案例教學(xué)在產(chǎn)生式系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用

文章編號：1672-5913(2008)06-0079-02

摘要：本文介紹了我院通過引入案例教學(xué)方法對“人工智能”課程的教學(xué)改革實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：案例教學(xué)；產(chǎn)生式系統(tǒng)；動物識別系統(tǒng)

中圖分類號：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1引言

案例教學(xué)法是將案例討論的方法運(yùn)用到課堂教學(xué)活動中去，教師根據(jù)課堂教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容的需要，通過設(shè)置一個(gè)具體的案例，引導(dǎo)學(xué)生參與分析、討論、表達(dá)等活動，讓學(xué)生在具體問題情境中積極思考、主動探索，以提高教與學(xué)的質(zhì)量和效果，培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)識問題、分析問題和解決問題等綜合能力的一種教學(xué)方法。案例教學(xué)法的特點(diǎn)是：目的鮮明、具有啟發(fā)性、實(shí)踐性和綜合性。

“人工智能”是一門新興的前沿學(xué)科，是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的專業(yè)基礎(chǔ)課。為了培養(yǎng)學(xué)生對人工智能的興趣，提高學(xué)生知識創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新能力，本文在深入研究案例教學(xué)的基礎(chǔ)上，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，自編或精選了一些案例并運(yùn)用到教學(xué)活動中。下面詳細(xì)介紹基于案例的產(chǎn)生式系統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐過程。

2案例教學(xué)在產(chǎn)生式系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用

2.1產(chǎn)生式系統(tǒng)

在教學(xué)中，選用了王永慶編寫的《人工智能原理與方法》作為教材，該教材分為三部分，第一部分論述了人工智能的三大技術(shù)，即知識表示、推理及搜索；第二部分著重討論了專家系統(tǒng)、智能決策支持系統(tǒng)等研究領(lǐng)域的有關(guān)概念及系統(tǒng)構(gòu)成技術(shù)；第三部分討論了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和智能計(jì)算機(jī)的概念、模型、研究現(xiàn)狀等。知識表示中產(chǎn)生式系統(tǒng)是一種常用的表示方法，要求學(xué)生重點(diǎn)掌握。一個(gè)產(chǎn)生式系統(tǒng)通常包括規(guī)則庫、綜合數(shù)據(jù)庫、控制系統(tǒng)三部分。

規(guī)則庫是一個(gè)用來存放與求解問題有關(guān)的所有規(guī)則的集合。它包含了將問題從初始狀態(tài)轉(zhuǎn)換成目標(biāo)狀態(tài)所需要的所有變換規(guī)則－產(chǎn)生式。規(guī)則庫是產(chǎn)生式系統(tǒng)進(jìn)行問題求解的基礎(chǔ)，其知識的完整性、一致性、準(zhǔn)確性、靈活性，以及知識組織的合理性等，對系統(tǒng)的運(yùn)行效率都有著重要影響。

綜合數(shù)據(jù)庫是一個(gè)用來存放與求解問題有關(guān)的各種當(dāng)前信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。例如，問題的初始狀態(tài)、輸入的事實(shí)、推理得到的中間結(jié)論及最終結(jié)論等。

控制系統(tǒng)由一組程序組成，用來控制整個(gè)產(chǎn)生式系統(tǒng)的運(yùn)行，決定問題求解過程的推理線路，實(shí)現(xiàn)對問題的求解。

2.2設(shè)計(jì)案例

針對產(chǎn)生式系統(tǒng)，通過對所選案例的分析要能包含產(chǎn)生式系統(tǒng)的知識表示、工作過程及其特點(diǎn)，因此必須是以大量的細(xì)致研究為基礎(chǔ)，并且傾向于對產(chǎn)生式系統(tǒng)進(jìn)行歸納分析。我們選擇了一個(gè)簡單的動物識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠識別老虎、金錢豹、斑馬、長頸鹿、鴕鳥、企鵝、信天翁這7種動物。

