認知學徒制在“推理與專家系統”教學中的應用

杜海瓊　張劍平

【摘要】“推理與專家系統”是高中新課標《人工智能初步》選修模塊中的三個主題之一，該主題的教學與認知學徒制的知識觀、技能觀有著密切的聯系。探討認知學徒在“推理與專家系統”教學中的可行性及其實施過程，能為中學信息技術的一線教師開展該主題的教學提供借鑒與參考。

【關鍵字】推理與專家系統；認知學徒制；專家系統外殼

【中圖分類號】G420 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097（2009）04—0120—03

在教育部2003年頒布的《普通高中技術課程標準（實驗）》中，首次設立了《人工智能初步》選修模塊，該模塊共設三個主題：“知識及其表達”，“推理與專家系統”，“人工智能語言與問題求解”。其中的“推理與專家系統”主題，由于專家系統構建的簡便性以及運行的可觀察性，在為數不多的已開設《人工智能初步》選修模塊的學校中，較為普遍地被作為重點內容進行教學。[1]因此，十分有必要對“推理與專家系統”主題的教學模式及其相關問題進行討論，以便為中學信息技術教師更有效的開展教學提供參考與借鑒。

一 “推理與專家系統”主題的教學目標

新課標中給出了“推理與專家系統”主題的具體教學目標：

1 演示或使用簡單的產生式專家系統軟件，感受用專家系統解決問題的基本過程；了解專家系統的基本結構。

2 通過實例分析，知道專家系統正向、反向推理的基本原理；會描述一種常用的不精確推理的基本過程。

3 了解專家系統解釋機制的基本概念及其在專家系統中的重要作用。

4 了解專家系統外殼的概念；學會使用一個簡易的專家系統外殼，并能用它開發簡單的專家系統。[2]

由此可見，“推理與專家系統”主題并非是大學專家系統相關專業內容的簡單下移，它的總體目標是了解與專家系統相關的知識，體驗專家系統的技術與應用，感受專家系統對學習和生活的影響，從而激發對信息技術未來的追求。

二 認知學徒制及其應用于“推理與專家系統”教學的可行性

1 認知學徒制及其特征

所謂認知學徒制(Cognitive Apprenticeship)，是一種從改造學校教育中的主要問題出發，將傳統學徒制方法中的核心技術與學校教育整合起來的新型教學模式，[3]用以培養學生的認知技能，即專家實踐所需的思維、問題求解和處理復雜任務的能力。

從認知學徒制的特征與“推理與專家系統”教學過程的特點的一致性、認知學徒制的知識觀與“推理與專家系統”強調知識獲取、轉化的一致性、認知學徒制的技能觀與“推理與專家系統”教學注重學生技能發展的一致性，能夠得出將認知學徒制應用于“推理與專家系統”主題的教學是切實可行的。

認知學徒制的核心假設是：通過這種模式能夠培養學習者問題求解等方面的高階思維技能/策略。這種技能/策略把技能與知識結合起來，是完成有意義的/真實的任務的關鍵。它具有如下的基本特征：

（1） 認知學徒制關注的不是概念和事實知識的獲得，而是重視專家在獲取知識或將知識運用于復雜現實生活任務/問題時所關涉的推理過程與認知/元認知策略。

（2） 將原本隱蔽的內在認知過程顯性化，亦即表現思維過程，使之可視化（包括教師和學生的思維過程）。通過這種方法，學生可以在老師和其他學生的幫助下進行觀察、重復演練和實踐。

（3） 將學校課程中的抽象任務/內容置于對學生有意義的情境之中，學習者充分了解學習的目的與應用，理解工作的相關性，并參與專家行為。[4]

“推理與專家系統”主題的教學主要思路是要求學生使用一個簡易的專家系統外殼（例如InterModeller）開發簡單的專家系統，它的過程是：第一步，確定所要開發的專家系統類型，即確定開發的專家系統的內容，如動物識別專家系統、汽車故障診斷專家系統等；第二步，選擇、整理與所要開發的專家系統相關的日常生活知識；第三步，將日常生活知識轉化為專家系統能推理和解釋的知識表示形式，如產生式規則表示，框架知識表示等；第四步，通過師生、生生之間的交流與討論，逐步修改完善專家系統，使專家系統做出判斷與解釋。

這一教學過程不僅要求學生獲取、選擇、整理概念和事實知識，更強調將知識轉化為專家系統能推理和解釋的知識表示形式，最終能用專家系統解決實際問題，這與認知學徒制所關注的在有意義的情境之中，將知識進行邏輯化表示后去解決現實任務/問題，培養學習者問題求解等方面的高階思維技能/策略是相一致的。

