专家系统及其在教育中的应用研究

专家系统及其在教育中的应用研究

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2013年06 月20 日

专家系统及其在教育中的应用研究

摘要：作为人工智能应用研究的一个重要分支，专家系统被广泛应用于各个领域并取得了巨大的成功。本文在介绍专家系统的内涵、基本结构原理和发展趋势的基础上对专家系统在教育领域中的应用现状作了探讨，分析了专家系统与计算机辅助教学、网络远程教学的结合应用以及在辅助教育教学方面的其他应用。

关键字：人工智能；专家系统；ITES；ICAI；IDSS

一、引言

信息技术的飞速发展正以一种前所未有的深度和广度渗透到社会的方方面面，改变着人们的生活。其中，对于人工智能领域的关注和研究一直领跑于信息技术的前沿，标志着社会发展的智能化趋势。而人工智能中最接近实际应用、发展最快、效益最显著的当属专家系统。可以说“专家系统是人工智能从幻想到实践，再由实践到理论的主角川¨。从1965年世界上第一个专家系统诞生至今，随着知识工程的深入研究，以及专家系统的理论和技术的不断发展，使得专家系统的应用渗透到几乎各个领域，并在实际应用中产生了巨大的经济效益。当今社会对教育现代化的呼吁和关注，使专家系统在教育中的应用也越来越得到人们的重视，且具有广阔的发展前景。尤其是专家系统与传统的计算机辅助教学、网络远程教学的结合，更能满足学生的个性化学习需求，充分体现了教与学的灵活性、互动性和适应性，同时，专家系统在辅助教育教学中的其他应用也极大地促进了教育信息化的发展。

二、有关专家系统

专家系统(Expert System)是人工智能应用研究中最活跃、最成熟的一个领域。专家系统的实质就是一种具有特定领域内大量知识和经验的计算机智能程序系统。它包括两个方面的含义。首先，专家系统是一种智能程序系统，因此，它不同于一般的程序系统，是一种能够运用已有知识和经验进行推理、判断与决策并对结论的推理过程作出解释的启发式程序系统。其次，专家系统的智能来源于领域专家的知识和经验，它应用人工智能技术，模拟人类专家求解问题的思维过程求解领域内的各种问题，其水平可以达到甚至超过人类专家的水平，而且能够在运行过程中不断积累和更新知识，和人类专家相比更具持久性、灵活性和一致性。专家系统又可称为“基于知识的系统”。这种基于知识的系统以知识为中心，以逻辑推理为手段解决问题。因此，专家系统的核心内容是知识库和推理机制，其主要组成部分是：知识库、推理机、综合数据库、解释机构、知识获取机构和用户界面。其一般结构如图1所示：

领域专家、知识工程师

用户

用户界面

知识获取机构推理机解释机构

知识库综合数据库

（图一）

图1专家系统的一般结构其中，领域专家的知识和经验被事先存储在知识库中，用户通过人机界面与系统交互，运用推理机和综合数据库的协调工作，完成推理过程，得出最终结论。在这里，专家系统还可以通过解释机构对结论、求解过程向用户作出说明解释，如：系统为什么要向用户提出该问题(Why)，计算机是如何得出最终结论的(How)。领域专家或知识工程师通过专门的软件工具或编程实现专家系统中知识的获取，不断地充实和完善知识库中的知识。专家系统的发展非常迅速，KDD技术、遗传算法，模糊理论、神经网络技术、面向对象程序设计、可视化开发环境等为专家系统的发展提供了新的工具和方法，开辟了新的领域，使专家系统的发展不仅出现了功能集成化、技术集成化、智能集成化的新趋势，对多专家系统、分布协同式专家系统、模糊专家系统、神经网络专家系统等新型专家系统的研究也取得了新的进展。