2.2.1背景

問題就是一種情境。在這個(gè)情境中，我們希望達(dá)到一定的目標(biāo)，但是又不能即刻知道如何才能達(dá)到。人們的任務(wù)是運(yùn)用某種策略，尋找由問題的初始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的一條路徑。已知某種動物的一些特征，例如，已知?jiǎng)游镉邪蛋?、有長脖子、有長腿、有奶、有蹄，求解目標(biāo)：該動物是什么動物？

2.2.2主題

主題是案例的核心理念，要緊扣案例，從最有收獲、最有啟發(fā)的角度確定主題。本案例的主題非常明確就是動物的識別過程。

2.2.3細(xì)節(jié)

環(huán)繞主題，有針對性地描寫特定內(nèi)容，把關(guān)鍵性的細(xì)節(jié)寫清楚。本案例的細(xì)節(jié)包括動物識別系統(tǒng)的組成、工作過程、在Prolog下的實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵性的細(xì)節(jié)是在Prolog下的實(shí)現(xiàn)，包括綜合數(shù)據(jù)庫的實(shí)現(xiàn)、規(guī)則庫的實(shí)現(xiàn)(15條規(guī)則)、控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

綜合數(shù)據(jù)庫的實(shí)現(xiàn)：(1)已知事實(shí)使用什么數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述？(2)如何儲存這些事實(shí)？(3)中間結(jié)論如何表示與儲存？(4)最終結(jié)論如何保存？

規(guī)則庫的實(shí)現(xiàn)：(1)為了識別動物，選擇哪些識別規(guī)則？為什么？(2)如何組織這些規(guī)則？(3)如何表示這些規(guī)則？

控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)：(1)如何使用規(guī)則庫中的規(guī)則？(2)規(guī)則庫中的規(guī)則有沖突時(shí)，采用哪種沖突消解策略？(3)如何把推導(dǎo)出的結(jié)論放入綜合數(shù)據(jù)庫中？(4)算法思想如何在Prolog下實(shí)現(xiàn)？(5)采用正向推理還是逆向推理？

2.2.4結(jié)果

教學(xué)措施的即時(shí)效果，包括學(xué)生的反映和教師的感受。

學(xué)生的反映：(1)引起了對學(xué)習(xí)內(nèi)容產(chǎn)生式系統(tǒng)的濃厚興趣?！拔铱梢允褂?jì)算機(jī)根據(jù)動物的一些特征推斷出動物是什么嗎”？心理上形成了自我實(shí)現(xiàn)需要，為了這種需要就會努力開發(fā)自己的潛能，從而提高了分析問題解決問題的能力。(2)促使學(xué)會學(xué)習(xí)。為了解決一個(gè)問題，需要運(yùn)用某種策略，尋找由問題的初始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的一條路徑，這條路徑是經(jīng)過大腦思維后從多種路徑中選擇出來的，甚至是相關(guān)知識的綜合運(yùn)用提煉出來的，相關(guān)知識經(jīng)過了反復(fù)積淀，獲得了自主學(xué)習(xí)方法，學(xué)會了學(xué)習(xí)。(3)學(xué)會了與其他人的溝通與合作。案例教學(xué)過程中，需要經(jīng)過小組、班級的多次合作才能完成任務(wù)。

教師的感受：(1)加速了教師專業(yè)成長的速度。案例教學(xué)中，首先選擇或者設(shè)計(jì)案例，完成對相應(yīng)知識的概括，其次分析案例，提煉精華，最后升華為教師自己富有個(gè)性的理論。(2)加速了教師從“教書匠”成長為“研究型、學(xué)者型”的過程。選擇、設(shè)計(jì)案例以及分析案例是對教學(xué)實(shí)踐的反思，通過反思，提煉并明確有效的教育行為及其理論依據(jù)，從而更有效地指導(dǎo)以后的教學(xué)。