2 基于認知學徒制的知識觀

比利特（Billett，1993）認為學習的知識包括三種形式：陳述性知識（關于是“什么”的知識）、程序性知識（關于“怎么做”的知識）和情感性知識（關于價值觀和態度的知識）。陳述性知識用來提供事實和陳述，程序性知識用來提供做事過程的規則，情感性知識用來提供對事情的意見與看法。在一些實際工作情境中，程序性知識通常是可以直接觀察的，而陳述性知識的內容則往往比較模糊、不透明。因此，與程序性知識相比，在日常工作的活動中，一些類型的概念性知識獲得更加困難，學習者對它們的理解受到更多的限制。[5][6]

如何在學習中有效的獲得陳述性知識，比利特和羅斯（Billett & Rose,1996）認為：第一，陳述性的知識是在參與社會實踐、從事日常工作的過程中獲得的。在日常的工作實踐中，人們必須解決問題、實現目標而這些活動真正促進了人們對學習對象的理解；第二，在學習的闡釋或知識的建構過程中，個體之間的密切互動是知識一個非常重要的來源，特別是熟練的指導者能夠幫助個體建構知識，“強烈的社會影響或者最貼切的指導似乎為學習者獲取和建構陳述性知識提供了有意的途徑”。[5]

“推理與專家系統”主題中所涉及的知識也可分為陳述性知識和程序性知識。陳述性知識主要體現在確立的所要構建的專家系統類型的情境中，將零散、孤立的陳述性知識，通過教師的指導，學生間的討論，將其整體化，組塊化。程序性知識主要是存在于專家系統的知識庫中，以“if<前提>then<結論>”形式來編程陳述性知識，即先確認當前的情境和條件，然后產生相應的行動。由于高中階段的教學要求是利用簡易的專家系統外殼開發簡單的專家系統，因此在條理清晰、結構合理的陳述性知識的基礎上編寫程序性知識的過程較為簡單，關鍵是學生如何通過多種有效形式獲得陳述性知識，并將其清晰，合理的表示出來。專家系統構建過程中的陳述性知識獲取及其向陳述性知識的轉化，與認知學徒制知識觀所倡導的知識分類和有效獲取是相吻合的。

3 基于認知學徒制的學生技能發展

伊萬斯（Evans,1994）提出了技能發展的，明確了技能所包含的智力維度：

（1） 階段1——新手。其特征為行為是受限制的、不靈活的、受規則控制的；

（2） 階段2——較高級的新手。學習者開始能夠感知任務中一些重要的情境特征，但還不能對那些重要的情境進行區分；

（3） 階段3——勝任階段。學習者能夠識別情境的重要特征，并以此為基礎思考行動的目標和計劃，用來指導行動；

（4） 階段4——精通。能夠在不特別關注的情況下選擇最好的行動計劃，能夠快速概括、識別情境并訂出計劃；

（5） 階段5——專家。專家憑借直覺行動，這種直覺來自對情境的深刻理解，不關注規則的和特征，而且行動是可變的、靈活的和高度熟練的。[5]

在上述技能發展的五個階段中，學習者從新手到專家的過渡過程就是從被動接受信息到具備更多的反思和參與策略的過程。在建構所需要的知識時，學習者開始需要指導者詳細的幫助，而后逐步過渡到大量的互動和建構的水平。在技能發展的高級階段，對理解技能中的智力因素的需要進一步增加，而對詳細指導的需要急劇下降，因為知識變得更加內化，更加接近于自我建構。在“推理與專家系統”主題中，學生利用專家系統外殼工具，通過了解由某一領域專家建構的專家系統，并在教師的指導下親手開發簡單的專家系統，來體驗專家系統的開發過程，加深學習體驗。在實際教學中，我們將上述技能發展的五個階段簡化為三個階段，學生和專家系統構成了一種專家與新手的關系，剛開始學專家系統的學生（相對新手）、課程教師（相對于學生為專家）以及專家建構的專家系統（相對于教師為專家），[7]學生開發專家系統的過程也即相對新手向相對專家轉化，最后還可能發展領域專家的過程。在這一過程中，學生對所建立的專家系統類型的相關陳述性知識和程序性的需要不斷增加，而對教師指導其開發的需要急劇下降。

