認(rèn)知學(xué)徒制在“推理與專家系統(tǒng)”教學(xué)中的應(yīng)用

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(gè)主題之一，該主題的教學(xué)與認(rèn)知學(xué)徒制的知識(shí)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(shí)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(hào)】G420 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【論文編號(hào)】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(shí)驗(yàn)）》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(gè)主題：“知識(shí)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(duì)“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(shí)例分析，知道專家系統(tǒng)正向、反向推理的基本原理；會(huì)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(huì)使用一個(gè)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(shí)，體驗(yàn)專家系統(tǒng)的技術(shù)與應(yīng)用，感受專家系統(tǒng)對(duì)學(xué)習(xí)和生活的影響，從而激發(fā)對(duì)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(shí)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(shí)觀與“推理與專家系統(tǒng)”強(qiáng)調(diào)知識(shí)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(shí)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(shí)結(jié)合起來，是完成有意義的/真實(shí)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(shí)知識(shí)的獲得，而是重視專家在獲取知識(shí)或?qū)⒅R(shí)運(yùn)用于復(fù)雜現(xiàn)實(shí)生活任務(wù)/問題時(shí)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(shí)踐。

（3） 將學(xué)校課程中的抽象任務(wù)/內(nèi)容置于對(duì)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(gè)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(dòng)物識(shí)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(shí)；第三步，將日常生活知識(shí)轉(zhuǎn)化為專家系統(tǒng)能推理和解釋的知識(shí)表示形式，如產(chǎn)生式規(guī)則表示，框架知識(shí)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(shí)知識(shí)，更強(qiáng)調(diào)將知識(shí)轉(zhuǎn)化為專家系統(tǒng)能推理和解釋的知識(shí)表示形式，最終能用專家系統(tǒng)解決實(shí)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(shí)進(jìn)行邏輯化表示后去解決現(xiàn)實(shí)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(shí)觀

比利特（Billett，1993）認(rèn)為學(xué)習(xí)的知識(shí)包括三種形式：陳述性知識(shí)（關(guān)于是“什么”的知識(shí)）、程序性知識(shí)（關(guān)于“怎么做”的知識(shí)）和情感性知識(shí)（關(guān)于價(jià)值觀和態(tài)度的知識(shí)）。陳述性知識(shí)用來提供事實(shí)和陳述，程序性知識(shí)用來提供做事過程的規(guī)則，情感性知識(shí)用來提供對(duì)事情的意見與看法。在一些實(shí)際工作情境中，程序性知識(shí)通常是可以直接觀察的，而陳述性知識(shí)的內(nèi)容則往往比較模糊、不透明。因此，與程序性知識(shí)相比，在日常工作的活動(dòng)中，一些類型的概念性知識(shí)獲得更加困難，學(xué)習(xí)者對(duì)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(shí)，比利特和羅斯（Billett & Rose,1996）認(rèn)為：第一，陳述性的知識(shí)是在參與社會(huì)實(shí)踐、從事日常工作的過程中獲得的。在日常的工作實(shí)踐中，人們必須解決問題、實(shí)現(xiàn)目標(biāo)而這些活動(dòng)真正促進(jìn)了人們對(duì)學(xué)習(xí)對(duì)象的理解；第二，在學(xué)習(xí)的闡釋或知識(shí)的建構(gòu)過程中，個(gè)體之間的密切互動(dòng)是知識(shí)一個(gè)非常重要的來源，特別是熟練的指導(dǎo)者能夠幫助個(gè)體建構(gòu)知識(shí)，“強(qiáng)烈的社會(huì)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(shí)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(shí)也可分為陳述性知識(shí)和程序性知識(shí)。陳述性知識(shí)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(shí)，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(shí)主要是存在于專家系統(tǒng)的知識(shí)庫中，以“if<前提>then<結(jié)論>”形式來編程陳述性知識(shí)，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(dòng)。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(shí)的基礎(chǔ)上編寫程序性知識(shí)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(shí)，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(shí)獲取及其向陳述性知識(shí)的轉(zhuǎn)化，與認(rèn)知學(xué)徒制知識(shí)觀所倡導(dǎo)的知識(shí)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(jí)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(duì)那些重要的情境進(jìn)行區(qū)分；

