案例教學在產生式系統教學中的應用

文章編號：1672-5913(2008)06-0079-02

摘要：本文介紹了我院通過引入案例教學方法對“人工智能”課程的教學改革實踐。

關鍵詞：案例教學；產生式系統；動物識別系統

中圖分類號：G642

文獻標識碼：B

1引言

案例教學法是將案例討論的方法運用到課堂教學活動中去，教師根據課堂教學目標和教學內容的需要，通過設置一個具體的案例，引導學生參與分析、討論、表達等活動，讓學生在具體問題情境中積極思考、主動探索，以提高教與學的質量和效果，培養學生認識問題、分析問題和解決問題等綜合能力的一種教學方法。案例教學法的特點是：目的鮮明、具有啟發性、實踐性和綜合性。

“人工智能”是一門新興的前沿學科，是計算機科學與技術的專業基礎課。為了培養學生對人工智能的興趣，提高學生知識創新和技術創新能力，本文在深入研究案例教學的基礎上，結合教學內容，自編或精選了一些案例并運用到教學活動中。下面詳細介紹基于案例的產生式系統教學實踐過程。

2案例教學在產生式系統教學中的應用

2.1產生式系統

在教學中，選用了王永慶編寫的《人工智能原理與方法》作為教材，該教材分為三部分，第一部分論述了人工智能的三大技術，即知識表示、推理及搜索；第二部分著重討論了專家系統、智能決策支持系統等研究領域的有關概念及系統構成技術；第三部分討論了神經網絡和智能計算機的概念、模型、研究現狀等。知識表示中產生式系統是一種常用的表示方法，要求學生重點掌握。一個產生式系統通常包括規則庫、綜合數據庫、控制系統三部分。

規則庫是一個用來存放與求解問題有關的所有規則的集合。它包含了將問題從初始狀態轉換成目標狀態所需要的所有變換規則－產生式。規則庫是產生式系統進行問題求解的基礎，其知識的完整性、一致性、準確性、靈活性，以及知識組織的合理性等，對系統的運行效率都有著重要影響。

綜合數據庫是一個用來存放與求解問題有關的各種當前信息的數據結構。例如，問題的初始狀態、輸入的事實、推理得到的中間結論及最終結論等。

控制系統由一組程序組成，用來控制整個產生式系統的運行，決定問題求解過程的推理線路，實現對問題的求解。

2.2設計案例

針對產生式系統，通過對所選案例的分析要能包含產生式系統的知識表示、工作過程及其特點，因此必須是以大量的細致研究為基礎，并且傾向于對產生式系統進行歸納分析。我們選擇了一個簡單的動物識別系統，該系統能夠識別老虎、金錢豹、斑馬、長頸鹿、鴕鳥、企鵝、信天翁這7種動物。

2.2.1背景

問題就是一種情境。在這個情境中，我們希望達到一定的目標，但是又不能即刻知道如何才能達到。人們的任務是運用某種策略，尋找由問題的初始狀態到目標狀態的一條路徑。已知某種動物的一些特征，例如，已知動物有暗斑、有長脖子、有長腿、有奶、有蹄，求解目標：該動物是什么動物？

2.2.2主題

主題是案例的核心理念，要緊扣案例，從最有收獲、最有啟發的角度確定主題。本案例的主題非常明確就是動物的識別過程。

2.2.3細節

環繞主題，有針對性地描寫特定內容，把關鍵性的細節寫清楚。本案例的細節包括動物識別系統的組成、工作過程、在Prolog下的實現。關鍵性的細節是在Prolog下的實現，包括綜合數據庫的實現、規則庫的實現(15條規則)、控制系統的實現。

綜合數據庫的實現：(1)已知事實使用什么數據結構描述？(2)如何儲存這些事實？(3)中間結論如何表示與儲存？(4)最終結論如何保存？

規則庫的實現：(1)為了識別動物，選擇哪些識別規則？為什么？(2)如何組織這些規則？(3)如何表示這些規則？

控制系統的實現：(1)如何使用規則庫中的規則？(2)規則庫中的規則有沖突時，采用哪種沖突消解策略？(3)如何把推導出的結論放入綜合數據庫中？(4)算法思想如何在Prolog下實現？(5)采用正向推理還是逆向推理？

