专家系统及其教学设计20061202

四、专家系统及其教学设计作者杨银辉课时3课时单位浙江师范大学教育技术学系来源杨银辉.专家系统及其教学设计.中小学信息技术教育,2004(7)（一）课标要求：（二）推理与专家系统（1）演示或使用简单的产生式专家系统软件，感受用专家系统解决问题的基本过程；了解专家系统的基本结构。（2）通过实例分析，知道专家系统正向、反向推理的基本原理；会描述一种常用的不精确推理的基本过程。（4）了解专家系统外壳的概念；学会使用一个简易的专家系统外壳，并能用它开发简单的专家系统。（二）学情分析：选修这门课程的学生通常已具有一定的信息技术基础知识（《信息技术基础》是所有高中学生的必修课程），懂得如何操作计算机、上网浏览信息和收集资料等。“专家系统”的学习内容在人工智能教材中一般都是置于“知识表示”之后，因此学生对各种知识表示方式都有初步了解，掌握了例如产生式规则、状态空间图、语义网络等的基本表示方法。但是各种知识表示如何在人工智能中得到应用，学生们对这个问题在上一阶段的学习中还难以深入体会。专家系统通过把领域专家的大量知识加以计算机编程嵌入到计算机内部，产生式规则的知识表示方式在专家系统的知识库建设中得到了实际应用。因此对于学生来说，虽然专家系统完全是个新事物，但是它与各种知识表示，尤其是产生式规则表示方式，有着理论与实际应用的关系。教师在教学设计时，不能忽视这个有利于学生知识增长和能力发展的“最邻近发展区”。这里充分考虑了本单元所学内容与先前所学知识之间的联系，有助于学生应用已有知识，更快地完成对新知识体系的理解和意义的建构，一方面降低了认知难度，另一方面利于新旧知识之间形成有机的联系。（三）教材分析：本课教学的内容是教育科学出版社出版的普通高中课程标准实验教科书《人工智能初步》(选修)中的第四章。（四）教学目标：统一从知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三维度呈现目标纬度目标描述知识与技能感受什么是专家系统，知道专家系统和专家系统外壳之间的区别和联系；了解专家系统的基本构造和工作机制；能利用专家系统外壳自行开发一个简易的专家系统。过程与方法能够根据任务的要求，有效采集、分类和管理信息；通过感受人类专家解决复杂问题的思路，增强逻辑思维和问题解决能力。情感态度和价值观进一步增强对人工智能领域的认识，感受人工智能技术的丰富魅力；增强协作学习和人际交流能力。（五）教学思路：专家系统是人工智能领域的重要组成内容，也是该领域发展得较为成熟的部分。为了缩小现实与理想之间的矛盾，在人工智能课程“专家系统”内容的教学中，我们希望“以问题解决为中心”的教学方式，通过小组协作，让学生在感受什么是专家系统的基础上既了解有关专家系统的基本知识，又能利用专家系统外壳自行开发一个简易的专家系统，由此既增强他们对人工智能的认识，又促进问题解决能力，发散性思维能力和社会合作能力的培养。采用“以问题解决为中心”的教学方式，培养学生解决问题的能力，注重交流与合作，这充分反映了新课程标准所提倡的教学理念。本次教学计划用3个课时完成《专家系统及其设计》的课程内容：第1课时主要让学生感受什么是专家系统，并了解有关专家系统的一些基本知识；第2课时主要让学生能够利用InterModeller专家系统外壳自行设计一个简易的植物识别专家系统；第3课时学生展示设计的植物识别专家系统，在互相交流中提高口头表达能力和作品鉴赏能力。（六）教学准备：在网络教室的教师机和每台学生机上安装InterModeller专家系统外壳和由这个外壳开发的“疾病诊断治疗专家系统”。提前安装好软件，可以避免学生自己在下载、安装软件过程中带来的其他问题而浪费时间，节省出更多宝贵的时间，让学生把注意力集中在软件操作和体验上。教师收集人类专家给病人诊断治疗病情的录像资料和有关自然界各类植物介绍的录像资料。