2.2.5評析

多角度地解讀和評析，回歸到教學(xué)的基本層面。

(1) 案例合適嗎？教學(xué)目標(biāo)是要求學(xué)生掌握產(chǎn)生式系統(tǒng)，使用產(chǎn)生式系統(tǒng)解決實(shí)際問題。產(chǎn)生式系統(tǒng)教學(xué)案例使用產(chǎn)生式描述動物識別系統(tǒng)，并在Prolog環(huán)境下實(shí)現(xiàn)，學(xué)生通過對該案例的學(xué)習(xí)、分析，很容易設(shè)計(jì)出Prolog環(huán)境下的簡單推理系統(tǒng)。

(2) 案例教學(xué)方法合適嗎？案例教學(xué)法歸納為講授法和討論法。講授法是以教師為主，通過教師對案例的講解，說明課程內(nèi)容；討論法是在教師的指導(dǎo)下以學(xué)生為主進(jìn)行討論的教學(xué)方法。產(chǎn)生式系統(tǒng)案例教學(xué)實(shí)施過程中，講授法為主，部分內(nèi)容采用了討論法。引起了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，發(fā)揮了學(xué)生的主動性。

(3) 案例教學(xué)達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)效果了嗎？從課后作業(yè)和大作業(yè)分析，取得了較好的效果。絕大多數(shù)同學(xué)獨(dú)立或者合作實(shí)現(xiàn)了大作業(yè)八數(shù)碼問題。

(4) 教學(xué)過程中存在哪些問題？在案例教學(xué)的實(shí)施過程中發(fā)現(xiàn)，部分同學(xué)被案例本身所吸引，忽視了蘊(yùn)含在案例中的基礎(chǔ)知識和基本概念；案例教學(xué)中教師的角色不易把握，在引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考分析問題克服學(xué)習(xí)上的依賴心理時(shí)，造成個(gè)別學(xué)生偏離主題；案例教學(xué)對知識體系結(jié)構(gòu)造成了一定的影響，需要引起注意。

2.3案例教學(xué)的實(shí)施過程

案例教學(xué)中采用了案例引入、案例討論、概括總結(jié)三個(gè)基本環(huán)節(jié)進(jìn)行。

2.3.1案例引入

在介紹了產(chǎn)生式的語法和語義、產(chǎn)生式系統(tǒng)的組成及工作原理后，通過屏幕演示動物識別系統(tǒng)的運(yùn)行過程，學(xué)生說出老虎、金錢豹、斑馬、長頸鹿、鴕鳥、企鵝、信天翁七種動物的一些特征，如有暗斑、有長脖子、有長腿、有奶、有蹄，系統(tǒng)識別出該動物是長頸鹿。演示過程中由于有些學(xué)生沒有說出某種動物的本質(zhì)特征，識別系統(tǒng)沒能給出正確答案。

2.3.2分析案例

首先，在POWERPOINT系統(tǒng)下放映動物識別系統(tǒng)的Prolog源程序，詳細(xì)介紹設(shè)計(jì)思想以及實(shí)現(xiàn)過程。

其次，分小組討論，小組內(nèi)互相啟發(fā)、補(bǔ)充、找出問題的關(guān)鍵所在，謀求最佳的解決對策。在小組討論過程中教師不進(jìn)行任何干涉，僅維持秩序。

最后，教師參與班級討論。在班級討論中，教師和學(xué)生處于平等的地位，根據(jù)學(xué)生要求，發(fā)表自己的觀點(diǎn)。

2.3.3總結(jié)案例

首先對學(xué)生的討論情況進(jìn)行總結(jié)。肯定學(xué)生中好的想法及獨(dú)到的見解，指出討論中的優(yōu)點(diǎn)和存在的不足。

其次，在總結(jié)討論情況的基礎(chǔ)上提出一些問題，如：規(guī)則庫有沒有更好的組織方式？如何增強(qiáng)系統(tǒng)的推理能力？如何進(jìn)一步提高系統(tǒng)的效率？要求學(xué)生寫出案例分析書面過程，并完成大作業(yè)解決八數(shù)碼問題。

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