張栗粽

(電子科技大學(xué)　計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，成都　610054)

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從專家系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)課程探析英國(guó)應(yīng)用型教學(xué)模式

張栗粽

(電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，成都610054)

該文在分析中英兩國(guó)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式差異的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國(guó)教育的特點(diǎn)，針對(duì)高校本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)，探索以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目的的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)方式。選取了英國(guó)大學(xué)的課程專家系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)為案例，從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、課時(shí)分布與評(píng)價(jià)體系等方面與國(guó)內(nèi)課程進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)任務(wù)設(shè)置、理論實(shí)踐應(yīng)用以及培養(yǎng)學(xué)生綜合能力方面與國(guó)內(nèi)相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有較大差異。結(jié)合我國(guó)工科專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，提出了關(guān)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程建設(shè)的一些建議。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)；思考；應(yīng)用型教學(xué)；計(jì)算機(jī)科學(xué)；專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)是一門人工智能分支課程。專家系統(tǒng)是當(dāng)前人工智能應(yīng)用中最為成功的一個(gè)領(lǐng)域，近年來被廣泛應(yīng)用于非結(jié)構(gòu)化問題的求解。該系統(tǒng)將專業(yè)領(lǐng)域的人類專家的知識(shí)儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)程序中，使計(jì)算機(jī)能夠在一定范圍內(nèi)以接近或相當(dāng)于專家的水平去解決特定問題[1]。

專家系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程一直是英國(guó)高校人工智能專業(yè)學(xué)生的必修內(nèi)容之一。本文作者在英國(guó)兩所高校任教期間，深入接觸了此實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容設(shè)計(jì)開發(fā)與教學(xué)，同時(shí)也體會(huì)到兩國(guó)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的差異。英國(guó)的實(shí)驗(yàn)課程注重實(shí)踐，注重培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立性，對(duì)于理論的強(qiáng)調(diào)反而不太明顯，大多由任課老師以指路的方式提供相關(guān)理論資料，由學(xué)生在課后進(jìn)行學(xué)習(xí)，遵循先實(shí)踐，后理解的步驟；培養(yǎng)的學(xué)生動(dòng)手能力較國(guó)內(nèi)學(xué)生強(qiáng)，并且在理論理解方面也頗有心得。而國(guó)內(nèi)學(xué)生往往對(duì)于理論只能照本宣科，缺少自己的見解。

另外，近年來我國(guó)高校的傳統(tǒng)教學(xué)模式正面臨挑戰(zhàn)，國(guó)家的指導(dǎo)政策已經(jīng)從重理論輕實(shí)踐的教育方式向重創(chuàng)新重實(shí)踐的方向轉(zhuǎn)變[2-4]。在此背景下，分析英國(guó)大學(xué)對(duì)于專家系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與課程的建設(shè)，有助于探討我國(guó)高校在課程建設(shè)中實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革，并且對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新及應(yīng)用能力有著積極的作用[5-7]。結(jié)合本文作者在英國(guó)任教的經(jīng)歷，對(duì)比我國(guó)高校目前相關(guān)課程的教學(xué)方法與內(nèi)容，以專家系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程為例，在探討兩國(guó)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的差異基礎(chǔ)上，結(jié)合中國(guó)教育的特點(diǎn)，積極探索高校以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目的的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)模式。

1　英國(guó)高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

英國(guó)課程總體結(jié)構(gòu)與國(guó)內(nèi)高校有較大的差異[8]，國(guó)內(nèi)高校的傳統(tǒng)授課教學(xué)在大部分課程中僅僅只占總課時(shí)數(shù)的1/2甚至1/3。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，其實(shí)驗(yàn)課程是授課教學(xué)的兩倍左右[9]，保證學(xué)生有足夠的時(shí)間對(duì)所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)踐。

英國(guó)大學(xué)開設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程往往是綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，也就是指實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及本課程的知識(shí)或與本課程相關(guān)的課程知識(shí)，如以專家系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課為例，其涉及的課程包括：C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、面向?qū)ο笳Z(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、人工智能、邏輯學(xué)、CLIPS語(yǔ)言等。而國(guó)內(nèi)類似的實(shí)驗(yàn)課程，往往只著眼于CLIPS語(yǔ)言這一方面的內(nèi)容。

在課程教學(xué)中，主講教師一般只針對(duì)難點(diǎn)和要點(diǎn)做重點(diǎn)講解，對(duì)知識(shí)點(diǎn)的補(bǔ)充則放在實(shí)驗(yàn)課程中。在實(shí)驗(yàn)課程中，也以學(xué)生自學(xué)為主，按照講義內(nèi)容直接開始實(shí)驗(yàn)，如果遇到問題再由教師講解。對(duì)于涉及的相關(guān)理論，大多由任課老師提供相關(guān)理論資料，如論文或相關(guān)書籍信息，由學(xué)生在課后進(jìn)行學(xué)習(xí)，再在實(shí)踐中深入理解相關(guān)理論。