2.2.4結果

教學措施的即時效果，包括學生的反映和教師的感受。

學生的反映：(1)引起了對學習內容產生式系統的濃厚興趣。“我可以使計算機根據動物的一些特征推斷出動物是什么嗎”？心理上形成了自我實現需要，為了這種需要就會努力開發自己的潛能，從而提高了分析問題解決問題的能力。(2)促使學會學習。為了解決一個問題，需要運用某種策略，尋找由問題的初始狀態到目標狀態的一條路徑，這條路徑是經過大腦思維后從多種路徑中選擇出來的，甚至是相關知識的綜合運用提煉出來的，相關知識經過了反復積淀，獲得了自主學習方法，學會了學習。(3)學會了與其他人的溝通與合作。案例教學過程中，需要經過小組、班級的多次合作才能完成任務。

教師的感受：(1)加速了教師專業成長的速度。案例教學中，首先選擇或者設計案例，完成對相應知識的概括，其次分析案例，提煉精華，最后升華為教師自己富有個性的理論。(2)加速了教師從“教書匠”成長為“研究型、學者型”的過程。選擇、設計案例以及分析案例是對教學實踐的反思，通過反思，提煉并明確有效的教育行為及其理論依據，從而更有效地指導以后的教學。

2.2.5評析

多角度地解讀和評析，回歸到教學的基本層面。

(1) 案例合適嗎？教學目標是要求學生掌握產生式系統，使用產生式系統解決實際問題。產生式系統教學案例使用產生式描述動物識別系統，并在Prolog環境下實現，學生通過對該案例的學習、分析，很容易設計出Prolog環境下的簡單推理系統。

(2) 案例教學方法合適嗎？案例教學法歸納為講授法和討論法。講授法是以教師為主，通過教師對案例的講解，說明課程內容；討論法是在教師的指導下以學生為主進行討論的教學方法。產生式系統案例教學實施過程中，講授法為主，部分內容采用了討論法。引起了學生的學習興趣，發揮了學生的主動性。

(3) 案例教學達到了預期的教學效果了嗎？從課后作業和大作業分析，取得了較好的效果。絕大多數同學獨立或者合作實現了大作業八數碼問題。

(4) 教學過程中存在哪些問題？在案例教學的實施過程中發現，部分同學被案例本身所吸引，忽視了蘊含在案例中的基礎知識和基本概念；案例教學中教師的角色不易把握，在引導學生獨立思考分析問題克服學習上的依賴心理時，造成個別學生偏離主題；案例教學對知識體系結構造成了一定的影響，需要引起注意。

2.3案例教學的實施過程

案例教學中采用了案例引入、案例討論、概括總結三個基本環節進行。

2.3.1案例引入

在介紹了產生式的語法和語義、產生式系統的組成及工作原理后，通過屏幕演示動物識別系統的運行過程，學生說出老虎、金錢豹、斑馬、長頸鹿、鴕鳥、企鵝、信天翁七種動物的一些特征，如有暗斑、有長脖子、有長腿、有奶、有蹄，系統識別出該動物是長頸鹿。演示過程中由于有些學生沒有說出某種動物的本質特征，識別系統沒能給出正確答案。

2.3.2分析案例

首先，在POWERPOINT系統下放映動物識別系統的Prolog源程序，詳細介紹設計思想以及實現過程。

其次，分小組討論，小組內互相啟發、補充、找出問題的關鍵所在，謀求最佳的解決對策。在小組討論過程中教師不進行任何干涉，僅維持秩序。

最后，教師參與班級討論。在班級討論中，教師和學生處于平等的地位，根據學生要求，發表自己的觀點。

2.3.3總結案例

首先對學生的討論情況進行總結。肯定學生中好的想法及獨到的見解，指出討論中的優點和存在的不足。

其次，在總結討論情況的基礎上提出一些問題，如：規則庫有沒有更好的組織方式？如何增強系統的推理能力？如何進一步提高系統的效率？要求學生寫出案例分析書面過程，并完成大作業解決八數碼問題。

參考文獻

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