟發(fā)意義的知識(shí)。它是專家系統(tǒng)中關(guān)于一個(gè)領(lǐng)域或特定問題的若干專家知識(shí)的集合體，它可以向用戶提供超過一個(gè)專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。

知識(shí)庫(kù)是專家系統(tǒng)質(zhì)量?jī)?yōu)劣的關(guān)鍵所在，即知識(shí)庫(kù)中知識(shí)的質(zhì)量和數(shù)量決定著專家系統(tǒng)的質(zhì)量水平。一般來說，專家系統(tǒng)中的知識(shí)庫(kù)和專家系統(tǒng)程序是相互獨(dú)立的，用戶可以通過改變、完善知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)內(nèi)容來提供專家系統(tǒng)的性能。

現(xiàn)有的系統(tǒng)大都采用規(guī)則來表示知識(shí)，每條規(guī)則都是IF-THEN形式。IF代表規(guī)則的前提部分，它可以是多個(gè)條件的邏輯組合；THEN代表規(guī)則的結(jié)論部分，也可以是若干結(jié)論的組合。如：IF：該動(dòng)物有奶，THEN：該動(dòng)物是哺乳動(dòng)物。

（2）數(shù)據(jù)庫(kù)：用于存儲(chǔ)有關(guān)領(lǐng)域問題的事實(shí)、數(shù)據(jù)、初始狀態(tài)、推理過程的各種中間狀態(tài)及目標(biāo)等。實(shí)際上，它相當(dāng)于專家系統(tǒng)的工作存儲(chǔ)區(qū)，存放用戶回答的事實(shí)、已知的事實(shí)和由推理得到的事實(shí)。

（3）推理機(jī)：是一組用來控制、協(xié)調(diào)整個(gè)專家系統(tǒng)的方法、策略的程序，它根據(jù)用戶的輸入數(shù)據(jù)（現(xiàn)象、癥狀），利用知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)，按一定推理策略（如正向推理、逆向推理、混合推理），求解當(dāng)前問題，解釋用戶的請(qǐng)求，最終推出結(jié)論。在設(shè)計(jì)推理機(jī)時(shí)，應(yīng)使其符合專家的推理過程。一般來說，專家系統(tǒng)的推理機(jī)和知識(shí)庫(kù)是分離的，這不僅有利于知識(shí)的管理，而且可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的通用性和伸縮性。

（4）解釋機(jī)：主要用來解釋專家系統(tǒng)是如何推斷結(jié)論，回答用戶的提問，并使用戶了解推理過程及推理過程所運(yùn)用的知識(shí)和數(shù)據(jù)。

（5）知識(shí)獲取：是專家系統(tǒng)的學(xué)習(xí)功能，它修改知識(shí)庫(kù)中原有的知識(shí)，增加新的知識(shí)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)學(xué)習(xí)。一個(gè)學(xué)習(xí)系統(tǒng)是否具有學(xué)習(xí)能力是衡量其適應(yīng)性的重要標(biāo)志。

（6）用戶界面：實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與用戶的信息交換，為用戶使用專家系統(tǒng)提供一個(gè)界面友好的交互環(huán)境。通過該界面，用戶輸入基本信息，回答系統(tǒng)提供的相關(guān)問題，并輸出推理結(jié)果及相關(guān)的解釋等。

2、專家系統(tǒng)的特點(diǎn)

與人類專家相比，專家系統(tǒng)有許多吸引人的特長(zhǎng)^[2]：

（1）       靈活性。專家系統(tǒng)是專家知識(shí)的集成體。一個(gè)專家系統(tǒng)可能具有大量的知識(shí)，并且其知識(shí)庫(kù)可以按照一定的規(guī)則增加、修改和刪除知識(shí)以適應(yīng)應(yīng)用的需要。

（2）       持久性。系統(tǒng)貯存的知識(shí)是持久的，它不像人類專家那樣會(huì)退休、或者死亡，專家系統(tǒng)的知識(shí)會(huì)無限地持續(xù)。

（3）       具有解釋、說明功能。專家系統(tǒng)能明確、詳細(xì)地解釋導(dǎo)出結(jié)論的推理過程。一個(gè)人可能會(huì)討厭、不愿意或是沒有能力給出詳細(xì)而明確的推理過程，但明確、詳細(xì)的解釋有利于得出正確的決策和向?qū)＜覍W(xué)習(xí)其思考過程。

