【摘要】：文章簡(jiǎn)要的分析了專(zhuān)家系統的組成結構及其特點(diǎn)，著(zhù)重探討了在以學(xué)習者為中心的教育活動(dòng)中，專(zhuān)家系統作為學(xué)習工具和學(xué)習對象的主要應用，及其促進(jìn)教育信息化發(fā)展和提高學(xué)生信息素養方面的作用。
【關(guān)鍵詞】：專(zhuān)家系統 學(xué)習工具 學(xué)習對象
一、引言
在信息社會(huì )中，現代教育技術(shù)發(fā)展迅猛，對我國教育教學(xué)的改革產(chǎn)生深遠的影響。隨著(zhù)改革的不斷深入，信息技術(shù)在教育實(shí)踐中的不斷拓展，人們發(fā)現由于技術(shù)的局限，使得許多的實(shí)踐都很難達到理論的要求。比如，根據教學(xué)設計理論，要求對學(xué)習者的起始能力、學(xué)習風(fēng)格等進(jìn)行分析，以便提供個(gè)性化的學(xué)習指導；在學(xué)習的過(guò)程中要求適時(shí)地進(jìn)行評價(jià)，并提供及時(shí)的反饋意見(jiàn)，然而在實(shí)踐的過(guò)程中，特別是在遠程教學(xué)的實(shí)踐操作中就涉及到許多的問(wèn)題：如何準確地診斷學(xué)習者學(xué)習風(fēng)格，并提供適合學(xué)習者個(gè)性的學(xué)習指導；如何為那么多的學(xué)習者提供及時(shí)的反饋等等都制約著(zhù)遠程教學(xué)的質(zhì)量的提高和教學(xué)范圍的擴展。如何通過(guò)比較便捷的方式來(lái)妥善的處理這些問(wèn)題呢？伴隨人工智能技術(shù)與應用的發(fā)展，我們將目光投向了專(zhuān)家系統，并認為在以學(xué)習者為中心的教育活動(dòng)中，專(zhuān)家系統的應用問(wèn)題必將越來(lái)越得到人們的重視與研究，為促進(jìn)我國教育信息化作出貢獻。
二、專(zhuān)家系統概述
所謂專(zhuān)家，一般都擁有某一特定領(lǐng)域的大量知識和豐富的經(jīng)驗。在解決問(wèn)題時(shí)，專(zhuān)家們通常擁有一套獨特的思維方式，能較圓滿(mǎn)的解決一類(lèi)難題，或向用戶(hù)提出一些建設性的意見(jiàn)。
專(zhuān)家系統（Expert System）可視為一類(lèi)具有大量專(zhuān)門(mén)知識的計算機智能程序系統。它能運用特定領(lǐng)域一位和眾多專(zhuān)家提供的專(zhuān)門(mén)知識和經(jīng)驗，并采用人工智能中推理技術(shù)來(lái)求解和模擬通過(guò)由專(zhuān)家才能解決的各種復雜問(wèn)題，達到與專(zhuān)家具有同等解決問(wèn)題的能力。它可使專(zhuān)家的特長(cháng)不受時(shí)間和空間的限制。因此，專(zhuān)家系統必須包含領(lǐng)域專(zhuān)家的大量知識，擁有類(lèi)似人類(lèi)專(zhuān)家思維的推理能力，并能用這些知識來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。例如，一個(gè)醫學(xué)專(zhuān)家系統就能夠像真正的醫學(xué)專(zhuān)家一樣，診斷病人的疾病，判斷病情的嚴重性，并給出相應的處方和治療建議等。
1、專(zhuān)家系統的基本結構[1]
人機交互界面 知識獲取 解釋器 數據庫 知識庫 推理機 專(zhuān)家、知識工程師 用戶(hù)
圖1 專(zhuān)家系統組成結構