另外，英國(guó)一個(gè)學(xué)年一般包含3個(gè)學(xué)期，實(shí)際教學(xué)時(shí)間6～7個(gè)月，總授課時(shí)間較我國(guó)少。而實(shí)驗(yàn)課程貫穿整個(gè)學(xué)年，以模組的形式開設(shè)。其目的是使學(xué)生有足夠的時(shí)間練習(xí)并實(shí)踐相關(guān)課程的知識(shí)點(diǎn)，對(duì)涉及的相關(guān)理論提出自己的見解。實(shí)驗(yàn)以階段劃分目標(biāo)，每一階段的實(shí)驗(yàn)課程都有不同的側(cè)重點(diǎn)，但相互之間又有緊密的聯(lián)系。以專家系統(tǒng)課程來說，最后的考核方式往往分為兩個(gè)部分，一部分是由各個(gè)實(shí)驗(yàn)組成的“系統(tǒng)”的開發(fā)，另一部分則是對(duì)理論理解的考查，在課程結(jié)束時(shí)一般以書面論文的形式進(jìn)行。

2　課程案例

專家系統(tǒng)是屬于人工智能的一門分支課程，是當(dāng)前人工智能應(yīng)用中最為成功的一個(gè)領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)外的大部分類似課程都選擇以CLIPS語(yǔ)言為教學(xué)的重要內(nèi)容，通過講解CLIPS語(yǔ)言的語(yǔ)法、結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)思路等，使學(xué)生能夠建立一個(gè)人工智能系統(tǒng)。

CLIPS，是目前享有盛名的專家系統(tǒng)開發(fā)語(yǔ)言。它是美國(guó)航天局(NASA)的約翰遜太空中心人工智能部在1970—1980年用于航天的專家系統(tǒng)。在1986年，NASA將其推理機(jī)制單獨(dú)剝離并公開了源碼，成了一個(gè)通用的專家系統(tǒng)工具。它是一個(gè)非商業(yè)化軟件，是典型的高效正向推理的產(chǎn)生式專家系統(tǒng)。因源代碼是以基礎(chǔ)的C語(yǔ)言寫成，其一致性和通用性非常高，只要平臺(tái)支持C語(yǔ)言，就可以運(yùn)行CLIPS系統(tǒng)。其支持的平臺(tái)不僅包括常見的Windows和Linux系統(tǒng)，也可支持常見的嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)。到目前為止，仍舊廣泛地應(yīng)用于各種領(lǐng)域。

2.1課程概況

在英國(guó)實(shí)驗(yàn)課程專家系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)中，課程被分解為3個(gè)主要部分。

1)關(guān)于知識(shí)、推理、專家系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)以及如何將知識(shí)轉(zhuǎn)換為規(guī)則等。這一部分也會(huì)介紹一些其他的推理編程語(yǔ)言，但內(nèi)容基本不涉及具體的編程語(yǔ)法。其中，對(duì)CLIPS的理論原理會(huì)做簡(jiǎn)單闡述，任課教師會(huì)提供關(guān)于其匹配算法Rete的相關(guān)論文供學(xué)生進(jìn)一步了解CLIPS。

2)專家系統(tǒng)語(yǔ)言的句法、指令、程序結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)以及具體專家系統(tǒng)CLIPS程序的編寫。任課教師在這個(gè)階段會(huì)給出多個(gè)課題(實(shí)驗(yàn)題目)供學(xué)生選擇。CLIPS的語(yǔ)法與其他的高級(jí)編程語(yǔ)言有較大區(qū)別，它既不是過程性的語(yǔ)言也不是面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言，因此這部分的教學(xué)一般會(huì)占用接近一半的課時(shí)數(shù)。

3)CLIPS專家系統(tǒng)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)應(yīng)用平臺(tái)的結(jié)合，這也是國(guó)內(nèi)高校很少提及的內(nèi)容。根據(jù)上面第2部分學(xué)生選擇的課題及其應(yīng)用環(huán)境，學(xué)生需要根據(jù)講義等資料，結(jié)合任課教師的講解，理解部分CLIPS底層代碼，學(xué)習(xí)如何將CLIPS整合進(jìn)學(xué)生用其他高級(jí)語(yǔ)言編寫的應(yīng)用軟件中去。如選擇Windows平臺(tái).net環(huán)境的學(xué)生需要將CLISP的源代碼封裝成托管類代碼。在這一過程中既加深了對(duì)面向?qū)ο缶幊?、C++以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)原理相關(guān)內(nèi)容的理解，又加深了對(duì)CLIPS語(yǔ)言的了解，同時(shí)也對(duì)專家系統(tǒng)的開發(fā)過程進(jìn)行了實(shí)踐。

