高中信息技術(shù)《人工智能初步》模塊培訓(xùn)探析

張聰品　孫全黨　趙小莉

高中信息技術(shù)課包括必修與選修兩個(gè)部分，高中信息技術(shù)課總學(xué)分為2＋2，其中必修2學(xué)分，科目內(nèi)選修(人工智能初步)2學(xué)分。4個(gè)學(xué)分是學(xué)生取得高中畢業(yè)資格的基本要求。人工智能初步選修模塊包括五部分，分別是初識人工智能、知識的表示、人工智能語言(Prolog語言)、推理與專家系統(tǒng)、通過搜索求解問題。

中學(xué)生選修《人工智能初步》具有重要意義，第一，既培養(yǎng)了學(xué)生多種思維方式，又綜合鍛煉了信息素養(yǎng)?，F(xiàn)實(shí)世界的問題可以按照結(jié)構(gòu)化程度劃分成三個(gè)層次：結(jié)構(gòu)化問題、非結(jié)構(gòu)化問題、半結(jié)構(gòu)化問題。一般說來，中學(xué)階段開設(shè)的傳統(tǒng)意義上的信息技術(shù)課程中所介紹的信息技術(shù)，例如多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、算法與程序設(shè)計(jì)等，都是求解結(jié)構(gòu)化問題的基本技術(shù)。而人工智能技術(shù)則是解決非結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化問題、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)化問題的一類有效技術(shù)；第二，使學(xué)生體驗(yàn)人類專家解決復(fù)雜問題的思路，從而提高學(xué)生的邏輯思維能力；第三，使學(xué)生了解信息技術(shù)發(fā)展的前沿，激發(fā)學(xué)生對信息技術(shù)未來的追求。

《人工智能初步》選修模塊的教學(xué)內(nèi)容決定了其課堂教學(xué)應(yīng)與其他模塊課堂教學(xué)存在較大的不同，如何呈現(xiàn)技術(shù)原理，如何把握技術(shù)深度，如何提練技術(shù)方法，如何創(chuàng)設(shè)技術(shù)情境等這些超越了技術(shù)本身的知識和原理框架的問題，是《人工智能初步》模塊的課堂教學(xué)需要探索解決的。本文按照課程標(biāo)準(zhǔn)，通過研究人工智能初步選修模塊中的技術(shù)對學(xué)生學(xué)習(xí)的價(jià)值，在省中學(xué)骨干教師培訓(xùn)過程中尋求教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)和教學(xué)方法突破的方略。

一、《人工智能初步》模塊內(nèi)容簡介

目前，比較流行的人工智能理論有思維理論、知識閾值理論、進(jìn)化理論?！度斯ぶ悄艹醪健愤x修模塊的智能思想是基于知識閾值理論的，因此，教學(xué)中每一部分的講解始終貫徹知識閾值理論的思想。

所謂知識閾值理論是指人類的智能活動(dòng)過程主要是一個(gè)獲得并運(yùn)用知識的過程，知識是智能的基礎(chǔ)。為了使計(jì)算機(jī)具有智能，就必須使它具有知識。為了使計(jì)算機(jī)具有知識，需要用適當(dāng)?shù)哪Ｊ桨阎R表示出來才能存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中去，教材的第二部分詳細(xì)介紹了常用的知識表示方法。

要在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對人類腦功能的模擬和再現(xiàn)，就需要掌握計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言。教材的第三部分人工智能語言詳細(xì)介紹了Proiog。Prolog是以一階謂詞邏輯為基礎(chǔ)的邏輯程序設(shè)計(jì)語言。Prolog程序由事實(shí)、規(guī)則和目標(biāo)組成，它通過演繹推理求解問題。Prolog是描述性非常強(qiáng)的一種語言，語句的說明性語義和過程性語義具有統(tǒng)一性，很適合表達(dá)人的思維和推理規(guī)則，具有模式匹配、回溯、遞歸、事實(shí)數(shù)據(jù)庫等強(qiáng)大功能。隨著人工智能技術(shù)的成熟和廣泛應(yīng)用，智能系統(tǒng)越來越受到重視，Prolog語言也得到充分應(yīng)用。現(xiàn)在，Prolog語言已廣泛應(yīng)用于專家系統(tǒng)(教材第四部分)、復(fù)雜抽象問題求解(教材第五部分)等領(lǐng)域，在這些智能系統(tǒng)中，首先需要把知識在Prolog環(huán)境下表示出來。

知識表示和人工智能語言分別是知識閾值理論和智能系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)和核心部分，在教學(xué)中舉足輕重。本文對這兩部分的教學(xué)進(jìn)行了深入研究探討，在培訓(xùn)中跳出了教學(xué)習(xí)慣思維的羈絆，將知識表示方法與人工智能語言融于一體，教學(xué)中既體現(xiàn)技術(shù)方法和技術(shù)思想的挖掘，又關(guān)注技術(shù)文化與信息文化理念的表達(dá)。

