剖析专家系统教学案例中的逻辑推理

2022-03-24浦丕志

中国信息技术教育 2022年6期

浦丕志

摘要：本文聚焦浙江教育出版社出版的《信息技术（选择性必修4）——人工智能初步》“算法与模型（简单人工智能应用模块开发）”单元中的“专家系统”相关教学内容，分享在教学中通过专家系统解决实际问题的案例，搭建简单的人工智能应用模块，亲历设计与实现专家系统的基本过程与方法，拓展学生思维，提高综合应用信息技术的能力。

关键词：专家系统;卡路里;细胞

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2022）06-0000-03

人工智能是通过智能机器延伸、增强人类改造自然和治理社会能力的新兴技术。[1]浙江教育出版社出版的《信息技术（选择性必修4）——人工智能初步》在“算法与模型”单元（第二章）中，先介绍了类脑计算，进而学习逻辑推理，这一部分包括命题逻辑、谓词逻辑、逻辑推理规则、专家系统、知识图谱、常识推理等内容，最后了解人工智能的核心算法（搜索、决策树、回归分析、贝叶斯分析、神经网络、混合增强智能等）。从实际教学过程和本单元知识结构来看，第二节“逻辑推理”是本单元的教学重点，在“逻辑推理”这节课中“专家系统”的教学是关键内容。专家系统是初步认識人工智能应用的基础阶段，教材指出“逻辑推理在人工智能领域最重要的应用之一，就是专家系统”。[2]

● 引出问题

在专家系统教学案例中，教师首先应创设真实的情境，引出项目问题：提供两段视频（控制能量摄入并适当锻炼的减肥方法、天宫课堂“微重力环境下细胞学实验”），学生可自主选择视频（问题）观看，再查看项目资料和具体问题，依据已有知识经验以及对问题感兴趣程度、解决问题难度、完成的可能性、分组合作因素等评估，最终确定项目问题。项目问题关注学生的差异，用个体可获取的资源支撑项目问题的遴选，也给学有余力且有升学、个性化发展需要学生提供了支持，两段视频分别引出“卡路里”问题和“真核细胞和原核细胞”问题。

1.“卡路里”问题

（1）食物基本热量表（如下表）。

（2）计算当日摄入的热量。卡路里是一种热量单位，1千卡（大卡）=4.19千焦，如一名同学早餐摄入油条100克、豆浆300克、鸡蛋100克;午餐摄入米饭200克、牛肉200克、土豆150克;晚餐摄入馒头200克、瘦猪肉200克、洋葱150克，又吃了100克苹果。其当日摄入的热量为1×320+3×40+1×165+2×125+2×300+1.5×80+2×225+2×290+1.5×40+1×60=2725千焦。请你算出当日摄入的热量？

（3）每日所需的卡路里。体重70千克的人每日所需的卡路里为4.19千焦×24小时×70千克=7039.2千焦，体重越重需要的热量就越多。你每日所需的卡路里是多少？

（4）使用专家系统，判断是否需要控制能量摄入并适当锻炼。如果当日摄入的热量≥每日所需的卡路里，需要“控制能量摄入并适当锻炼”。

2.“原核细胞和真核细胞”问题

在高一生物的“分子与细胞”内容中，学生已经接触了细胞学知识，学习了“细胞是生命活动的基本单位”“原核细胞和真核细胞”[3]等问题。天宫课堂“微重力环境下细胞学实验”中的心肌细胞是原核细胞还真是核细胞呢？

（1）实验观测原核细胞和真核细胞。

（2）辨析原核细胞和真核细胞：支原体是原核生物（支原体是唯一不具有细胞壁的原核生物）。如果有细胞核膜，是真核细胞;无细胞核膜，是原核细胞。如果有染色体，是真核细胞;无染色体，是原核细胞。如果有细胞器，是真核细胞;无细胞器，是原核细胞。如果细胞壁含有纤维素或果胶，是真核细胞;含有肽聚糖，是原核细胞。

（3）使用专家系统，判别心肌细胞（某一细胞）是原核细胞还是真核细胞。专家系统对细胞的数据分析和通过细胞核膜、染色体、细胞器、肽聚糖、纤维素、果胶观测来判断出是原核细胞还是真核细胞。

● 学习“专家系统”

在教学中，通过个体学习资料与小组研讨问题再合作汇报的形式学习教材下列内容：

（1）专家系统是通过逻辑推理完成某一特定专家任务的计算机系统，能模拟现实生活中的专家，依据特定领域数据和方法解决实际问题。

（2）通过专家系统DENDEAL、MYCIN来形成对“专家系统”的基本认识，了解“专家系统”通过搜索和推理，根据概率列表做出相应决策。

（3）认识教材中专家系统的典型结构（人—机交互界面、知识库和推理机），理解人—机交互界面的反馈过程。

（4）通过独立的知识库与推理机，经过转换，可以在一个领域专家系统的基础上快速开发另一领域专家系统。

● 提出质疑

教材中的专家系统根据用户的“体检单”，再从知识库中搜索和提炼出有效的数据进行逻辑推理，经推理机，分析出“患甲亢的概率为40%”的结果。鼓励学生提出以下质疑：①“体检单”如何去冗余？怎样建立“体检单”数据文件（采用什么环境）？②怎样建立进行修改或添加的知识库文档，保证检索的逻辑关系准确地存储？③在进行逻辑推理后，推理机是如何分析出“患甲亢的概率为40%”的结论的？④你能否假想出推理机的内容？思考推理机的科学依据的来源。⑤如何提高“专家系统”的水平？

提出质疑的目的是更深入地理解“专家系统”的结构，构建“逻辑推理”是建立在大数据（经验）的基础上的思想，引导学生通过思考得知具体建立一个可以运行的“专家系统”需要输入用户数据和收集整理相关逻辑推理数据，再通过推理机估算出结论。通过质疑—回答，学生具备了体验“专家系统”基础，根据实际问题，找到合理开发“专家系统”的环境（工具和平台）、参数及交互方式，将逻辑描述变成可执行的逻辑推理表达式，通过调试，完成完整“专家系统”项目的体验。

● 体验“专家系统”

1.“患甲亢的概率”问题

教师可采用小组合作的方式，引导学生发现、分析专家系统对“患甲亢的概率”结论的实现过程，重点引出体检单、知识库、推理机等内容，提出可行的建立和评估“专家系统”的方案。

可以鼓励学生在合作之后，填写“专家系统组成结构”项目书，理清建立一个“专家系统”的步骤，对可以解决的质疑问题进行分解和细化，便于问题的解决。

2.“卡路里”问题

教师引导学生用Python完成专家系统（如图1）。

专家系统要求输入intake（当日摄入的热量）和n（体重），根据知识库得到“每日所需的卡路里”，根据“intake>=4.19*24*n”的逻辑推理得出相应的结论。

3.“原核细胞和真核细胞”问题

教师引导学生用Python完成专家系统（如图2）。

专家系统要求输入a（细胞名称）和b（细胞特征），通过知识库的逻辑推理辨析出细胞是“原核细胞和真核细胞”的结论。

学生在体验这个“专家系统”后，进一步追问三个问题：①专家系统如何处理“支原体是唯一不具有细胞壁的原核生物”这类极端问题？②为什么“肽聚糖”关键字在专家系统没有被定义？③评价这个专家系统，如何改进这个专家系统？

● 总结问题