人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討

韓潔瓊　閆大順

摘要：本文一方面簡單介紹人工智能的基本理論及知識體系結(jié)構(gòu)，另一方面則結(jié)合筆者的理論實(shí)踐與實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出目前在整個(gè)教學(xué)過程所存在的一些問題，目的在于不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，力爭能更好地完成人工智能的整個(gè)教學(xué)工作，從而提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量，同時(shí)也可以為其他高校提供參考。

關(guān)鍵詞：人工智能；專家系統(tǒng)；Prolog；面向人工智能

中圖分類號：G642文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1引言

人工智能(AI)是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)重要分支，同時(shí)也是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的核心課程之一。本課程在介紹人工智能的基本概念、基本方法的基礎(chǔ)上，主要是研究如何用計(jì)算機(jī)來模擬人類智能，即如何用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)諸如問題求解、規(guī)劃推理、模式識別、知識工程、自然語言處理、機(jī)器學(xué)習(xí)等只有人類才具備的“智能”，本課程重點(diǎn)闡述這些方法的一般性原理和基本思想，使得計(jì)算機(jī)能更好地為人類服務(wù)。

2人工智能課程體系

人工智能主要研究傳統(tǒng)人工智能的知識表示方法，其中包括狀態(tài)空間法、問題歸約法、謂詞邏輯法、語義網(wǎng)絡(luò)法、框架表示、劇本表示等；搜索推理技術(shù)主要包括盲目搜索、啟發(fā)式搜索、消解原理、規(guī)則演繹算法和產(chǎn)生式系統(tǒng)等。

人工智能的研究課題主要包括計(jì)算機(jī)視覺、規(guī)劃與行動、多Agent系統(tǒng)、語音識別、自動語言理解、專家系統(tǒng)和機(jī)器學(xué)習(xí)等。這些研究論題的基礎(chǔ)是通用和專用的知識表示和推理機(jī)制、問題求解和搜索算法，以及計(jì)算智能技術(shù)等。

經(jīng)過筆者調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前在本科高校絕大部分將“人工智能”課程性質(zhì)設(shè)為專業(yè)選修課或?qū)I(yè)必修課，而在高職院校相關(guān)專業(yè)基本上不開設(shè)此課程，但是在具體實(shí)踐教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，在其它專業(yè)課程的教學(xué)過程中也會與人工智能理論或技術(shù)相結(jié)合，比如數(shù)據(jù)庫技術(shù)、信息系統(tǒng)安全方面等領(lǐng)域，當(dāng)講到相關(guān)課程，同時(shí)會結(jié)合人工智能的理論，授課過程中發(fā)現(xiàn)大部分同學(xué)對該課程很有興趣。

本課程在我校計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院作為一門專業(yè)選修課開設(shè)，總學(xué)時(shí)數(shù)為：60(其中理論學(xué)時(shí)為36，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)為24)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷更新發(fā)展，人工智能的應(yīng)用領(lǐng)域也變得越來越廣，因此，人工智能(AI)這個(gè)學(xué)科已不再陌生，很多學(xué)生對其充滿興趣和好奇，所以在選課人數(shù)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他選修課的人數(shù)，另外結(jié)合我校的實(shí)際情況，部分理論或?qū)嶒?yàn)又可以與農(nóng)學(xué)、生命科學(xué)系等其它專業(yè)結(jié)合起來而應(yīng)用。

3人工智能理論教學(xué)實(shí)踐

多年以來，人工智能獲得很大的發(fā)展，已經(jīng)引起眾多學(xué)科和不同專業(yè)背景學(xué)者們的日益重視，成為一門廣泛的交叉和前沿科學(xué)，但是直到目前為止人工智能至今仍尚無統(tǒng)一的定義，要給人工智能下一個(gè)準(zhǔn)確、科學(xué)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩x尚有困難，其現(xiàn)有的一些定義多數(shù)是立足于各自的專業(yè)而定義的，存在片面性。

同時(shí)“人工智能”是一門交叉性的學(xué)科，其主要涉及到了控制論、語言學(xué)、信息論、神經(jīng)生理學(xué)、心理學(xué)、數(shù)學(xué)、哲學(xué)等許多學(xué)科，所以該學(xué)科具有知識點(diǎn)多、涉及面廣、內(nèi)容抽象、不易理解、理論性強(qiáng)，與此同時(shí)需要學(xué)生具備較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和較強(qiáng)的邏輯思維推理能力等特點(diǎn)，從而形成在教學(xué)實(shí)踐中老師講得吃力、學(xué)生聽得吃力的局面。盡管在多年的研究和教學(xué)過程中筆者已積累了一些經(jīng)驗(yàn)，但是對于如何把握好這門課程的特點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，幫助學(xué)生更好的理解和應(yīng)用這門課程，目前仍然有很多問題需要研究和解決。