2.2國(guó)內(nèi)類似課程的組成

相對(duì)英國(guó)專家系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)課程， 國(guó)內(nèi)高校的類似課程則太過著重于CLIPS程序語(yǔ)言本身的語(yǔ)法，而不太關(guān)注其具體應(yīng)用部分。大部分高校課程的教學(xué)目標(biāo)僅僅是讓學(xué)生能編寫Clips程序，而對(duì)其與其他平臺(tái)的應(yīng)用很少或基本不做提及。就本文作者所知，國(guó)內(nèi)高校類似課程一般只包括兩個(gè)部分。

1)內(nèi)容和英國(guó)高校類似，也是知識(shí)、推理以及人工智能的介紹，但較為簡(jiǎn)短，所占課時(shí)數(shù)不多。

2)學(xué)習(xí)CLIPS的語(yǔ)法和具體程序的編寫。而課程的評(píng)價(jià)一般以卷面測(cè)試為主，這樣容易造成學(xué)生對(duì)理論部分的內(nèi)容死記硬背，對(duì)CLIPS語(yǔ)法編寫也僅僅是“局部、細(xì)節(jié)”的掌握，而對(duì)系統(tǒng)的整體開發(fā)步驟缺乏理解和實(shí)踐。當(dāng)然，這些不完善的地方也與當(dāng)前國(guó)內(nèi)的學(xué)制有關(guān)，一門課程很難橫跨兩個(gè)學(xué)期。

2.3評(píng)價(jià)體系

2.4啟發(fā)與思考

相較于國(guó)內(nèi)高校，英國(guó)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)更注重培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題、解決問題的能力，而最后的評(píng)估體系以小組為單位，鼓勵(lì)和培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。除此之外，以專家系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)相似課程為例，CLIPS專家系統(tǒng)語(yǔ)言最大的魅力在于其能自由移植到不同的平臺(tái)，這也是其經(jīng)久不衰的原因。但這一點(diǎn)在國(guó)內(nèi)高校類似的課程內(nèi)容中很難體現(xiàn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)也就將之當(dāng)成了一種在特定運(yùn)行環(huán)境下執(zhí)行的語(yǔ)句而已。

另外，英國(guó)的計(jì)算機(jī)類學(xué)科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)以學(xué)生能開發(fā)相關(guān)應(yīng)用軟件或程序?yàn)槟繕?biāo)，更加注重學(xué)以致用的實(shí)踐環(huán)節(jié)，或者說是以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)，但也沒有忽略對(duì)理論知識(shí)的傳授。以專家系統(tǒng)編程為例，要想將CLIPS專家系統(tǒng)整合并運(yùn)用到其他的高級(jí)編程語(yǔ)言中，對(duì)其編譯環(huán)境的理解是必須的，需要明白事實(shí)與規(guī)則是如何傳入專家系統(tǒng)環(huán)境，而新產(chǎn)生的事實(shí)和結(jié)論是如何從專家系統(tǒng)里面取出的；而CLIPS又是以C語(yǔ)言寫成的，也同時(shí)考查了學(xué)生對(duì)其他相關(guān)編程語(yǔ)言課程知識(shí)點(diǎn)的掌握。這就保證了對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)的同時(shí)，也注重學(xué)生對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的掌握。

在淺析英國(guó)高校實(shí)驗(yàn)課程的基礎(chǔ)上，針對(duì)我國(guó)的計(jì)算機(jī)及大部分工科專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，本文提出以下3點(diǎn)建議。

1)課程實(shí)驗(yàn)應(yīng)當(dāng)有一個(gè)明確的任務(wù)目標(biāo)。英國(guó)高校工科專業(yè)在教學(xué)中十分注重通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式，在教師的引導(dǎo)和幫助下，尋找解決問題的方法。在某種程度上，這已經(jīng)相當(dāng)于部分國(guó)內(nèi)高校的綜合設(shè)計(jì)或畢業(yè)設(shè)計(jì)的水平。其實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往以明確的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?如開發(fā)一個(gè)軟件或系統(tǒng))為切入點(diǎn)，回顧并串聯(lián)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)，在實(shí)踐的過程中，理解課程中的難點(diǎn)與重點(diǎn)。因而，建議整個(gè)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)有一個(gè)明確的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，學(xué)生以一個(gè)工程師的眼光來看待實(shí)驗(yàn)課程，帶著問題在實(shí)踐中理解相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)。

