人工智能實驗教學探討

韓潔瓊　閆大順

摘要：本文一方面簡單介紹人工智能的基本理論及知識體系結構，另一方面則結合筆者的理論實踐與實驗教學經驗，總結出目前在整個教學過程所存在的一些問題，目的在于不斷總結經驗，力爭能更好地完成人工智能的整個教學工作，從而提高人才培養的質量，同時也可以為其他高校提供參考。

關鍵詞：人工智能；專家系統；Prolog；面向人工智能

中圖分類號：G642文獻標識碼：A

1引言

人工智能(AI)是計算機科學的一個重要分支，同時也是計算機科學與技術專業的核心課程之一。本課程在介紹人工智能的基本概念、基本方法的基礎上，主要是研究如何用計算機來模擬人類智能，即如何用計算機實現諸如問題求解、規劃推理、模式識別、知識工程、自然語言處理、機器學習等只有人類才具備的“智能”，本課程重點闡述這些方法的一般性原理和基本思想，使得計算機能更好地為人類服務。

2人工智能課程體系

人工智能主要研究傳統人工智能的知識表示方法，其中包括狀態空間法、問題歸約法、謂詞邏輯法、語義網絡法、框架表示、劇本表示等；搜索推理技術主要包括盲目搜索、啟發式搜索、消解原理、規則演繹算法和產生式系統等。

人工智能的研究課題主要包括計算機視覺、規劃與行動、多Agent系統、語音識別、自動語言理解、專家系統和機器學習等。這些研究論題的基礎是通用和專用的知識表示和推理機制、問題求解和搜索算法，以及計算智能技術等。

經過筆者調研發現，目前在本科高校絕大部分將“人工智能”課程性質設為專業選修課或專業必修課，而在高職院校相關專業基本上不開設此課程，但是在具體實踐教學過程中發現，在其它專業課程的教學過程中也會與人工智能理論或技術相結合，比如數據庫技術、信息系統安全方面等領域，當講到相關課程，同時會結合人工智能的理論，授課過程中發現大部分同學對該課程很有興趣。

本課程在我校計算機科學與工程學院作為一門專業選修課開設，總學時數為：60(其中理論學時為36，實驗學時為24)，隨著計算機技術的不斷更新發展，人工智能的應用領域也變得越來越廣，因此，人工智能(AI)這個學科已不再陌生，很多學生對其充滿興趣和好奇，所以在選課人數上遠遠超過其他選修課的人數，另外結合我校的實際情況，部分理論或實驗又可以與農學、生命科學系等其它專業結合起來而應用。

3人工智能理論教學實踐

多年以來，人工智能獲得很大的發展，已經引起眾多學科和不同專業背景學者們的日益重視，成為一門廣泛的交叉和前沿科學，但是直到目前為止人工智能至今仍尚無統一的定義，要給人工智能下一個準確、科學和嚴謹的定義尚有困難，其現有的一些定義多數是立足于各自的專業而定義的，存在片面性。

同時“人工智能”是一門交叉性的學科，其主要涉及到了控制論、語言學、信息論、神經生理學、心理學、數學、哲學等許多學科，所以該學科具有知識點多、涉及面廣、內容抽象、不易理解、理論性強，與此同時需要學生具備較好的數學基礎和較強的邏輯思維推理能力等特點，從而形成在教學實踐中老師講得吃力、學生聽得吃力的局面。盡管在多年的研究和教學過程中筆者已積累了一些經驗，但是對于如何把握好這門課程的特點，激發學生的學習興趣和熱情，幫助學生更好的理解和應用這門課程，目前仍然有很多問題需要研究和解決。