針對“人工智能”課程相關(guān)內(nèi)容比較抽象，公式推導(dǎo)比較繁瑣等特點(diǎn)，教師除了具有完善的教學(xué)大綱、合理的教學(xué)計(jì)劃以及合適的教材外，還應(yīng)該根據(jù)學(xué)校的實(shí)際硬件條件盡可能地選擇多媒體教學(xué)手段來輔助教學(xué)，因此在實(shí)踐教學(xué)中，筆者經(jīng)常會配合教學(xué)內(nèi)容，充分利用計(jì)算機(jī)、投影儀以及互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢，結(jié)合多種教學(xué)方法與手段去組織整個(gè)教學(xué)過程。例如：在講述搜索推理技術(shù)時(shí)，使用一些小的演示軟件，將相關(guān)推理技術(shù)的理論通過動畫的形式一步一步演示出來；而在講專家系統(tǒng)相關(guān)理論知識時(shí)，尤其是各種類型的專家系統(tǒng)，利用互聯(lián)網(wǎng)上的一些在線視頻資源為例，給同學(xué)進(jìn)行詳細(xì)講解，通過具體的案例來進(jìn)行專項(xiàng)知識點(diǎn)的講解及實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用；在自動規(guī)劃這一章，給同學(xué)們選擇演示發(fā)達(dá)國家目前研制的各種類型機(jī)器人，通過這些形象生動、行為舉止高仿真的機(jī)器人來給學(xué)生講理論，這樣學(xué)生通過親自觀看視頻資源，不僅可以拓寬知識面及視野，同時(shí)也可以及時(shí)地了解國際及國內(nèi)機(jī)器人的發(fā)展水平及差距，不斷糾正自己的錯(cuò)誤觀點(diǎn)并更新自己新的專業(yè)認(rèn)識；另一個(gè)方面也可以同時(shí)激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣熱情和積極性，俗話說：“興趣是學(xué)生最好的老師!”這一點(diǎn)在課堂實(shí)踐教學(xué)中得到驗(yàn)證，得到廣大同學(xué)的認(rèn)可和贊同，整個(gè)教學(xué)課堂不再那么單調(diào)枯燥乏味，基本可以達(dá)到在娛樂輕松的氛圍中學(xué)習(xí)專業(yè)知識，同時(shí)再整個(gè)教學(xué)過程中，師生互動機(jī)會增多，學(xué)生不再是被動地接受知識。

4實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

4.1客觀存在問題

本校開設(shè)“人工智能”課程，主要是面向計(jì)算機(jī)專業(yè)的大學(xué)三年級的同學(xué)，同時(shí)作為一門專業(yè)選修課而設(shè)，理論課程為36學(xué)時(shí)，而實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)24學(xué)時(shí)；與此同時(shí)經(jīng)過對其它兄弟院校的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，很多高校雖然也是設(shè)為專業(yè)選修課，但建議學(xué)生們都去學(xué)習(xí)這門新學(xué)科，從而為今后的專業(yè)知識及具體應(yīng)用打下一定的基礎(chǔ)；當(dāng)然在調(diào)研中也發(fā)現(xiàn)，部分本科高校雖然開設(shè)了“人工智能”課程，但是僅是純粹理論教學(xué)，從一定角度來講，理論原理是前沿，但是由于太過于抽象，而且空洞、難以理解，多數(shù)同學(xué)反映學(xué)習(xí)效果并不理想，有關(guān)具體理論部分的具體實(shí)現(xiàn)仍然不解。

本科高校一般都嚴(yán)格按照培養(yǎng)方案進(jìn)行科學(xué)設(shè)置，同時(shí)各個(gè)學(xué)校根據(jù)本校人才培養(yǎng)方案分配各門課程的學(xué)時(shí)。由于現(xiàn)在我國的教育提倡注重對學(xué)生動手能力的培養(yǎng)，培養(yǎng)綜合型、應(yīng)用型人才，因此筆者再結(jié)合實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)及對學(xué)生的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)“人工智能”課程除了要進(jìn)行理論方面的講解外，還應(yīng)注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)。此外，在高職院校的培養(yǎng)方案中，側(cè)重加強(qiáng)學(xué)生的動手能力的培養(yǎng)，也建議將此課程列為開設(shè)的范圍之內(nèi)，而在實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)上可以安排相對多的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，在了解“人工智能”理論的前提基礎(chǔ)之上，主要進(jìn)行相關(guān)理論的具體應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)，通過這樣的教學(xué)安排，可以提高學(xué)生的實(shí)踐動手編程能力，例如圖1，專家系統(tǒng)的知識庫、工作存儲器及界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