2)著眼于實(shí)際應(yīng)用，某些課程甚至可以讓學(xué)生先實(shí)踐后理解。目前國(guó)內(nèi)的實(shí)驗(yàn)課的定位是對(duì)一些難點(diǎn)知識(shí)的驗(yàn)證與學(xué)習(xí)，而英國(guó)高校的實(shí)驗(yàn)課定位是鞏固和完善教學(xué)內(nèi)容并提供學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)。從本質(zhì)上看，這兩方面并不沖突。以本文案例來看，學(xué)生可以在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)難點(diǎn)，求助于課件、講義或者是尋求任課教師的講解，從而獲得對(duì)難點(diǎn)知識(shí)的驗(yàn)證與學(xué)習(xí)。因此，建議以實(shí)際的應(yīng)用作為實(shí)驗(yàn)案例來串聯(lián)知識(shí)點(diǎn)，比相對(duì)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)課程更加適合培養(yǎng)應(yīng)用型人才和提高學(xué)生的實(shí)踐能力。

3)注重培養(yǎng)學(xué)生的寫作能力。寫作是內(nèi)在思緒的組織與表達(dá)，是意識(shí)的重新建構(gòu)，也是內(nèi)容+邏輯+表達(dá)綜合能力運(yùn)用。而邏輯結(jié)構(gòu)和語(yǔ)言表達(dá)能力需要長(zhǎng)期不斷地訓(xùn)練。英國(guó)高校大多數(shù)課程都要求以論文形式寫作一篇與課程內(nèi)容相關(guān)的報(bào)告，而論文的完整性、清晰性和可讀性也是重要的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。大部分課程最后的考查方式往往分為兩個(gè)部分：①由各個(gè)實(shí)驗(yàn)為組成部分的“項(xiàng)目”的開發(fā)；②書面論文的形式考查對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)的理解。如此設(shè)計(jì)課程評(píng)價(jià)體系的原因很簡(jiǎn)單，學(xué)生畢業(yè)踏入社會(huì)后必然會(huì)參加很多工程項(xiàng)目、參與撰寫項(xiàng)目報(bào)告書，因而以論文形式考查知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)也同時(shí)對(duì)學(xué)生的寫作能力進(jìn)行了培養(yǎng)，增加其就業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

3　結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了英國(guó)高校工科類課程，特別是計(jì)算機(jī)學(xué)科教學(xué)的體系結(jié)構(gòu)，總結(jié)了其注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)和培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的一些特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)課程往往有一個(gè)明確的任務(wù)目標(biāo)，并且將之解析為一系列的階段目標(biāo)，每一階段的實(shí)驗(yàn)課程都有不同的側(cè)重點(diǎn)，但其相互之間又有相當(dāng)緊密的聯(lián)系。課程的設(shè)計(jì)著眼于實(shí)際應(yīng)用，某些課程甚至允許學(xué)生先實(shí)踐后理解。在課程評(píng)價(jià)體系方面，不僅注重課程內(nèi)容本身的訓(xùn)練也注重培養(yǎng)學(xué)生的寫作能力。本文在分析其課程模式的基礎(chǔ)上，探索了高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法并提出一些建議，希望能對(duì)國(guó)內(nèi)高校的應(yīng)用型人才培養(yǎng)提供一種新的思路。

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Exploration into Applied Teaching Mode at British Universities from “Experts System Programming” Module

ZHANG Lizong

(SchoolofComputerScienceandEngineering，UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina，Chengdu610054，China)

Thispaperintroducesthecoursestructuresofcomputing-relatedcoursesatBritishuniversities，andanalyzestheirexperimentteachingmethodinordertosketchtheirteachingorientationandcharacteristics.ThispaperaimstocomparethesimilarcoursestructureofUKandChinatoexplorenewcultivationmodeswiththecharactersofChineseeducation.Thispaperintroducedacasestudyof“ExpertsSystemProgramming”course，andcomparesthemfromcoursecontent，classhoursandevaluationcharacteristics，andaddressedthedifferencesintheaspectsofexperimentaltask，practiceapplicationandgeneralability.Finally，alistofsuggestionsaboutexperimentcoursedesignfortrainingofappliedtalentsisoutlinedfromthereflectionsoftheexperimentteachingmethodatBritishuniversities.

experimentalteaching；reflection；trainingofapplication-orientedtalents；computingscience；expertssystem

2015-06-17；修改日期: 2016-06-21

張栗粽(1981-)，男，博士，講師，主要從事專家系統(tǒng)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等方面的研究。

G642

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.042