產(chǎn)生式系統(tǒng)的教學(xué)實踐研究

鄭波盡　鐘凱瑞

摘要：產(chǎn)生式系統(tǒng)是人工智能教學(xué)中的重點和難點。本文進行了七個學(xué)期的教學(xué)實踐，通過設(shè)置對照組，定性地研究了在不同教學(xué)方法下學(xué)生的表現(xiàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：1）在教學(xué)環(huán)節(jié)中，強調(diào)實踐、要求學(xué)生自行編制出程序是重要的，這能有效地促進學(xué)生理解；2）在開放式教學(xué)情形下，學(xué)生的創(chuàng)造性會得到發(fā)揮；3）激發(fā)學(xué)生的興趣，則能有效地提高學(xué)生參與編程的積極性。通過總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗，凝練出在產(chǎn)生式系統(tǒng)教學(xué)中需遵循的“興趣導(dǎo)向、實踐優(yōu)先、開放活潑”的教學(xué)思路。

關(guān)鍵詞：產(chǎn)生式系統(tǒng)；人工智能；教學(xué)實踐

中圖分類號：TP3-05 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2015.05.007

0 引言

產(chǎn)生式系統(tǒng)是人工智能中的一個經(jīng)典部分。產(chǎn)生式系統(tǒng)的教學(xué)在人工智能的教學(xué)具有承上啟下的作用。首先，學(xué)生需要理解知識表中的邏輯表示方法之后才能更容易地學(xué)習(xí)該部分，這里，產(chǎn)生式系統(tǒng)表現(xiàn)出承接作用；其次，理解了產(chǎn)生式系統(tǒng)，才能更容易地學(xué)習(xí)人工智能中其他相關(guān)知識。正是因為產(chǎn)生式系統(tǒng)具有承上啟下的作用，該部分的教學(xué)對于學(xué)生的融合貫通起著關(guān)鍵作用。此外，編寫產(chǎn)生式系統(tǒng)可以訓(xùn)練學(xué)生的邏輯能力，也可以作為計算機語言教學(xué)的良好實例。

對于產(chǎn)生式系統(tǒng)部分的教學(xué)，主要目的在于：讓學(xué)生理解產(chǎn)生式系統(tǒng)的基本構(gòu)造，并能利用產(chǎn)生式系統(tǒng)求解問題。在我們的教學(xué)中，要求學(xué)生能夠使用產(chǎn)生式系統(tǒng)解決一些有趣的智力題，從而真正體現(xiàn)機器求解智力問題的能力。

為了達到該目的，我們在七個學(xué)期的課程上進行了各種探索。本文通過總結(jié)這七個學(xué)期的經(jīng)驗，提出產(chǎn)生式系統(tǒng)教學(xué)中需遵循的“興趣導(dǎo)向，實踐優(yōu)先，開發(fā)活潑”的教學(xué)思路。

1 教學(xué)實踐案例

在本教學(xué)實踐案例中，共選擇了2006—2007學(xué)年兩個學(xué)期、2007—2008學(xué)年第一個學(xué)期、2010—2011學(xué)年兩個學(xué)期，2011—2012學(xué)年兩個學(xué)期作為考察對象。在授課中，分為《人工智能A》和《人工智能B》兩種教學(xué)形式。選擇《人工智能B》的班級不進行上機實驗操作，而選擇《人工智能A》的班級需要在計算機上完成相應(yīng)的實驗。

為了達到形象化教學(xué)的目標(biāo)，在產(chǎn)生式系統(tǒng)的教學(xué)中，選擇了一個智力題作為算法求解目標(biāo)。該題目常稱為量水問題，可簡單描述如下：

有兩個無刻度標(biāo)志的空水壺，分別可裝4升和3升的水。設(shè)另有一個10升的水壺裝滿了水。各個水壺之間僅可以相互傾灌。問如何通過倒水或灌水操作，量出2升的水來。

該問題是一個典型的智力問題。對于大學(xué)生來講，該問題并不困難。但是，用計算機來求解確實一個具有挑戰(zhàn)性的問題，因為，學(xué)生們不僅僅是自己會求解該問題，還要讓機器也能做到。

1.1 教學(xué)情況說明

為了考察實踐編程環(huán)境的影響，對于《人工智能B》的班級，僅進行理論教學(xué)。教學(xué)步驟為：1）簡單介紹產(chǎn)生式系統(tǒng)的構(gòu)成：數(shù)據(jù)庫、規(guī)則庫、推理機；2）講授水壺之間傾倒的所有規(guī)則；3）給出程序，將程序中的各條語句與理論一一對應(yīng)說明。

對程序部分，則教授由教師所編寫的程序。具體教學(xué)內(nèi)容如下：

1）首先定義數(shù)據(jù)庫中的變量，即水壺中已存水的數(shù)量。定義了三個變量，并賦予初值。程序用C語言可以寫作如下語句：

1.2 教學(xué)效果說明

對于所有班級的學(xué)生，都組織書面考試?？荚嚨念}目就是默寫整個程序。由于選課學(xué)生的專業(yè)不同，因此，卷面成績的波動較大。數(shù)學(xué)專業(yè)的學(xué)生選擇的是《人工智能B》，從卷面上看，小錯漏較多，說明多數(shù)是靠背誦過關(guān)。自動化專業(yè)和計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生選擇的是《人工智能A》，多數(shù)情形下表現(xiàn)略好。然而，在前五個學(xué)期的教學(xué)實踐中，教師先行給出了程序，相反地，學(xué)生錯漏的出現(xiàn)率較高，說明學(xué)生的依賴心理較重，靠背誦過關(guān)；在后兩個學(xué)期中，教師沒有先行給出程序，卷面成績反而上升，小錯漏減少，說明學(xué)生理解的程度較高。這部分的結(jié)果表明：實踐環(huán)節(jié)對教學(xué)效果的影響很大，加入實踐環(huán)節(jié)能顯著提高教學(xué)效果。