形象的录像资料，一方面可以调节气氛，另一方面也为学生提供了生活中的实例，使得学生在思考和操作软件时有了具体的依据。（七）教学过程：教学环节教师活动学生活动情境创设，激发兴趣教师通过网络教室的大屏幕播放人类专家给病人诊断治疗病情的录像，并要求学生回忆自己曾经接受医生治疗的情形，让学生感受并讨论人类专家在解决复杂问题时的思维。教师小结：虽然人类专家比电脑专家在问题处理上更灵活，但是成功的专家系统通过模拟领域专家处理问题的思想，可以处理具体领域中的复杂问题，从而减少劳务开支和人才培养费用；而且由于软件的便于复制性，专家系统能够广泛传播人1、学生运行安装在学生机上的“疾病诊断治疗专家系统”，体验电脑专家是如何为人们治病的（如图1-1、图1-2、图1-3）。2、学生以小组为单位（全班学生以每4人为一组）讨论下列问题：电脑专家与人类专家相比较，它们各有怎样的优势和劣势？学生展开讨论。类专家的宝贵知识和经验；若对软件保管合理，还能长期延续人类专家的经验，使其不受人类专家寿命的影响。因此，成功的专家系统能为人类带来巨大的经济效益。教师提出本次课程的主要学习任务：通过体验各类专家系统实例，感受什么是专家系统，并在了解专家系统的基本构造和工作机制的基础上，能够利用专家系统外壳自行开发一个简易的专家系统，例如自然界植物识别专家系统。新课展开，构建知识教师讲授专家系统的概念，以及它与专家系统外壳的区别。要求学生通过因特网资源的搜索，收集、体验并分析国内外开发的各类专家系统，例如，由ExsysCorvid专家系统外壳开发的如何在美国爱伯克奇(Albuquerque)城市选择一家适合自己消费要求的饭店的知识管理专家系统（如图1-4），由Acquire专家系统外壳开发的鲸类识别专家系统（如图1-5），由Expertise2go专家系统外壳开发的“PC产品顾问”（DesktopPCProductAdvisor）专家系统，以及由InterModeller专家系统外壳开发的“宝石分类”、“鱼类识别”、“交通工具识别”等各分类专家系统。教师结合“疾病诊断治疗专家系统”，与同学共同探讨专家系统的一般构造和工作机制（如图1-6）。尤其是在讨论知识库时，同前面学过的产生式规则的知识表示方式相结合，让学生不仅体验到知识的“学以致用”，还能增强知识的迁移能力。1、浏览教师所提供的学习资源，通过因特网资源的搜索，收集、体验并分析国内外开发的各类专家系统。学生利用网络检索、分析资源，有利于信息能力的培养，但也要考虑到网络速度（特别是国外网站）的影响和教学时间的限制，另外也要考虑学生的英文基础。2、在动手操作和比较分析的基础上，每组同学就各自的体验和想法展开讨论，最后归纳出各类专家系统共同具有的特点。（由于学生们都是初次接触专家系统，所以对专家系统的特点分析也都只能限于一些表面的肤浅认识。这为教师开展下一阶段关于专家系统的基本构造和工作机制的教学，埋下伏笔。）资料整理，开发系统教师播放一段介绍自然界植物的录像：春天的大自然，万木吐绿，百花齐放。刚长了新芽的垂柳，劲拔郁葱的松柏，争艳枝头的桃花，还有烂漫开放的茶花……教师对学生的建议：大自然的植物千千万万，我们不可能每一种都熟悉。若能对它们进行合理分类，特征抽取，并利用专家系统外壳开发一个用来植物识别的专家系统，一定很有意义。教师要求学生把植物的分类结果用产生式规则表示出来，例如：IF花萼5片AND下部连合AND花瓣通常5片THEN该花卉植物属蔷薇科IF花序下部有花苞AND花药合生AND果实是瘦果THEN该花卉植物属菊科IF该花卉植物属蔷薇科AND茎部密生锐刺，一枝只开一朵花AND花瓣直立THEN该花卉植物是玫瑰花IF该花卉植物属蔷薇科AND茎部几近无刺，数朵同生一茎AND花型是满蕊、翘角THEN该花卉植物是月季花……学生经过前一阶段的学习，感受了什么是专家系统，了解了专家系统的基本构造和工作机制。