（1）知識庫：是專(zhuān)家系統的核心，由事實(shí)性知識和啟發(fā)性知識構成。事實(shí)性知識指廣泛共有的事實(shí)，啟發(fā)性知識指專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域經(jīng)驗和具有啟發(fā)意義的知識。它是專(zhuān)家系統中關(guān)于一個(gè)領(lǐng)域或特定問(wèn)題的若干專(zhuān)家知識的集合體，它可以向用戶(hù)提供超過(guò)一個(gè)專(zhuān)家的經(jīng)驗和知識。
知識庫是專(zhuān)家系統質(zhì)量?jì)?yōu)劣的關(guān)鍵所在，即知識庫中知識的質(zhì)量和數量決定著(zhù)專(zhuān)家系統的質(zhì)量水平。一般來(lái)說(shuō)，專(zhuān)家系統中的知識庫和專(zhuān)家系統程序是相互獨立的，用戶(hù)可以通過(guò)改變、完善知識庫中的知識內容來(lái)提供專(zhuān)家系統的性能。
現有的系統大都采用規則來(lái)表示知識，每條規則都是IF-THEN形式。IF代表規則的前提部分，它可以是多個(gè)條件的邏輯組合；THEN代表規則的結論部分，也可以是若干結論的組合。如：IF：該動(dòng)物有奶，THEN：該動(dòng)物是哺乳動(dòng)物。
（2）數據庫：用于存儲有關(guān)領(lǐng)域問(wèn)題的事實(shí)、數據、初始狀態(tài)、推理過(guò)程的各種中間狀態(tài)及目標等。實(shí)際上，它相當于專(zhuān)家系統的工作存儲區，存放用戶(hù)回答的事實(shí)、已知的事實(shí)和由推理得到的事實(shí)。
（3）推理機：是一組用來(lái)控制、協(xié)調整個(gè)專(zhuān)家系統的方法、策略的程序，它根據用戶(hù)的輸入數據（現象、癥狀），利用知識庫中的知識，按一定推理策略（如正向推理、逆向推理、混合推理），求解當前問(wèn)題，解釋用戶(hù)的請求，最終推出結論。在設計推理機時(shí)，應使其符合專(zhuān)家的推理過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，專(zhuān)家系統的推理機和知識庫是分離的，這不僅有利于知識的管理，而且可實(shí)現系統的通用性和伸縮性。
（4）解釋機：主要用來(lái)解釋專(zhuān)家系統是如何推斷結論，回答用戶(hù)的提問(wèn)，并使用戶(hù)了解推理過(guò)程及推理過(guò)程所運用的知識和數據。
（5）知識獲取：是專(zhuān)家系統的學(xué)習功能，它修改知識庫中原有的知識，增加新的知識，實(shí)現自動(dòng)學(xué)習。一個(gè)學(xué)習系統是否具有學(xué)習能力是衡量其適應性的重要標志。
（6）用戶(hù)界面：實(shí)現系統與用戶(hù)的信息交換，為用戶(hù)使用專(zhuān)家系統提供一個(gè)界面友好的交互環(huán)境。通過(guò)該界面，用戶(hù)輸入基本信息，回答系統提供的相關(guān)問(wèn)題，并輸出推理結果及相關(guān)的解釋等。
2、專(zhuān)家系統的特點(diǎn)
與人類(lèi)專(zhuān)家相比，專(zhuān)家系統有許多吸引人的特長(cháng)[2]：
（1） 靈活性。專(zhuān)家系統是專(zhuān)家知識的集成體。一個(gè)專(zhuān)家系統可能具有大量的知識，并且其知識庫可以按照一定的規則增加、修改和刪除知識以適應應用的需要。
（2） 持久性。系統貯存的知識是持久的，它不像人類(lèi)專(zhuān)家那樣會(huì )退休、或者死亡，專(zhuān)家系統的知識會(huì )無(wú)限地持續。
（3） 具有解釋、說(shuō)明功能。專(zhuān)家系統能明確、詳細地解釋導出結論的推理過(guò)程。一個(gè)人可能會(huì )討厭、不愿意或是沒(méi)有能力給出詳細而明確的推理過(guò)程，但明確、詳細的解釋有利于得出正確的決策和向專(zhuān)家學(xué)習其思考過(guò)程。