針對“人工智能”課程相關內容比較抽象，公式推導比較繁瑣等特點，教師除了具有完善的教學大綱、合理的教學計劃以及合適的教材外，還應該根據學校的實際硬件條件盡可能地選擇多媒體教學手段來輔助教學，因此在實踐教學中，筆者經常會配合教學內容，充分利用計算機、投影儀以及互聯網的優勢，結合多種教學方法與手段去組織整個教學過程。例如：在講述搜索推理技術時，使用一些小的演示軟件，將相關推理技術的理論通過動畫的形式一步一步演示出來；而在講專家系統相關理論知識時，尤其是各種類型的專家系統，利用互聯網上的一些在線視頻資源為例，給同學進行詳細講解，通過具體的案例來進行專項知識點的講解及實現與應用；在自動規劃這一章，給同學們選擇演示發達國家目前研制的各種類型機器人，通過這些形象生動、行為舉止高仿真的機器人來給學生講理論，這樣學生通過親自觀看視頻資源，不僅可以拓寬知識面及視野，同時也可以及時地了解國際及國內機器人的發展水平及差距，不斷糾正自己的錯誤觀點并更新自己新的專業認識；另一個方面也可以同時激發學生們的學習興趣熱情和積極性，俗話說：“興趣是學生最好的老師!”這一點在課堂實踐教學中得到驗證，得到廣大同學的認可和贊同，整個教學課堂不再那么單調枯燥乏味，基本可以達到在娛樂輕松的氛圍中學習專業知識，同時再整個教學過程中，師生互動機會增多，學生不再是被動地接受知識。

4實驗教學實踐

4.1客觀存在問題

本校開設“人工智能”課程，主要是面向計算機專業的大學三年級的同學，同時作為一門專業選修課而設，理論課程為36學時，而實驗學時24學時；與此同時經過對其它兄弟院校的調研發現，很多高校雖然也是設為專業選修課，但建議學生們都去學習這門新學科，從而為今后的專業知識及具體應用打下一定的基礎；當然在調研中也發現，部分本科高校雖然開設了“人工智能”課程，但是僅是純粹理論教學，從一定角度來講，理論原理是前沿，但是由于太過于抽象，而且空洞、難以理解，多數同學反映學習效果并不理想，有關具體理論部分的具體實現仍然不解。

本科高校一般都嚴格按照培養方案進行科學設置，同時各個學校根據本校人才培養方案分配各門課程的學時。由于現在我國的教育提倡注重對學生動手能力的培養，培養綜合型、應用型人才，因此筆者再結合實踐教學經驗及對學生的調研，發現“人工智能”課程除了要進行理論方面的講解外，還應注重實驗教學。此外，在高職院校的培養方案中，側重加強學生的動手能力的培養，也建議將此課程列為開設的范圍之內，而在實驗學時上可以安排相對多的實驗學時，在了解“人工智能”理論的前提基礎之上，主要進行相關理論的具體應用與實現，通過這樣的教學安排，可以提高學生的實踐動手編程能力，例如圖1，專家系統的知識庫、工作存儲器及界面的設計與實現。

4.2注重配套教材的選擇

這一任務的主要執行者是由教研室主任或任課老師來完成。目前在各高校中所使用的“人工智能”相關教材的種類繁多，章節和內容的設置上也存在差別。筆者在訂閱教材或參加教材展銷的活動中，都比較關注“人工智能”教材的情況，通過比較發現，有的教材內容難度太低，完全不符合高等本科院校的要求，而有部分出版社的教材則是內容及章節安排內容太多太泛，有些知識點講的又過于深奧，限于學時所限也不適合選用。在選教

材方面，建議除了關注內容方面外，還應注重教材中所講的一些實例，注重這些例子的典型性、時效性及新穎性，因為隨著科學技術的發展，IT產業與學科的發展也是日新月異，作為高校要培養人才，一定要本著貼近社會、服務社會的原則，培養適應型人才。

4.3注重實驗教學內容

目前高校在“人工智能”的教學過程中，實驗所占的學時比較少，有的甚至不安排實驗課學時：另外實驗內容也相對比較簡單，應用不到理論課堂上所學到的人工智能原理，實驗效果不是很好。