为接下来构建专家系统打下基础。每组学生在课余时间（最好是课前完成）通过与植物老师、家长或同学的交流，到图书馆查找资料，从因特网上搜集信息等各种手段，把种类繁多的自然界植物以一定方式进行归类，然后选取其中一个具体分类进行详细分析。例如以被子植物下的花卉植物为对象，抽取各种花卉植物的特征（包括花、果、叶、茎、根等），并把它们以表格形式列出来（如表1-1）。学生在教师指导下，熟悉InterModeller专家系统外壳（见图1-7）的使用，把用产生式规则表示的植物分类结果输入到InterModeller模型中，并生成一个简易的植物识别专家系统。作品演示，交流促进整个作品汇报过程中，老师和班上的其他同学随时可以提出问题质疑，由组内剩下的两名同学负责解答。这里充分调动了小每组同学选派两名代表上台，一名演示作品，另一名简要地说明制作过程，包括从资料的搜集整理到最后作品的生成。组各成员的积极性和参与性。最后教师和同学针对演示的作品和汇报过程，就信息搜集利用能力、动手操作能力和科学态度等方面对小组作出评价。具体的评价标准如表1-2所示。案例考虑到了评价的多元性，不仅教师要参与，学生也需要参与评价活动。但这里仅给出了评价标准，具体如何操作还需要进一步设计。附：本案例中使用的部分图表图1-1“疾病诊断治疗专家系统”咨询界面1图1-2“疾病诊断治疗专家系统”咨询界面2图1-3“疾病诊断治疗专家系统”咨询界面3图1-4饭店选择知识管理专家系统界面图1-5鲸类识别专家系统界面图1-6专家系统的构造图图1-7InterModeller专家系统外壳表1-1花卉植物的特征分类表科目代表植物特征1特征2蔷薇科（花萼5片，下部连合，花瓣通常5片）玫瑰茎部密生锐刺、一枝只开一朵花花瓣直立月季几近无刺数朵同生一茎花型是满蕊、翘角梅小枝细长、树冠开展、无毛叶宽卵形、边缘有细锯齿菊科（头状花序，花絮下部有花苞、花药合生，果实为瘦果）菊叶互生，卵形，边缘有锯齿花冠颜色有蓝、黄、白、红、橙、紫等。…………表1-2简易专家系统设计的评价标准（总分100分）信息搜集利用的能力（30分）收集资料的数量、针对性、拓展性对资料的合理分类和整理操作和交流的基本技能（40分）对专家系统外壳Intermodeller的了解和掌握程度使用Intermodeller的正确性和娴熟程度作品总体设计效果及对资料处理的准确性作品汇报时表达的准确性、逻辑性和清晰性科学态度（30分）认真、踏实、实事求是善于交流、善于寻求帮助乐于助人、具有合作精神【案例评析】本案例的教学目标明确，学科知识结构良好。教学前准备的学习资源较为丰富，学生在教学活动中能够对其进行充分利用，并有较为充分的师生交互。教学活动中采用了案例教学法、小组讨论式学习，通过录像、案例的研究，让学生在实际操作中体验分析，从中获取对知识的正确理解，探求问题的解决方法，这样能避免理论学习带来的枯燥乏味，激发起学生的兴趣和热情；并通过网络搜集相关资料来构建一个小型专家系统，使学生主动参与到学习当中，充分调动学生的主观能动性，并激发起学生的表现欲和竞争欲。在教学活动的最后，案例设计了学习评价标准，为学生自评和教师对学生进行评价提供了较为客观的依据。该教学案例的注意理论联系实际。学生先前已经了解和掌握了各种知识表示方法（特别是产生式规则的表示方法），教学设计中注意利用这部分知识作为学生知识增长和能力发展的“最邻近发展区”，引导学生“学以致用”。案例通过使学生认识专家系统解决问题的过程，进一步加深对专家系统的理解，并能在构建简易专家系统的过程中内化相关的知识，达到学科整合的效果；并有助于学生培养对人工智能的兴趣，认识人工智能对社会及每个人的学习、生活带来的影响，激发了学生学习的积极性与主动性，同时也培养了学生自主学习、分析问题、解决问题的能力。需要注意的是，本课例是一个教学单元设计，各课时中的教学处理细节仍需要细化和落实，切实帮助学生掌握有关的知识。