三 認知學徒制在“推理與專家系統”教學中的實施過程

認知學徒制作為一種新型的教學模式，將其應用于“推理與專家系統”教學，需要教師和學生兩方面共同執行，如圖1所示。[4]

在認知學徒制教學模式中，學生是主體，教師起主導作用。對教師來說，要精心設計教學以表現專家實踐的思維過程，并引導學生積極參與、體驗，在這個過程中，教師先示范必要的策略，再放手讓學生嘗試，并在學生需要時予以指導。對學生來說，通過對特定領域專家實踐能力的模仿、參與、討論、交流和闡釋，獲得基本的問題求解方法、策略和能力，并隨著腳手架的拆除，逐漸獨立探究、定義、分析和解決問題。[8]具體的說包含如下步驟：

（1） 建模。教師選擇某一典型的專家系統，對專家系統的問題解決過程，如推理方式和應用策略進行建模，以使學生觀察系統的推理、運行過程，感受領域專家的思維過程。

（2） 情境設計。教師要引導學生選擇符合其認知特點的專家系統內容，注重實用性、貼切性和可開發性，如“當地旅游景點識別”、“特色小吃劃分”等專家系統，并把情境化的活動與相關的預期結果關聯起來，以便學生在真實的情景中進行模擬學習，發展遠遷移能力。

（3） 提供腳手架。腳手架的重要功能是幫助學生順利穿越“最近發展區”。教師對學生的開發專家系統的過程進行指導,提供必要的“支架”，如概念支持、軟件應用技巧支持、過程支持、策略方法支持等。

（4） 清晰表達。要求學生清晰地表達專家系統的推理過程或解決問題的過程，以使學生真正了解自己的學習過程， 不僅“知其然”（What），而且“知其所以然”（Why）。

（5） 反思。使學生將自己的思維和問題求解過程與領域專家、其他學生的邏輯思維方式進行比較。通過反思，學生可以構建關于該專家系統內容的問題求解過程的模型，已修正/啟示自己的問題求解和任務完成過程。

（6） 拆除腳手架。當學生完成知識庫的建立，或者能運行專家系統后，教師應逐漸拆除支架，以促進學生的發展。

四 結語

在“推理與專家系統”主題的教學中采用認知學徒制教學模式，對于學生分析問題和解決問題能力的培養具有積極的意義。一方面，為了完成該任務，學生需要編制規劃、制定知識獲取策略，并具體付諸實施，這是一個不斷深化的過程。學生還得明確與系統有關的所有變量或相關的因素，并且將這些變量和因素轉化為問題求解過程，得出相應的結論。在進行一系列問題求解分析之后，運用產生式規則來表示知識。 該過程中有助于提高他們的分析、思維與判斷能力。另一方面，在專家系統運行時，學生可以向專家系統提出諸如“為什么（Why）”、“如何（How）”、“如果……會怎么樣”等問題，系統接受用戶的問題指令后，可以根據推理的邏輯進程，即時將答案呈現給用戶，這個過程如同教師與學生在進行面對面的教學，學生還可以充分體驗人類專家的求解思路和推理風格。完善的專家系統還可以讓其他學生去運用和體驗，具有一定的實用價值。正如美國著名的學習論專家Jonassen所指出的：那些自行設計專家系統的學生將會在這種活動中受益匪淺，因為這是一個對所學知識進行深度加工的過程。[9]

參考文獻

[1] 張劍平,張家華,我國人工智能課程實施的問題與對策[M],中國電化教育,2008,(10):95-98.

[2] 教育部.普通高中技術課程標準(實驗)[M].北京:人民教育出版社,2003:24.

[3] 高文.教學模式論[M].上海:上海教育出版社,2002:342.

[4] 鐘志賢.信息化教學模式:理論建構與實踐例說[M].北京:教育科學出版社,2005:263.

[5] 趙蒙成.工作場的學習:概念、認知基礎與教學模式[J].比較教育研究,2008,(1):51-56.

[6] Billett, S.R, & Rose, J.Developing Conceptual Knowledge in the Workplace. In J. Stevenson (Ed.).Learning in theWorkplace: Tourism and Hospitality.Brisbane, Australia: Griffith University, Center for Learning and Work Research, 1996:204-208.

[7] 周躍良,張燕.人工智能教育的理論基礎及教學組織[J].中小學信息技術教育,2003,(10):10-13.

[8] 李斌,張琦.論認知學徒制教學模式[J],江西教育科研,2006,(12):16-19.

[9] 張劍平.關于人工智能教育的思考[J].電化教育研究,2003,(1):24-28.