（3） 階段3——?jiǎng)偃坞A段。學(xué)習(xí)者能夠識(shí)別情境的重要特征，并以此為基礎(chǔ)思考行動(dòng)的目標(biāo)和計(jì)劃，用來指導(dǎo)行動(dòng)；

（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(dòng)計(jì)劃，能夠快速概括、識(shí)別情境并訂出計(jì)劃；

（5） 階段5——專家。專家憑借直覺行動(dòng)，這種直覺來自對(duì)情境的深刻理解，不關(guān)注規(guī)則的和特征，而且行動(dòng)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(gè)階段中，學(xué)習(xí)者從新手到專家的過渡過程就是從被動(dòng)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(shí)時(shí)，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(dòng)和建構(gòu)的水平。在技能發(fā)展的高級(jí)階段，對(duì)理解技能中的智力因素的需要進(jìn)一步增加，而對(duì)詳細(xì)指導(dǎo)的需要急劇下降，因?yàn)橹R(shí)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(yàn)專家系統(tǒng)的開發(fā)過程，加深學(xué)習(xí)體驗(yàn)。在實(shí)際教學(xué)中，我們將上述技能發(fā)展的五個(gè)階段簡化為三個(gè)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(duì)新手）、課程教師（相對(duì)于學(xué)生為專家）以及專家建構(gòu)的專家系統(tǒng)（相對(duì)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(duì)新手向相對(duì)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(duì)所建立的專家系統(tǒng)類型的相關(guān)陳述性知識(shí)和程序性的需要不斷增加，而對(duì)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(shí)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(duì)教師來說，要精心設(shè)計(jì)教學(xué)以表現(xiàn)專家實(shí)踐的思維過程，并引導(dǎo)學(xué)生積極參與、體驗(yàn)，在這個(gè)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(shí)予以指導(dǎo)。對(duì)學(xué)生來說，通過對(duì)特定領(lǐng)域?qū)＜覍?shí)踐能力的模仿、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(duì)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(jì)。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(shí)用性、貼切性和可開發(fā)性，如“當(dāng)?shù)芈糜尉包c(diǎn)識(shí)別”、“特色小吃劃分”等專家系統(tǒng)，并把情境化的活動(dòng)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(shí)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(duì)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(shí)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(duì)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(shí)獲取策略，并具體付諸實(shí)施，這是一個(gè)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(shí)。 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(shí)，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(huì)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(shí)將答案呈現(xiàn)給用戶，這個(gè)過程如同教師與學(xué)生在進(jìn)行面對(duì)面的教學(xué)，學(xué)生還可以充分體驗(yàn)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(yàn)，具有一定的實(shí)用價(jià)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(jì)專家系統(tǒng)的學(xué)生將會(huì)在這種活動(dòng)中受益匪淺，因?yàn)檫@是一個(gè)對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行深度加工的過程。[9]

參考文獻(xiàn)

[1] 張劍平,張家華,我國人工智能課程實(shí)施的問題與對(duì)策[M],中國電化教育,2008,(10):95-98.

[2] 教育部.普通高中技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn))[M].北京:人民教育出版社,2003:24.

[3] 高文.教學(xué)模式論[M].上海:上海教育出版社,2002:342.

[4] 鐘志賢.信息化教學(xué)模式:理論建構(gòu)與實(shí)踐例說[M].北京:教育科學(xué)出版社,2005:263.

[5] 趙蒙成.工作場(chǎng)的學(xué)習(xí):概念、認(rèn)知基礎(chǔ)與教學(xué)模式[J].比較教育研究,2008,(1):51-56.

[6] Billett, S.R, & Rose, J.Developing Conceptual Knowledge in the Workplace. In J. Stevenson (Ed.).Learning in theWorkplace: Tourism and Hospitality.Brisbane, Australia: Griffith University, Center for Learning and Work Research, 1996:204-208.

[7] 周躍良,張燕.人工智能教育的理論基礎(chǔ)及教學(xué)組織[J].中小學(xué)信息技術(shù)教育,2003,(10):10-13.

[8] 李斌,張琦.論認(rèn)知學(xué)徒制教學(xué)模式[J],江西教育科研,2006,(12):16-19.

[9] 張劍平.關(guān)于人工智能教育的思考[J].電化教育研究,2003,(1):24-28.