除開書面考試成績的比較，當(dāng)沒有先行給出程序時，學(xué)生們最主要的進步是在實驗環(huán)節(jié)。由于沒有程序，學(xué)生們開動腦筋，對于量水問題給出了很多其他的方案。在2010—2011學(xué)年，學(xué)生提出了用寬度優(yōu)先、深度優(yōu)先等搜索策略來改進隨機推理機制，以獲得最簡單的倒水方案，并給出了正確的源程序。在2011—2012學(xué)年第二個學(xué)期，學(xué)生們又提出了一個意想不到的新策略。

學(xué)生提出的策略是：每次將4升壺的水倒入3升壺，3升壺的水倒入10升壺，而10升壺的水倒?jié)M4升壺。由于從數(shù)學(xué)上看，數(shù)字4和3互質(zhì)，且相差僅僅為1，因此，這一個循環(huán)傾倒的策略總能獲得2升水。即使是換成要量出5升水等形式，也很容易地能得到。

學(xué)生所提出的策略從編程上看，更為簡單，也能達到以前程序的效果，充分說明了大學(xué)生的創(chuàng)新能力。

從以上兩次學(xué)生提出的創(chuàng)新思路，尤其是后一次的思路來看，教學(xué)效果要遠遠好于以前的固定刻板的教學(xué)模式，說明在開放式情形下，學(xué)生的創(chuàng)造性能夠得到發(fā)揮。

因為實踐環(huán)節(jié)對教學(xué)效果非常重要，在后面兩個學(xué)期的教學(xué)中，我們著重強調(diào)了提升學(xué)生興趣的教學(xué)環(huán)節(jié)，增加了學(xué)生編寫程序的積極性。

2 經(jīng)驗總結(jié)

從這個教學(xué)案例中，可以總結(jié)出這么幾方面的經(jīng)驗：

1）在產(chǎn)生式系統(tǒng)的教學(xué)中，切忌只是從理論到理論。從理論到理論的方式會使得學(xué)生失去基本的興趣。當(dāng)失去基本的興趣以后，學(xué)生將不再配合學(xué)習(xí)，從而使得后續(xù)的教學(xué)更為艱難。

2）最好采用案例教學(xué)的方式。采用案例教學(xué)的方式會使得學(xué)生更容易理解，更容易接受。對于案例的選擇，可以選擇傳教士過河問題、量水問題、八皇后問題等學(xué)生喜聞樂見的智力題，要求學(xué)生用計算機程序的方式解決。在案例的選擇上，要堅持簡單原則，太復(fù)雜的程序?qū)W生會不太喜歡。從實踐上看，量水問題比傳教士過河問題要簡單，因此，建議多選擇這樣的案例。

3）相信學(xué)生，從而給學(xué)生表現(xiàn)的機會。大學(xué)生處于創(chuàng)造力的高峰時期，如果能夠激發(fā)學(xué)生的興趣，則學(xué)生自然會在興趣的指引下發(fā)揮其創(chuàng)造力，給出更簡單更有效的方案。

4）實踐優(yōu)先。由于長期的應(yīng)試教育的熏陶，大學(xué)生普遍具有“等、靠、要”的思想。如果不給予實踐的機會，多數(shù)大學(xué)生們通常不會去嘗試求解難度較大的問題。在實踐中，要避免將學(xué)生看作機器，不能要求學(xué)生完全按照實驗操作規(guī)程進行操作。這樣的標(biāo)準化、刻板化的實踐的確從表面上看實驗報告更漂亮，但實際上，學(xué)生多數(shù)情況下是知其然，不知其所以然。從教學(xué)的本質(zhì)上講，這樣做是違背教學(xué)規(guī)律的。

5）理論升華。在實踐完成以后，教師一定要抓住機會，將程序中的各個部分與理論中的各個部分對應(yīng)起來。這樣學(xué)生才能夠融會貫通，真正理解產(chǎn)生式系統(tǒng)。

總而言之，對于產(chǎn)生式系統(tǒng)這樣的知識點，在實踐中采用“興趣導(dǎo)向，實踐優(yōu)先，開放活潑”的教學(xué)思路是可行的。

3 結(jié)束語

對于《人工智能》課程中產(chǎn)生式系統(tǒng)這一知識點，本文討論了教學(xué)中的一點心得體會，總結(jié)出“興趣導(dǎo)向，實踐優(yōu)先，開放活潑”的教學(xué)思路。目前，在《人工智能》的教學(xué)中，對于產(chǎn)生式系統(tǒng)這部分的教學(xué)，我們堅持使用本文提到的思路，效果良好。從學(xué)生的反應(yīng)來看，加深了對于機器求解問題的理解，加深了對人工智能的理解。