面向人工智能課程的程序設計語言，多采用Prolog程序設計語言，它是一種基于一階謂詞的邏輯程序設計語言，它在AI和知識庫的實現技術方面具有十分重要的作用，具有表達力強、表示方便、便于理解、語法簡單等優點，但在整個實驗教學環境也遇到了如下問題：首先是目前有關“人工智能”的專門配套實驗教材很少；其次是即使有諸如《面向人工智能程序設計Prolog》教程，則主要是側重介紹這門自然語言的程序設計，而其中很多部分其實與AI實驗環節不是很關聯，另外教材價位也比較高。針對此種情況，本人在24個學時的實驗教學過程中，安排7個實驗內容，其中最后一個專家系統的設計與實現作為一個綜合性實驗來設計。在進行實驗教學的過程中，首先筆者參考多本Prolog程序設計教程，選擇其中與實驗教學計劃中相關的內容，專門編寫相應的電子教程，同時也結合本校學生本身的特點，有側重地體現和編寫，最終的目的是給學生一份完整的、系統的、規范的電子教程。這樣做的目的是：一方面作為學生參考的技術文檔；另一方面也可以節省學生的部分經濟開支。電子教程的結構分為三個部分來完成，首先為人工智能理論及原理，Prolog語言的使用說明；其次具體的例子演示(均經過調試正常運行)；最后布置給學生具體的實驗內容及相關題目，以提供給學生自己動手實踐的機會。此外在實驗教學過程中，同時也會給學生們自由發揮的機會，比如專家系統的設計與實現作為一個綜合性實驗，學生可以采用Prolog編程實現，也可以采用其它自己擅長的程序設計語言，例如有的同學選擇c語言、vc++、VisualBasic、Java及網頁開發設計語言ASP／JSP等，此外在實驗內容方面，實驗遞交的專家系統涉及多個領域(有動物辨別、醫療診斷、動物養殖咨詢等專家系統)、范圍也頗廣，實驗內容重復性很小，在設計過程中，絕大部分同學均是結合自己的興趣愛好來完成設計。

面對實驗教材的問題，建議本科高校由代課老師結合學生的實際水平親自編寫相關的電子教材，在確保教學內容質量的前提下，如果有條件的院校可以內部印刷，以供學生學習參考，有針對地從易到難完成實驗教學內容的編排，與此同時對于同學可能犯的錯誤，也可在實驗演示過程中或電子文檔中給出相應提示信息，以幫助學生及時解決問題。而對于高職院校來講，一般實驗課時會安排的比較充足，這樣可以選擇一些諸如《面向人工智能的程序設計語言》的教材，系統化規范化地進行相應知識點的學習與應用。

4.4鼓勵學生參加各類科技競賽

學生除了在課堂上掌握好人工智能的基礎理論知識外，將理論在實驗中進行驗證和實現外，還可從以下幾個方面去加強學生的實踐動手能力。其一是可以鼓勵學生業余時間參加課外興趣小組，在相關老師的帶隊指導下，進行一些小型的智能玩具的開發設計；其二是針對部分學生感興趣的內容，可以結合具體的工程項目或畢業設計同步進行，例如，在實踐教學過程中，有一位同學通過理論學習，對遺傳算法(GA)比較感興趣，但在“人工智能”教材中，共安排一章的內容去簡單的闡述GA的算法及原理，內容相對比較簡單，其專業內容本身又可以獨立成為一門課程，因此，該生通過圖書館借閱或購買遺傳算法方面的教材，進行理論深化，從專業角度去學習，不斷提高自身的專業水平，目前已經完成了有關遺傳算法方面的畢業論文設計，整體難度及收獲要比在實驗課堂的內容要深與專；其三鼓勵學生參加各種形式的智能競賽，現在每年廣東省或全國都會舉辦相關智能競爭，例如，廣東省智能機器人競賽、廣東省智能玩具設計競賽、全國大學生智能車競賽等形式，在這方面可以提高學生的動手實踐能力，同時加強對知識的應用與探索、創新能力的培養，同時本著立足培養，重在參與的精神。

5總結

人工智能的研究成果將能夠創造出更多、更高級的智能“制品”，并使之在越來越多的領域超越人類智能，同時將為發展國民經濟和改善人類生活做出更大的貢獻，例如，在2009年3月23日，日本推出一款高仿真“美女”機器人在東京時裝周上登臺進行了時裝展示。

作為一名當代的大學生有必要學好這門課程，但是根據實際教學情況，教師與學生仍然需要繼續進行相應的研究，只有不斷地探索和提高，才能使我們的教學工作更上一層樓，才能培養出符合時代和社會需求的人才。另外人工智能與農業等方面存在很多結合應用的契機，這樣計算機就可真正地服務于社會、服務于人類、服務于農業、應用于農業、發展農業。