剖析專家系統(tǒng)教學(xué)案例中的邏輯推理

浦丕志

摘要：本文聚焦浙江教育出版社出版的《信息技術(shù)（選擇性必修4）——人工智能初步》“算法與模型（簡單人工智能應(yīng)用模塊開發(fā)）”單元中的“專家系統(tǒng)”相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，分享在教學(xué)中通過專家系統(tǒng)解決實(shí)際問題的案例，搭建簡單的人工智能應(yīng)用模塊，親歷設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)專家系統(tǒng)的基本過程與方法，拓展學(xué)生思維，提高綜合應(yīng)用信息技術(shù)的能力。

關(guān)鍵詞：專家系統(tǒng);卡路里;細(xì)胞

中圖分類號(hào)：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 論文編號(hào)：1674-2117（2022）06-0000-03

人工智能是通過智能機(jī)器延伸、增強(qiáng)人類改造自然和治理社會(huì)能力的新興技術(shù)。[1]浙江教育出版社出版的《信息技術(shù)（選擇性必修4）——人工智能初步》在“算法與模型”單元（第二章）中，先介紹了類腦計(jì)算，進(jìn)而學(xué)習(xí)邏輯推理，這一部分包括命題邏輯、謂詞邏輯、邏輯推理規(guī)則、專家系統(tǒng)、知識(shí)圖譜、常識(shí)推理等內(nèi)容，最后了解人工智能的核心算法（搜索、決策樹、回歸分析、貝葉斯分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、混合增強(qiáng)智能等）。從實(shí)際教學(xué)過程和本單元知識(shí)結(jié)構(gòu)來看，第二節(jié)“邏輯推理”是本單元的教學(xué)重點(diǎn)，在“邏輯推理”這節(jié)課中“專家系統(tǒng)”的教學(xué)是關(guān)鍵內(nèi)容。專家系統(tǒng)是初步認(rèn)識(shí)人工智能應(yīng)用的基礎(chǔ)階段，教材指出“邏輯推理在人工智能領(lǐng)域最重要的應(yīng)用之一，就是專家系統(tǒng)”。[2]

● 引出問題

在專家系統(tǒng)教學(xué)案例中，教師首先應(yīng)創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境，引出項(xiàng)目問題：提供兩段視頻（控制能量攝入并適當(dāng)鍛煉的減肥方法、天宮課堂“微重力環(huán)境下細(xì)胞學(xué)實(shí)驗(yàn)”），學(xué)生可自主選擇視頻（問題）觀看，再查看項(xiàng)目資料和具體問題，依據(jù)已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)以及對問題感興趣程度、解決問題難度、完成的可能性、分組合作因素等評估，最終確定項(xiàng)目問題。項(xiàng)目問題關(guān)注學(xué)生的差異，用個(gè)體可獲取的資源支撐項(xiàng)目問題的遴選，也給學(xué)有余力且有升學(xué)、個(gè)性化發(fā)展需要學(xué)生提供了支持，兩段視頻分別引出“卡路里”問題和“真核細(xì)胞和原核細(xì)胞”問題。

1.“卡路里”問題

（1）食物基本熱量表（如下表）。

（2）計(jì)算當(dāng)日攝入的熱量?？防锸且环N熱量單位，1千卡（大卡）=4.19千焦，如一名同學(xué)早餐攝入油條100克、豆?jié){300克、雞蛋100克;午餐攝入米飯200克、牛肉200克、土豆150克;晚餐攝入饅頭200克、瘦豬肉200克、洋蔥150克，又吃了100克蘋果。其當(dāng)日攝入的熱量為1×320+3×40+1×165+2×125+2×300+1.5×80+2×225+2×290+1.5×40+1×60=2725千焦。請你算出當(dāng)日攝入的熱量？

（3）每日所需的卡路里。體重70千克的人每日所需的卡路里為4.19千焦×24小時(shí)×70千克=7039.2千焦，體重越重需要的熱量就越多。你每日所需的卡路里是多少？

（4）使用專家系統(tǒng)，判斷是否需要控制能量攝入并適當(dāng)鍛煉。如果當(dāng)日攝入的熱量≥每日所需的卡路里，需要“控制能量攝入并適當(dāng)鍛煉”。