（4）       復(fù)合專家知識(shí)。由多個(gè)專家復(fù)合起來的知識(shí)，其水平肯定會(huì)超過某個(gè)單獨(dú)的專家。而且，專家系統(tǒng)可以做到白天或晚上的任何時(shí)候同時(shí)和持續(xù)地解決某個(gè)問題。

（5）       穩(wěn)定、理智、及時(shí)和完整的響應(yīng)。迅速或適時(shí)的相應(yīng)對(duì)某些應(yīng)用來講是必要的。專家可能由于壓力或疲勞而不能高效的解決問題，專家系統(tǒng)可能比專家反應(yīng)得更加迅速或更有效。

三、專家系統(tǒng)在教育中的作用

專家系統(tǒng)是人工智能研究中最重要的分支之一，它實(shí)現(xiàn)了人工智能從理論研究走向?qū)嵺`應(yīng)用，從一般思維方法的探討轉(zhuǎn)入運(yùn)用專門知識(shí)求解專門問題的重大突破。目前，被大多數(shù)人認(rèn)可的專家系統(tǒng)在教育中的應(yīng)用主要有兩種：即將專家系統(tǒng)作為學(xué)習(xí)的工具和學(xué)習(xí)的對(duì)象。

（一）專家系統(tǒng)作為學(xué)習(xí)的工具

1、改進(jìn)教學(xué)模式

勃朗遜(Robert Branson)在美國(guó)的《教育技術(shù)》雜志上發(fā)表的題為《過去、現(xiàn)在和未來的教學(xué)模式》一文中，描述了一個(gè)以教育技術(shù)為基礎(chǔ)的未來教育模式^[3]：(見圖2)

圖2  以教育技術(shù)為基礎(chǔ)的未來教育模式

我們可以看出，這個(gè)模式是由教師、專家系統(tǒng)和學(xué)生三個(gè)方面所組成的。其中的專家系統(tǒng)是一個(gè)由知識(shí)和數(shù)據(jù)庫(kù)組成的智能教學(xué)專家系統(tǒng)。以它作為學(xué)習(xí)的工具，為學(xué)習(xí)者提供像學(xué)科專家一樣的學(xué)習(xí)支持，學(xué)生通過主動(dòng)地與專家系統(tǒng)的交互來獲取知識(shí)。同時(shí)，在這一系統(tǒng)中，將教師從學(xué)科事務(wù)中解放出來，使其有更多的時(shí)間和精力來協(xié)調(diào)學(xué)習(xí)者之間、學(xué)習(xí)者與專家系統(tǒng)之間的關(guān)系，使教師的主導(dǎo)作用得以充分的發(fā)揮。這一模式的實(shí)現(xiàn)，可以使目前的“以教師為中心”、“以課堂為中心”的教學(xué)模式從根本上有所改變。

眾多文獻(xiàn)中介紹的智能計(jì)算機(jī)輔助教學(xué) (ICAI)其實(shí)質(zhì)也當(dāng)歸屬智能教學(xué)專家系統(tǒng)。ICAI的作用在于通過研究人類學(xué)習(xí)思維的特征和過程，尋求學(xué)習(xí)認(rèn)知的模式，使學(xué)生獲得個(gè)別化自適應(yīng)學(xué)習(xí)，從而學(xué)得更快、更有效。通常，ICAI系統(tǒng)具備下列智能^[4]：

(1)    能自動(dòng)生成各種問題與練習(xí)；

(2)    能根據(jù)學(xué)生的不同水平與學(xué)習(xí)情況選擇相應(yīng)的學(xué)習(xí)內(nèi)容并調(diào)整相應(yīng)的教學(xué)進(jìn)度；

(3)    能在理解教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上自動(dòng)解決問題并生成答案；

(4)    具有自然語言的生成與理解能力，以便實(shí)現(xiàn)比較自由的教學(xué)問答系統(tǒng)，以提高人機(jī)交互作用的主動(dòng)性；

(5)    對(duì)教學(xué)內(nèi)容具有解釋咨詢能力；

(6)    能診斷學(xué)生錯(cuò)誤，分析錯(cuò)誤發(fā)生的原因并采取相應(yīng)的糾正措施；

(7)    能評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)行為；

(8)    能不斷地在教學(xué)中改進(jìn)教學(xué)策略。

目前，ICAI在教學(xué)中的應(yīng)用已有諸多實(shí)例，對(duì)ICAI模型的研究及各種ICAI軟件的開發(fā)也不斷推陳出新，已形成了對(duì)教學(xué)過程智能化的有力的技術(shù)支撐。