（4） 復合專(zhuān)家知識。由多個(gè)專(zhuān)家復合起來(lái)的知識，其水平肯定會(huì )超過(guò)某個(gè)單獨的專(zhuān)家。而且，專(zhuān)家系統可以做到白天或晚上的任何時(shí)候同時(shí)和持續地解決某個(gè)問(wèn)題。
（5） 穩定、理智、及時(shí)和完整的響應。迅速或適時(shí)的相應對某些應用來(lái)講是必要的。專(zhuān)家可能由于壓力或疲勞而不能高效的解決問(wèn)題，專(zhuān)家系統可能比專(zhuān)家反應得更加迅速或更有效。
三、專(zhuān)家系統在教育中的作用
專(zhuān)家系統是人工智能研究中最重要的分支之一，它實(shí)現了人工智能從理論研究走向實(shí)踐應用，從一般思維方法的探討轉入運用專(zhuān)門(mén)知識求解專(zhuān)門(mén)問(wèn)題的重大突破。目前，被大多數人認可的專(zhuān)家系統在教育中的應用主要有兩種：即將專(zhuān)家系統作為學(xué)習的工具和學(xué)習的對象。
（一）專(zhuān)家系統作為學(xué)習的工具
1、改進(jìn)教學(xué)模式
勃朗遜(Robert Branson)在美國的《教育技術(shù)》雜志上發(fā)表的題為《過(guò)去、現在和未來(lái)的教學(xué)模式》一文中，描述了一個(gè)以教育技術(shù)為基礎的未來(lái)教育模式[3]：(見(jiàn)圖2)
圖2 以教育技術(shù)為基礎的未來(lái)教育模式
我們可以看出，這個(gè)模式是由教師、專(zhuān)家系統和學(xué)生三個(gè)方面所組成的。其中的專(zhuān)家系統是一個(gè)由知識和數據庫組成的智能教學(xué)專(zhuān)家系統。以它作為學(xué)習的工具，為學(xué)習者提供像學(xué)科專(zhuān)家一樣的學(xué)習支持，學(xué)生通過(guò)主動(dòng)地與專(zhuān)家系統的交互來(lái)獲取知識。同時(shí)，在這一系統中，將教師從學(xué)科事務(wù)中解放出來(lái)，使其有更多的時(shí)間和精力來(lái)協(xié)調學(xué)習者之間、學(xué)習者與專(zhuān)家系統之間的關(guān)系，使教師的主導作用得以充分的發(fā)揮。這一模式的實(shí)現，可以使目前的“以教師為中心”、“以課堂為中心”的教學(xué)模式從根本上有所改變。
眾多文獻中介紹的智能計算機輔助教學(xué) (ICAI)其實(shí)質(zhì)也當歸屬智能教學(xué)專(zhuān)家系統。ICAI的作用在于通過(guò)研究人類(lèi)學(xué)習思維的特征和過(guò)程，尋求學(xué)習認知的模式，使學(xué)生獲得個(gè)別化自適應學(xué)習，從而學(xué)得更快、更有效。通常，ICAI系統具備下列智能[4]：
(1) 能自動(dòng)生成各種問(wèn)題與練習；
(2) 能根據學(xué)生的不同水平與學(xué)習情況選擇相應的學(xué)習內容并調整相應的教學(xué)進(jìn)度；
(3) 能在理解教學(xué)內容的基礎上自動(dòng)解決問(wèn)題并生成答案；
(4) 具有自然語(yǔ)言的生成與理解能力，以便實(shí)現比較自由的教學(xué)問(wèn)答系統，以提高人機交互作用的主動(dòng)性；
(5) 對教學(xué)內容具有解釋咨詢(xún)能力；
(6) 能診斷學(xué)生錯誤，分析錯誤發(fā)生的原因并采取相應的糾正措施；
(7) 能評價(jià)學(xué)生的學(xué)習行為；
(8) 能不斷地在教學(xué)中改進(jìn)教學(xué)策略。