2.“原核細(xì)胞和真核細(xì)胞”問題

在高一生物的“分子與細(xì)胞”內(nèi)容中，學(xué)生已經(jīng)接觸了細(xì)胞學(xué)知識(shí)，學(xué)習(xí)了“細(xì)胞是生命活動(dòng)的基本單位”“原核細(xì)胞和真核細(xì)胞”[3]等問題。天宮課堂“微重力環(huán)境下細(xì)胞學(xué)實(shí)驗(yàn)”中的心肌細(xì)胞是原核細(xì)胞還真是核細(xì)胞呢？

（1）實(shí)驗(yàn)觀測原核細(xì)胞和真核細(xì)胞。

（2）辨析原核細(xì)胞和真核細(xì)胞：支原體是原核生物（支原體是唯一不具有細(xì)胞壁的原核生物）。如果有細(xì)胞核膜，是真核細(xì)胞;無細(xì)胞核膜，是原核細(xì)胞。如果有染色體，是真核細(xì)胞;無染色體，是原核細(xì)胞。如果有細(xì)胞器，是真核細(xì)胞;無細(xì)胞器，是原核細(xì)胞。如果細(xì)胞壁含有纖維素或果膠，是真核細(xì)胞;含有肽聚糖，是原核細(xì)胞。

（3）使用專家系統(tǒng)，判別心肌細(xì)胞（某一細(xì)胞）是原核細(xì)胞還是真核細(xì)胞。專家系統(tǒng)對細(xì)胞的數(shù)據(jù)分析和通過細(xì)胞核膜、染色體、細(xì)胞器、肽聚糖、纖維素、果膠觀測來判斷出是原核細(xì)胞還是真核細(xì)胞。

● 學(xué)習(xí)“專家系統(tǒng)”

在教學(xué)中，通過個(gè)體學(xué)習(xí)資料與小組研討問題再合作匯報(bào)的形式學(xué)習(xí)教材下列內(nèi)容：

（1）專家系統(tǒng)是通過邏輯推理完成某一特定專家任務(wù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，能模擬現(xiàn)實(shí)生活中的專家，依據(jù)特定領(lǐng)域數(shù)據(jù)和方法解決實(shí)際問題。

（2）通過專家系統(tǒng)DENDEAL、MYCIN來形成對“專家系統(tǒng)”的基本認(rèn)識(shí)，了解“專家系統(tǒng)”通過搜索和推理，根據(jù)概率列表做出相應(yīng)決策。

（3）認(rèn)識(shí)教材中專家系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)（人—機(jī)交互界面、知識(shí)庫和推理機(jī)），理解人—機(jī)交互界面的反饋過程。

（4）通過獨(dú)立的知識(shí)庫與推理機(jī)，經(jīng)過轉(zhuǎn)換，可以在一個(gè)領(lǐng)域?qū)＜蚁到y(tǒng)的基礎(chǔ)上快速開發(fā)另一領(lǐng)域?qū)＜蚁到y(tǒng)。

● 提出質(zhì)疑

教材中的專家系統(tǒng)根據(jù)用戶的“體檢單”，再從知識(shí)庫中搜索和提煉出有效的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯推理，經(jīng)推理機(jī)，分析出“患甲亢的概率為40%”的結(jié)果。鼓勵(lì)學(xué)生提出以下質(zhì)疑：①“體檢單”如何去冗余？怎樣建立“體檢單”數(shù)據(jù)文件（采用什么環(huán)境）？②怎樣建立進(jìn)行修改或添加的知識(shí)庫文檔，保證檢索的邏輯關(guān)系準(zhǔn)確地存儲(chǔ)？③在進(jìn)行邏輯推理后，推理機(jī)是如何分析出“患甲亢的概率為40%”的結(jié)論的？④你能否假想出推理機(jī)的內(nèi)容？思考推理機(jī)的科學(xué)依據(jù)的來源。⑤如何提高“專家系統(tǒng)”的水平？

提出質(zhì)疑的目的是更深入地理解“專家系統(tǒng)”的結(jié)構(gòu)，構(gòu)建“邏輯推理”是建立在大數(shù)據(jù)（經(jīng)驗(yàn)）的基礎(chǔ)上的思想，引導(dǎo)學(xué)生通過思考得知具體建立一個(gè)可以運(yùn)行的“專家系統(tǒng)”需要輸入用戶數(shù)據(jù)和收集整理相關(guān)邏輯推理數(shù)據(jù)，再通過推理機(jī)估算出結(jié)論。通過質(zhì)疑—回答，學(xué)生具備了體驗(yàn)“專家系統(tǒng)”基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)際問題，找到合理開發(fā)“專家系統(tǒng)”的環(huán)境（工具和平臺(tái)）、參數(shù)及交互方式，將邏輯描述變成可執(zhí)行的邏輯推理表達(dá)式，通過調(diào)試，完成完整“專家系統(tǒng)”項(xiàng)目的體驗(yàn)。