4.2注重配套教材的選擇

這一任務(wù)的主要執(zhí)行者是由教研室主任或任課老師來完成。目前在各高校中所使用的“人工智能”相關(guān)教材的種類繁多，章節(jié)和內(nèi)容的設(shè)置上也存在差別。筆者在訂閱教材或參加教材展銷的活動中，都比較關(guān)注“人工智能”教材的情況，通過比較發(fā)現(xiàn)，有的教材內(nèi)容難度太低，完全不符合高等本科院校的要求，而有部分出版社的教材則是內(nèi)容及章節(jié)安排內(nèi)容太多太泛，有些知識點(diǎn)講的又過于深奧，限于學(xué)時(shí)所限也不適合選用。在選教

材方面，建議除了關(guān)注內(nèi)容方面外，還應(yīng)注重教材中所講的一些實(shí)例，注重這些例子的典型性、時(shí)效性及新穎性，因?yàn)殡S著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，IT產(chǎn)業(yè)與學(xué)科的發(fā)展也是日新月異，作為高校要培養(yǎng)人才，一定要本著貼近社會、服務(wù)社會的原則，培養(yǎng)適應(yīng)型人才。

4.3注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

目前高校在“人工智能”的教學(xué)過程中，實(shí)驗(yàn)所占的學(xué)時(shí)比較少，有的甚至不安排實(shí)驗(yàn)課學(xué)時(shí)：另外實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也相對比較簡單，應(yīng)用不到理論課堂上所學(xué)到的人工智能原理，實(shí)驗(yàn)效果不是很好。

面向人工智能課程的程序設(shè)計(jì)語言，多采用Prolog程序設(shè)計(jì)語言，它是一種基于一階謂詞的邏輯程序設(shè)計(jì)語言，它在AI和知識庫的實(shí)現(xiàn)技術(shù)方面具有十分重要的作用，具有表達(dá)力強(qiáng)、表示方便、便于理解、語法簡單等優(yōu)點(diǎn)，但在整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境也遇到了如下問題：首先是目前有關(guān)“人工智能”的專門配套實(shí)驗(yàn)教材很少；其次是即使有諸如《面向人工智能程序設(shè)計(jì)Prolog》教程，則主要是側(cè)重介紹這門自然語言的程序設(shè)計(jì)，而其中很多部分其實(shí)與AI實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)不是很關(guān)聯(lián)，另外教材價(jià)位也比較高。針對此種情況，本人在24個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，安排7個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，其中最后一個(gè)專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)作為一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)來設(shè)計(jì)。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中，首先筆者參考多本Prolog程序設(shè)計(jì)教程，選擇其中與實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃中相關(guān)的內(nèi)容，專門編寫相應(yīng)的電子教程，同時(shí)也結(jié)合本校學(xué)生本身的特點(diǎn)，有側(cè)重地體現(xiàn)和編寫，最終的目的是給學(xué)生一份完整的、系統(tǒng)的、規(guī)范的電子教程。這樣做的目的是：一方面作為學(xué)生參考的技術(shù)文檔；另一方面也可以節(jié)省學(xué)生的部分經(jīng)濟(jì)開支。電子教程的結(jié)構(gòu)分為三個(gè)部分來完成，首先為人工智能理論及原理，Prolog語言的使用說明；其次具體的例子演示(均經(jīng)過調(diào)試正常運(yùn)行)；最后布置給學(xué)生具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及相關(guān)題目，以提供給學(xué)生自己動手實(shí)踐的機(jī)會。此外在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，同時(shí)也會給學(xué)生們自由發(fā)揮的機(jī)會，比如專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)作為一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以采用Prolog編程實(shí)現(xiàn)，也可以采用其它自己擅長的程序設(shè)計(jì)語言，例如有的同學(xué)選擇c語言、vc++、VisualBasic、Java及網(wǎng)頁開發(fā)設(shè)計(jì)語言ASP／JSP等，此外在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容方面，實(shí)驗(yàn)遞交的專家系統(tǒng)涉及多個(gè)領(lǐng)域(有動物辨別、醫(yī)療診斷、動物養(yǎng)殖咨詢等專家系統(tǒng))、范圍也頗廣，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容重復(fù)性很小，在設(shè)計(jì)過程中，絕大部分同學(xué)均是結(jié)合自己的興趣愛好來完成設(shè)計(jì)。