目前，ICAI在教學(xué)中的應用已有諸多實(shí)例，對ICAI模型的研究及各種ICAI軟件的開(kāi)發(fā)也不斷推陳出新，已形成了對教學(xué)過(guò)程智能化的有力的技術(shù)支撐。
需要說(shuō)明的是，雖然智能教學(xué)專(zhuān)家系統能夠承擔教師的許多工作，但是由于專(zhuān)家系統所固有的局限（如：其能力受限于系統的知識域），以及學(xué)習活動(dòng)的豐富性，使得它不可能完全替代教師。
2、提供智能化的決策服務(wù)
支持服務(wù)是現代遠程教育系統的重要構成要素，其宗旨是創(chuàng )造一個(gè)優(yōu)良的學(xué)習環(huán)境，使學(xué)習者方便快捷地調用各種資源，接受關(guān)于學(xué)習的全方位服務(wù)，以獲得學(xué)習的成功。建立和維持一個(gè)高效靈活、強有力的支持服務(wù)子系統是有效地開(kāi)發(fā)、管理和實(shí)施遠程教育項目的保證，關(guān)系到現代遠程教育的發(fā)展和生存。
但當前遠程教育中的學(xué)習支持服務(wù)并不盡人意，導學(xué)和答疑的手段都還十分落后，服務(wù)方式也受到諸多限制（如：地域、時(shí)間、人員和設施等），缺乏主動(dòng)性、針對性和策略性。欲改變支持服務(wù)的被動(dòng)狀況，提高支持服務(wù)的質(zhì)量，其有效途徑之一就是引進(jìn)人工智能技術(shù)，實(shí)現服務(wù)的智能化。
智能決策系統（Intelligence Decision Support System）是在20世紀80年代初提出來(lái)的，它是把決策系統與人工智能相結合，尤其是與專(zhuān)家系統相結合的產(chǎn)物，它比傳統的決策支持系統具有更有效的輔導決策作用。智能決策系統可以實(shí)現以下的一些功能：
（1） 分析和識別問(wèn)題；
（2） 形成候選的決策方案（目標、規劃、方法和途徑等）；
（3） 構造決策問(wèn)題的求解模型；
（4） 多方案、多準則、多目標情況下的比較和優(yōu)化；
（5） 綜合分析，包括決策結構或方案對實(shí)際問(wèn)題可能產(chǎn)生的作用和影響的分析，以及各種環(huán)境因素、變量對決策方案或結果的影響程度分析
目前，有許多文獻對遠程教學(xué)中的智能決策系統進(jìn)行了研究。如本文“參考文獻”[5]介紹的一種智能導師系統。它有以下功能：1）了解每個(gè)學(xué)生的學(xué)習能力、學(xué)習基礎和當前知識水平。2）評價(jià)學(xué)習效果及診斷學(xué)習者的錯誤。3）分析學(xué)生的不同特點(diǎn)，思維、性格及學(xué)習能力，從而針對不同學(xué)生生成最佳教學(xué)策略。進(jìn)行個(gè)性化教學(xué)。4）創(chuàng )作課件用于教學(xué)或輔助教師創(chuàng )作。
（二）專(zhuān)家系統作為學(xué)習的對象
教育部于2003年4月正式頒布普通高中課程標準（實(shí)驗稿），首次在信息技術(shù)課程中設立“人工智能初步”選修模塊，從而邁出了我國高中階段開(kāi)展人工智能教育的第一步。
專(zhuān)家系統在人工智能領(lǐng)域享有很高的聲譽(yù)，曾被認為“是人工智能從幻想到實(shí)踐，再由實(shí)踐到理論的主角”。以專(zhuān)家系統作為學(xué)習對象，可以對學(xué)生的以下幾個(gè)方面產(chǎn)生積極的作用：
1、 培養學(xué)生問(wèn)題解決方法的多樣性