需要說明的是，雖然智能教學(xué)專家系統(tǒng)能夠承擔(dān)教師的許多工作，但是由于專家系統(tǒng)所固有的局限（如：其能力受限于系統(tǒng)的知識(shí)域），以及學(xué)習(xí)活動(dòng)的豐富性，使得它不可能完全替代教師。

2、提供智能化的決策服務(wù)

支持服務(wù)是現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)的重要構(gòu)成要素，其宗旨是創(chuàng)造一個(gè)優(yōu)良的學(xué)習(xí)環(huán)境，使學(xué)習(xí)者方便快捷地調(diào)用各種資源，接受關(guān)于學(xué)習(xí)的全方位服務(wù)，以獲得學(xué)習(xí)的成功。建立和維持一個(gè)高效靈活、強(qiáng)有力的支持服務(wù)子系統(tǒng)是有效地開發(fā)、管理和實(shí)施遠(yuǎn)程教育項(xiàng)目的保證，關(guān)系到現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育的發(fā)展和生存。

但當(dāng)前遠(yuǎn)程教育中的學(xué)習(xí)支持服務(wù)并不盡人意，導(dǎo)學(xué)和答疑的手段都還十分落后，服務(wù)方式也受到諸多限制（如：地域、時(shí)間、人員和設(shè)施等），缺乏主動(dòng)性、針對(duì)性和策略性。欲改變支持服務(wù)的被動(dòng)狀況，提高支持服務(wù)的質(zhì)量，其有效途徑之一就是引進(jìn)人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)的智能化。

智能決策系統(tǒng)（Intelligence Decision Support System）是在20世紀(jì)80年代初提出來的，它是把決策系統(tǒng)與人工智能相結(jié)合，尤其是與專家系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物，它比傳統(tǒng)的決策支持系統(tǒng)具有更有效的輔導(dǎo)決策作用。智能決策系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下的一些功能：

（1）       分析和識(shí)別問題；

（2）       形成候選的決策方案（目標(biāo)、規(guī)劃、方法和途徑等）；

（3）       構(gòu)造決策問題的求解模型；

（4）       多方案、多準(zhǔn)則、多目標(biāo)情況下的比較和優(yōu)化；

（5）       綜合分析，包括決策結(jié)構(gòu)或方案對(duì)實(shí)際問題可能產(chǎn)生的作用和影響的分析，以及各種環(huán)境因素、變量對(duì)決策方案或結(jié)果的影響程度分析

目前，有許多文獻(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程教學(xué)中的智能決策系統(tǒng)進(jìn)行了研究。如本文“參考文獻(xiàn)”[5]介紹的一種智能導(dǎo)師系統(tǒng)。它有以下功能：1）了解每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和當(dāng)前知識(shí)水平。2）評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)效果及診斷學(xué)習(xí)者的錯(cuò)誤。3）分析學(xué)生的不同特點(diǎn)，思維、性格及學(xué)習(xí)能力，從而針對(duì)不同學(xué)生生成最佳教學(xué)策略。進(jìn)行個(gè)性化教學(xué)。4）創(chuàng)作課件用于教學(xué)或輔助教師創(chuàng)作。

（二）專家系統(tǒng)作為學(xué)習(xí)的對(duì)象

教育部于2003年4月正式頒布普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)稿），首次在信息技術(shù)課程中設(shè)立“人工智能初步”選修模塊，從而邁出了我國(guó)高中階段開展人工智能教育的第一步。

專家系統(tǒng)在人工智能領(lǐng)域享有很高的聲譽(yù)，曾被認(rèn)為“是人工智能從幻想到實(shí)踐，再由實(shí)踐到理論的主角”。以專家系統(tǒng)作為學(xué)習(xí)對(duì)象，可以對(duì)學(xué)生的以下幾個(gè)方面產(chǎn)生積極的作用：

1、 培養(yǎng)學(xué)生問題解決方法的多樣性

人們?cè)诂F(xiàn)實(shí)生活中遇到的問題按其結(jié)構(gòu)劃分，大致可以分為三類：^[6]結(jié)構(gòu)化問題（能用形式化或公式化方法描述和求解的問題）、非結(jié)構(gòu)化問題（難用確定的形式來描述，主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來求解的一類問題）和半結(jié)構(gòu)化問題（介于以上兩種之間的問題）。

學(xué)生在中學(xué)階段要求解決的大都是結(jié)構(gòu)化問題。求解結(jié)構(gòu)化問題主要途徑是：算法＋數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。而專家系統(tǒng)最適合那些沒有高效算法解決的情況，即非結(jié)構(gòu)化問題和半結(jié)構(gòu)化問題。解決這類問題，推理可能是尋求較好解決方法的唯一希望。因此，求解非結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化問題的主要途徑是：知識(shí)＋推理。