二、《人工智能初步》核心內(nèi)容——基于Prolog的知識表示

教材詳細(xì)介紹了框架表示法、產(chǎn)生式表示法、謂詞邏輯表示法、狀態(tài)空間表示法、與或圖表示法。本文在培訓(xùn)過程中探索了不同的知識表示法統(tǒng)一于Prolog語言下的教學(xué)思維。

1一階謂詞邏輯和產(chǎn)生式表示法

一階謂詞邏輯表示法以謂詞公式來表示事物的狀態(tài)、屬性、概念、動(dòng)作的主客體等事實(shí)性知識，表示事物之間的因果關(guān)系，表示對各種問題的比較與分析得出的規(guī)律性知識等過程性的知識。用謂詞公式表示知識時(shí)，首先定義謂詞，指出每個(gè)謂詞的確切含義，然后再用聯(lián)結(jié)詞把有關(guān)的謂詞連接起來，形成一個(gè)謂詞公式表達(dá)一個(gè)完整的意義。Prolog語言的事實(shí)語句表示事物的性質(zhì)和關(guān)系，規(guī)則語句表示事物間的因果關(guān)系、蘊(yùn)含關(guān)系以及對應(yīng)關(guān)系。顯然，謂詞公式很容易在Prolog環(huán)境下使用事實(shí)語句和規(guī)則語句實(shí)現(xiàn)。--

產(chǎn)生式表示法以產(chǎn)生式表示具有因果關(guān)系的知識，一組產(chǎn)生式放在一起，相互配合協(xié)同作用，在求解問題時(shí)，一個(gè)產(chǎn)生式生成的結(jié)論可以供另—個(gè)產(chǎn)生式作為已知事實(shí)使用，從而形成產(chǎn)生式系統(tǒng)。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。綜合數(shù)據(jù)庫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)，規(guī)則庫存放與求解問題有關(guān)的所有規(guī)則的集合，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。在Prolog環(huán)境下，綜合數(shù)據(jù)庫中的事實(shí)使用事實(shí)語句實(shí)現(xiàn)，規(guī)則庫中的規(guī)則使用規(guī)則語句實(shí)現(xiàn)，控制系統(tǒng)由Prolog語言提供的機(jī)制實(shí)現(xiàn)。

在培訓(xùn)過程中使用了教材第四部分推理與專家系統(tǒng)中動(dòng)物識別系統(tǒng)中的知識作為例子，以便學(xué)員以知識閾值理論為主線，系統(tǒng)化教材的內(nèi)容。

動(dòng)物識別系統(tǒng)包含15條規(guī)則，見培訓(xùn)教材P78-79頁，以規(guī)則10為例，“如果動(dòng)物是食肉動(dòng)物，它的顏色是黃褐色，它有深色斑點(diǎn)，那么這個(gè)動(dòng)物是豹”，使用一階謂詞邏輯表示時(shí)，首先定義謂詞：eating_meat(x)表示x是食肉動(dòng)物，leopm'dl(x)表示x是豹，yellow_blaek(x)表示x是黃褐色，black_spot(x)表示x有深色斑點(diǎn)，然后使用聯(lián)結(jié)詞把謂詞連接起來，形成謂詞公式：(Vx) (eating_meat(x)^yellow_black(x)^black_spot(x)_leopardl(x))。用產(chǎn)生式表示為：IF eating_meat(x)AND yellow_black(x)AND black_spot(x)THEN leopardl(x)。

在培訓(xùn)過程中，在Prolog環(huán)境下定義謂詞animal_is(x)表示動(dòng)物是x，it_is(x)表示類別是x，posit]ve表示事實(shí)。下面的規(guī)則語句實(shí)現(xiàn)了上述產(chǎn)生式的功能。animal is(“豹”)：一it_is(“食肉動(dòng)物”)，positive(“黃褐色”)，positive(“深色斑點(diǎn)”)。

培訓(xùn)過程中在Pinlog語言環(huán)境下設(shè)計(jì)了動(dòng)物識別系統(tǒng)程序，并把該識別程序和InterModeller v3，4下動(dòng)物識別過程進(jìn)行了分析比較，使學(xué)員同時(shí)掌握了第四章專家系統(tǒng)的基本原理以及設(shè)計(jì)思想。

2框架表示法

框架表示法是以框架理論為基礎(chǔ)發(fā)展起來的一種結(jié)構(gòu)化的知識表示方法。框架理論認(rèn)為人們對現(xiàn)實(shí)世界中各種事物的認(rèn)識都是以一種類似于框架的結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)在記憶中，遇到一個(gè)新事物時(shí)，從記憶中找出一個(gè)合適的框架，根據(jù)新的情況對其細(xì)節(jié)加以修改、

補(bǔ)充，形成對新事物的認(rèn)識。但是，人們不可能把過去的經(jīng)驗(yàn)全部存放在大腦中，而只能以一種通用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式把它們存儲(chǔ)起來，當(dāng)新情況發(fā)生時(shí)，只需把新的數(shù)據(jù)加入到通用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中便可形成一個(gè)具體的實(shí)體，這樣的通用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就稱為框架。一個(gè)框架系統(tǒng)由多個(gè)框架組成，一個(gè)框架由若干個(gè)槽組成，槽用于描述所論對象某一方面的屬性，一個(gè)槽由若干個(gè)側(cè)面組成，側(cè)面用于描述相應(yīng)屬性的一個(gè)方面。下面是—個(gè)使用框架表示的關(guān)于中國地震的報(bào)道。