人們在現實(shí)生活中遇到的問(wèn)題按其結構劃分，大致可以分為三類(lèi)：[6]結構化問(wèn)題（能用形式化或公式化方法描述和求解的問(wèn)題）、非結構化問(wèn)題（難用確定的形式來(lái)描述，主要根據經(jīng)驗來(lái)求解的一類(lèi)問(wèn)題）和半結構化問(wèn)題（介于以上兩種之間的問(wèn)題）。
學(xué)生在中學(xué)階段要求解決的大都是結構化問(wèn)題。求解結構化問(wèn)題主要途徑是：算法＋數據結構。而專(zhuān)家系統最適合那些沒(méi)有高效算法解決的情況，即非結構化問(wèn)題和半結構化問(wèn)題。解決這類(lèi)問(wèn)題，推理可能是尋求較好解決方法的唯一希望。因此，求解非結構化、半結構化問(wèn)題的主要途徑是：知識＋推理。
通過(guò)讓學(xué)生借助專(zhuān)家系統工具建造專(zhuān)家系統，包括知識庫的構建和推理機制的設計，可以讓學(xué)生在了解專(zhuān)家系統的基本特征，體驗、認識專(zhuān)家系統的知識與技術(shù)的過(guò)程中獲得對非結構化、半結構化問(wèn)題解決過(guò)程的了解，從而使學(xué)生了解計算機解決問(wèn)題方法的多樣性，培養學(xué)生的多種思維方式，達到提高信息素養的目的。
2、 培養學(xué)生人際交流的能力
為成功開(kāi)發(fā)一個(gè)專(zhuān)家系統要求領(lǐng)域專(zhuān)家、知識工程師和用戶(hù)的密切配合，領(lǐng)域專(zhuān)家提供知識和求解方法，用戶(hù)提供需求，知識工程師從專(zhuān)家那里獲取知識，并將其轉化到計算機上。在專(zhuān)家系統的教學(xué)中，可以要求學(xué)生自行構建由產(chǎn)生式規則組成的知識庫，學(xué)生作為知識工程師或領(lǐng)域專(zhuān)家，即要能清楚地向他人表述自己意圖，又要具備從別人那里獲得對自己有用的信息的能力。通過(guò)這種角色扮演，有利于培養學(xué)生的人際交流的能力，提高協(xié)作意識。
3、 開(kāi)發(fā)學(xué)生的元認知能力
元認知又稱(chēng)反省認知，即對認知的認知，是個(gè)人關(guān)于他自己的認知活動(dòng)過(guò)程和結果以及與之有關(guān)的任何事項的認知，其實(shí)質(zhì)是個(gè)體對自己認知活動(dòng)的自我意識和自我調節[7]。斯騰伯格認為，人們對自身思維過(guò)程（分析、創(chuàng )造和實(shí)踐性的問(wèn)題解決、推理和決策制定等）了解和控制的元認知能力，相比單純的認知能力（如知覺(jué)、記憶和思維過(guò)程）更能影響到智力[8]。而我國現行的學(xué)習目標大都以布盧姆的教育目標分類(lèi)學(xué)或加涅的理論為指導，在制定學(xué)習目標時(shí)往往忽略元認知能力的培養。
由于專(zhuān)家系統中的知識組織和推理過(guò)程是對人類(lèi)專(zhuān)家思維方式的一種模擬與再現，因此學(xué)生在建造知識庫過(guò)程中，需要反省自己的思維過(guò)程，將原來(lái)零碎的未成型的知識概念化、形式化和條理化，從而內化為學(xué)生自己的東西。通過(guò)自己實(shí)踐構建一個(gè)小型的專(zhuān)家系統，可以為學(xué)習者提供一個(gè)反思自身思維過(guò)程的機會(huì )，有助于學(xué)生認知水平的提高。
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作者簡(jiǎn)介：
李慧迎：女，1977年生，漢，籍貫：湖南，職稱(chēng)：講師，工作單位：湖南科技大學(xué)教育學(xué)院，現在華東師范大學(xué)攻讀碩士學(xué)位，研究方向：教育技術(shù)學(xué)
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