通過讓學(xué)生借助專家系統(tǒng)工具建造專家系統(tǒng)，包括知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建和推理機(jī)制的設(shè)計(jì)，可以讓學(xué)生在了解專家系統(tǒng)的基本特征，體驗(yàn)、認(rèn)識(shí)專家系統(tǒng)的知識(shí)與技術(shù)的過程中獲得對(duì)非結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化問題解決過程的了解，從而使學(xué)生了解計(jì)算機(jī)解決問題方法的多樣性，培養(yǎng)學(xué)生的多種思維方式，達(dá)到提高信息素養(yǎng)的目的。

2、  培養(yǎng)學(xué)生人際交流的能力

為成功開發(fā)一個(gè)專家系統(tǒng)要求領(lǐng)域?qū)＜?、知識(shí)工程師和用戶的密切配合，領(lǐng)域?qū)＜姨峁┲R(shí)和求解方法，用戶提供需求，知識(shí)工程師從專家那里獲取知識(shí)，并將其轉(zhuǎn)化到計(jì)算機(jī)上。在專家系統(tǒng)的教學(xué)中，可以要求學(xué)生自行構(gòu)建由產(chǎn)生式規(guī)則組成的知識(shí)庫(kù)，學(xué)生作為知識(shí)工程師或領(lǐng)域?qū)＜?，即要能清楚地向他人表述自己意圖，又要具備從別人那里獲得對(duì)自己有用的信息的能力。通過這種角色扮演，有利于培養(yǎng)學(xué)生的人際交流的能力，提高協(xié)作意識(shí)。

3、  開發(fā)學(xué)生的元認(rèn)知能力

元認(rèn)知又稱反省認(rèn)知，即對(duì)認(rèn)知的認(rèn)知，是個(gè)人關(guān)于他自己的認(rèn)知活動(dòng)過程和結(jié)果以及與之有關(guān)的任何事項(xiàng)的認(rèn)知，其實(shí)質(zhì)是個(gè)體對(duì)自己認(rèn)知活動(dòng)的自我意識(shí)和自我調(diào)節(jié)^[7]。斯騰伯格認(rèn)為，人們對(duì)自身思維過程（分析、創(chuàng)造和實(shí)踐性的問題解決、推理和決策制定等）了解和控制的元認(rèn)知能力，相比單純的認(rèn)知能力（如知覺、記憶和思維過程）更能影響到智力^[8]。而我國(guó)現(xiàn)行的學(xué)習(xí)目標(biāo)大都以布盧姆的教育目標(biāo)分類學(xué)或加涅的理論為指導(dǎo)，在制定學(xué)習(xí)目標(biāo)時(shí)往往忽略元認(rèn)知能力的培養(yǎng)。

由于專家系統(tǒng)中的知識(shí)組織和推理過程是對(duì)人類專家思維方式的一種模擬與再現(xiàn)，因此學(xué)生在建造知識(shí)庫(kù)過程中，需要反省自己的思維過程，將原來零碎的未成型的知識(shí)概念化、形式化和條理化，從而內(nèi)化為學(xué)生自己的東西。通過自己實(shí)踐構(gòu)建一個(gè)小型的專家系統(tǒng)，可以為學(xué)習(xí)者提供一個(gè)反思自身思維過程的機(jī)會(huì)，有助于學(xué)生認(rèn)知水平的提高。

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3、  Ｒ·勃朗遜:過去、現(xiàn)在和未來的教學(xué)模式。美國(guó)《教育技術(shù)》雜志

4、  李力 智能化：提升現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育水準(zhǔn)的重要途徑——遠(yuǎn)程教育領(lǐng)域AI應(yīng)用前瞻， 電化教育研究，2002.12，25—28

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7、  朱永祥. 小學(xué)生元認(rèn)知技能培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)研究報(bào)告[J]. 教育研究. 2000.6

8、  [美] RJ 斯騰伯格. 成功智力[M]. 吳國(guó)宏. 錢文譯. 上海：華東師范大學(xué)出版社.1999

作者簡(jiǎn)介：

李慧迎：女，1977年生，漢，籍貫：湖南，職稱：講師，工作單位：湖南科技大學(xué)教育學(xué)院，現(xiàn)在華東師范大學(xué)攻讀碩士學(xué)位，研究方向：教育技術(shù)學(xué)

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