框架名：<中國地震>

地點(diǎn)：中國汶川

時(shí)間：5月12日

死亡人數(shù)：69200

受傷人數(shù)：374216

震級：8.0

框架表示法中的框架是一種描述所研究對象屬性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所研究對象的屬性是事實(shí)性的知識，在Prolog環(huán)境下，使用事實(shí)語句實(shí)現(xiàn)事實(shí)性知識的表示，由于框架是一種結(jié)構(gòu)化的知識表示法，因此關(guān)鍵問題是定義事實(shí)語句中的項(xiàng)，這些項(xiàng)應(yīng)把對象的屬性描述出來。把框架中的每一個(gè)槽定義成一個(gè)項(xiàng)，槽中的一個(gè)側(cè)面定義為一個(gè)子項(xiàng)。

Frame(name(“中國地震”)

location(“中國汶川”)

time(“5月12日”)

number_of_death(“69200”)

number_of_hurted(“374216”)

level一o￡_earthquake(“8.0”)

另外，在prolog下可以把框架的內(nèi)容作為一項(xiàng)，槽作為框架內(nèi)容的一個(gè)子項(xiàng)，側(cè)面作為槽的子項(xiàng)實(shí)現(xiàn)框架知識表示。

3狀態(tài)空間表示法和與或圖表示法

在問題求解中，問題的狀態(tài)空間表示法與問題的與或圖表示法是使用最多的表示法。

在狀態(tài)空間表示法中，問題是用“狀態(tài)”和“操作”來表示的，問題求解過程是用“狀態(tài)空間”來表示的。狀態(tài)是表示問題求解過程中每一步問題狀況的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它可形式地表示為：Sk={SkO，Ski…}；操作是把問題從一種狀態(tài)變換為另一種狀態(tài)的手段；狀態(tài)空間用來描述一個(gè)問題的全部狀態(tài)以及這些狀態(tài)之間的相互關(guān)系。在求問題的解時(shí)，首先為問題選擇適當(dāng)?shù)摹盃顟B(tài)”及“操作”的形式化描述方法，然后從某個(gè)初始狀態(tài)出發(fā)，每次使用一個(gè)“操作”，遞增地建立起操作序列，直到達(dá)到目標(biāo)狀態(tài)為止。問題的一個(gè)解就是由初始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)所使用的算符序列。利用prolog提供的匹配合一、回溯等運(yùn)行機(jī)制，狀態(tài)空間表示法描述的問題很容易實(shí)現(xiàn)。

與或圖表示法是通過對問題進(jìn)行分解或等價(jià)變換找到問題的解。分解是指如果一個(gè)問題P可以歸約為一組子問題P1，P2，……，Pn，并且只有當(dāng)所有子問題H(i_1，2，……，n)都有解時(shí)，原問題P才有解；任何一個(gè)子問題Pi無解都會(huì)導(dǎo)致原問題P無解，分解所得到的子問題的“與”和原問題P等價(jià)。等價(jià)變換是指如果一個(gè)問題P可以歸納為一組子問題Pl，P2，…一，Pn，并且這些子問題Pi中只要有一個(gè)有解則原問題P就有解，只有當(dāng)所有子問題Pi都無解時(shí)原問題P才無解，變換所得到的子問題的“或”與原問題P等價(jià)。無論是分解還是變換，都是要將原問題歸約為一系列直接解答的本原問題或不可解問題[5]。分解或等價(jià)變換的過程可以使用與或樹描述出來，問題的解就是通過搜索與或樹找到的解樹。利用prolog提供的遞歸機(jī)制，與或樹表示法描述的問題的解很容易實(shí)現(xiàn)。

在培訓(xùn)過程中，強(qiáng)調(diào)這兩種知識表示方法是知識表示的具體方式，與問題密切相關(guān)，它們描述了人類解決問題的思維方式，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)智能系統(tǒng)基于知識閾值理論的設(shè)計(jì)思想。培訓(xùn)過程中使用漢諾塔問題作為例子，漢諾塔問題在prolog下的實(shí)現(xiàn)見教材64-65頁，該案例融合了教材第二部分、第三部分以及第五部分的教學(xué)內(nèi)容。

本文對中學(xué)信息技術(shù)課選修模塊《人工智能初步》的教材進(jìn)行了深入研究，在對河南省骨干教師新課程培訓(xùn)中，突破了舊的教學(xué)習(xí)慣，緊緊圍繞知識閾值理論，將整個(gè)教材融于一體，在較短的時(shí)間內(nèi)，使學(xué)員掌握了《人工智能初步》的技術(shù)思想，取得了較好的培訓(xùn)效果。

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(責(zé)任編輯關(guān)燕云)