三、专家系统在教育中的应用

(一)专家系统与计算机辅助教学及网络远程教学的结合应用

将人工智能中的专家系统应用于传统的计算机辅助教学及网络远程教学之中，利用计算机来模拟专家、教授的教学思维过程，形成开放式交互教学系统，给学生带来更加宽松、自由的学习环境，也更加符合学生进行个性化学习的需求。同时，专家系统与具体学科的的结合，可以使学科教学专家的优良教学方法和成功教学经验得到继承和发扬，有助于克服个人教学方法及教学水平的局限，提高教学质量。

1．智能教学专家系统

智能教学专家系统ITES(IntelligentTeaching Expert System)是利用计算机来模拟教学专家的教学思维过程，使用AI、多媒体、虚拟现实等技术以及各种先进的教学手段所形成的开放式交互教学系统。瞌1它以计算机为媒介，集中教师的经验与智慧，为学生提供一种智能化学习环境，通过人机交互，系统可以根据学生的知识水平、认知模型等主动地提供助学信息(如学习内容、教学模式和方法等)，帮助学生有选择地自主学习，真正实现无人化、个别化自适应教学。ITES中以智能计算机辅助教学ICAI(Intelligent Computer AssistedInstruction)为主。ICAI实际上是在CAI中引入人工智能的思想，即使用专家系统的方法和工具建构智能化的CAI。ICAI通过研究人类学习思维的特征和过程，寻求学习认知的模式，具有更加良好的人机界面和诊断、调试修改功能，使学生获得个别化自适应学习。它具有自然语言的生产与理解能力，能够较科学地评估学生的学习水平，根据学生的不同水平与学习情况，通过智能系统的搜索与推理，‘得出智能化的教学方法与教学策略并在教学中不断地改进教学策略。还可以通过分析学生以往的学习兴趣和学习习惯，预测学生的知识需求和常犯错误，动态地将不同的学习内容、学习方法与不同的学生匹配，诊断学生错误并智能地分析学生错误的原因进而有针对地提出合理的教学建议、学习建议以及改进方法，既提高了学生学习的满意度，激发了学生的学习热情，也对教师教学提供了客观的依据和科学的方法。

2．多专家系统支持的网络教学

多专家系统支持的网络教学可以发挥网络、教学专家及多专家系统的综合优势和智能优势，将有关教学实践的多方面专家知识、教学活动中的各种数据和信息的利用结合到系统中。所谓多专家系统是在专家系统的基础之上，根据综合问题的不同方面应用多个专家系统，动态地配置相应合适的任务，增进执行的并行性和有效性，提高应对师生各种问题的灵活性，改善网络教学的整体性能。通过加强各子专家系统之间的通信处理、协同调度、以及与之相应的各知识库、综合知识库和整体求解机制的优化，多专家系统能以正确的方式调配网络教学系统的运行，选择多种推理方法动态地组织求解。多专家系统支持的网络教学在对学习者的适配、认知模型构建、任务分析、个别指导策略、学生错误诊断、协助合作学习、网络教学系统监视和教学复杂性问题的适应性求解等各个方面都显示出其特长，大大提高了网络教学的适应性和学生学习的效率。

3．智能决策支持系统

智能决策支持系统IDSS(IntelligentDecision Support System)是决策支持系统DSS与人工智能相结合，尤其是与专家系统相结合的产物。目前，智能决策支持系统IDSS已成为DSS的发展方向。支持服务是现代远程教育系统的重要构成要素，高效的支持服务子系统是有效地开发、管理和实施远程教育项目的保证。针对当前网络远程教育中学习支持服务的缺乏主动性、针对性和策略性的被动状况，IDSS能够给出有效的解决方案，实现支持服务的智能化，因此，IDSS在网络远程教育领域的应用方面具有很强的发展潜力和美好的前景。

(二)专家系统辅助教育教学的其他应用

除了在计算机辅助教学、网络教学以及远程教育中的不同应用之外，专家系统对于辅助教学管理、促进教育手段现代化的发展也起到了不可忽视的作用。

1．教学资源利用专家系统