面對實(shí)驗(yàn)教材的問題，建議本科高校由代課老師結(jié)合學(xué)生的實(shí)際水平親自編寫相關(guān)的電子教材，在確保教學(xué)內(nèi)容質(zhì)量的前提下，如果有條件的院?？梢詢?nèi)部印刷，以供學(xué)生學(xué)習(xí)參考，有針對地從易到難完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的編排，與此同時(shí)對于同學(xué)可能犯的錯(cuò)誤，也可在實(shí)驗(yàn)演示過程中或電子文檔中給出相應(yīng)提示信息，以幫助學(xué)生及時(shí)解決問題。而對于高職院校來講，一般實(shí)驗(yàn)課時(shí)會安排的比較充足，這樣可以選擇一些諸如《面向人工智能的程序設(shè)計(jì)語言》的教材，系統(tǒng)化規(guī)范化地進(jìn)行相應(yīng)知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)與應(yīng)用。

4.4鼓勵(lì)學(xué)生參加各類科技競賽

學(xué)生除了在課堂上掌握好人工智能的基礎(chǔ)理論知識外，將理論在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證和實(shí)現(xiàn)外，還可從以下幾個(gè)方面去加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐動手能力。其一是可以鼓勵(lì)學(xué)生業(yè)余時(shí)間參加課外興趣小組，在相關(guān)老師的帶隊(duì)指導(dǎo)下，進(jìn)行一些小型的智能玩具的開發(fā)設(shè)計(jì)；其二是針對部分學(xué)生感興趣的內(nèi)容，可以結(jié)合具體的工程項(xiàng)目或畢業(yè)設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，例如，在實(shí)踐教學(xué)過程中，有一位同學(xué)通過理論學(xué)習(xí)，對遺傳算法(GA)比較感興趣，但在“人工智能”教材中，共安排一章的內(nèi)容去簡單的闡述GA的算法及原理，內(nèi)容相對比較簡單，其專業(yè)內(nèi)容本身又可以獨(dú)立成為一門課程，因此，該生通過圖書館借閱或購買遺傳算法方面的教材，進(jìn)行理論深化，從專業(yè)角度去學(xué)習(xí)，不斷提高自身的專業(yè)水平，目前已經(jīng)完成了有關(guān)遺傳算法方面的畢業(yè)論文設(shè)計(jì)，整體難度及收獲要比在實(shí)驗(yàn)課堂的內(nèi)容要深與專；其三鼓勵(lì)學(xué)生參加各種形式的智能競賽，現(xiàn)在每年廣東省或全國都會舉辦相關(guān)智能競爭，例如，廣東省智能機(jī)器人競賽、廣東省智能玩具設(shè)計(jì)競賽、全國大學(xué)生智能車競賽等形式，在這方面可以提高學(xué)生的動手實(shí)踐能力，同時(shí)加強(qiáng)對知識的應(yīng)用與探索、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，同時(shí)本著立足培養(yǎng)，重在參與的精神。

5總結(jié)

人工智能的研究成果將能夠創(chuàng)造出更多、更高級的智能“制品”，并使之在越來越多的領(lǐng)域超越人類智能，同時(shí)將為發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)和改善人類生活做出更大的貢獻(xiàn)，例如，在2009年3月23日，日本推出一款高仿真“美女”機(jī)器人在東京時(shí)裝周上登臺進(jìn)行了時(shí)裝展示。

作為一名當(dāng)代的大學(xué)生有必要學(xué)好這門課程，但是根據(jù)實(shí)際教學(xué)情況，教師與學(xué)生仍然需要繼續(xù)進(jìn)行相應(yīng)的研究，只有不斷地探索和提高，才能使我們的教學(xué)工作更上一層樓，才能培養(yǎng)出符合時(shí)代和社會需求的人才。另外人工智能與農(nóng)業(yè)等方面存在很多結(jié)合應(yīng)用的契機(jī)，這樣計(jì)算機(jī)就可真正地服務(wù)于社會、服務(wù)于人類、服務(wù)于農(nóng)業(yè)、應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、發(fā)展農(nóng)業(yè)。