● 體驗(yàn)“專家系統(tǒng)”

1.“患甲亢的概率”問題

教師可采用小組合作的方式，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析專家系統(tǒng)對“患甲亢的概率”結(jié)論的實(shí)現(xiàn)過程，重點(diǎn)引出體檢單、知識(shí)庫、推理機(jī)等內(nèi)容，提出可行的建立和評估“專家系統(tǒng)”的方案。

可以鼓勵(lì)學(xué)生在合作之后，填寫“專家系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)”項(xiàng)目書，理清建立一個(gè)“專家系統(tǒng)”的步驟，對可以解決的質(zhì)疑問題進(jìn)行分解和細(xì)化，便于問題的解決。

2.“卡路里”問題

教師引導(dǎo)學(xué)生用Python完成專家系統(tǒng)（如圖1）。

專家系統(tǒng)要求輸入intake（當(dāng)日攝入的熱量）和n（體重），根據(jù)知識(shí)庫得到“每日所需的卡路里”，根據(jù)“intake>=4.19*24*n”的邏輯推理得出相應(yīng)的結(jié)論。

3.“原核細(xì)胞和真核細(xì)胞”問題

教師引導(dǎo)學(xué)生用Python完成專家系統(tǒng)（如圖2）。

專家系統(tǒng)要求輸入a（細(xì)胞名稱）和b（細(xì)胞特征），通過知識(shí)庫的邏輯推理辨析出細(xì)胞是“原核細(xì)胞和真核細(xì)胞”的結(jié)論。

學(xué)生在體驗(yàn)這個(gè)“專家系統(tǒng)”后，進(jìn)一步追問三個(gè)問題：①專家系統(tǒng)如何處理“支原體是唯一不具有細(xì)胞壁的原核生物”這類極端問題？②為什么“肽聚糖”關(guān)鍵字在專家系統(tǒng)沒有被定義？③評價(jià)這個(gè)專家系統(tǒng)，如何改進(jìn)這個(gè)專家系統(tǒng)？

● 總結(jié)問題

專家系統(tǒng)的“推理機(jī)”是專家系統(tǒng)的核心，只有讓學(xué)生體驗(yàn)“專家系統(tǒng)”，理解其邏輯推理的本質(zhì)，才能讓學(xué)生在模仿中習(xí)得，在創(chuàng)造中推新。

通過體驗(yàn)“專家系統(tǒng)”，也發(fā)現(xiàn)了影響“專家系統(tǒng)”水平的因素，了解社會(huì)智能化后面臨的倫理及安全挑戰(zhàn)，形成維護(hù)信息安全、數(shù)據(jù)科學(xué)的基本方法與措施。

邏輯推理是用戶數(shù)據(jù)和知識(shí)庫在經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的迭代，人工智能發(fā)揮了運(yùn)算速度快、存儲(chǔ)精度高（容量大）等優(yōu)勢模仿人類專家做出科學(xué)的決策。

在教學(xué)“簡單人工智能應(yīng)用模塊開發(fā)”時(shí)，需引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)生活中的實(shí)際問題，通過描述和分析，抽象和提煉出解決問題的關(guān)鍵邏輯關(guān)系，了解和體驗(yàn)人工智能的特點(diǎn)，感受人工智能技術(shù)核心算法、環(huán)境、交互對人們的影響。用差異化學(xué)習(xí)、個(gè)性化學(xué)習(xí)激發(fā)學(xué)生探究和創(chuàng)新意識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生利用人工智能技術(shù)服務(wù)人類發(fā)展的責(zé)任感。

參考文獻(xiàn)：

[1]教育部.普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：26.

[2]閆寒冰.普通高中教科書《信息技術(shù)》選擇性必修4人工智能初步[M].杭州：浙江教育出版社，2019：34.

[3]朱正威，趙占良.普通高中教科書《生物學(xué)》必修1分子與細(xì)胞[M].北京：人民教育出版社，2019：10.