（计算机软件与理论专业论文）教学评估专家系统的研究与应用.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获冬毖；姒妒或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对卒研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 一 学位论爻作者始挑披签字魄聊7 年争删8 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完金了解脚磬 有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 蹴本人授枢掷文貊以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、编印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 靴篡鬻掀巷舀圩 篓i 箸二棼娄日主篡豸年裂幽 签字日期：锄曰年毕月游日 圣孑。朋：( 7 l 口f q “9 9 工作单位 通讯地址 电话 邮编 摘要 摘要 人工智能是当前信息科学技术发展中的- - f 3 前沿学科，作为人工智能领域中 的一个重要分支专家系统的研究尤其活跃，它模拟相关领域专家的决策过 程，解决那些需要专家才能解决的复杂问题。与此同时，伴随着大学教学改革的 不断深入，对于各个大学的教学评估也成为当前迫切的任务。然而，大学的教学 评估由于具有时间紧，任务量大，评估细节指标多等特点使得要想得到一个学校 较为准确的结果，显得非常困难。 本课题就是在这样的背景下，以大学教学评估的要求作为需求，采用了v c + + 结合p r o l o g 的专家系统技术，来具体的实现这样一个系统，使得本系统不仅具 有一定的理论意义，而且具有广泛的实用价值。 文章首先介绍了一下当前教学评估的一些相关背景，然后介绍了专家系统的 基本理论和常见的开发工具( 比如p r o l o g ) ，并在此基础上比较了各种开发工具 的优劣，并结合教学评估的自身特点，决定使用v c 结合来具体实现这样一个系 统。系统的实现是本文的核心，在这部分里，我们首先介绍了v c + + 和a m z i ! p r o l o g 融合的一些关键技术，并结合两种语言自身的特点提出，采用v c 作为开发平台 集中管理数据库，维护知识库，控制推理机的推理，实现算法、数值计算、编写 人机接口等强大功能；利用a m z i ! p r o l o g 语言所具有的强大的逻辑推理功能， 进行推理。 在这之后，又介绍了教学评估专家系统中的知识获取和知识的表示，以及推 理机的工作机制。 ， 文章的最后给出了对此开发系统的将来的展望。 关键字：专家系统；p r o l o g ；教学评估；推理机：v i s u a lc + + 6 0 教学评估专家系统的研究与应用 a b s t r a c t a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ( a i ) i so n eo ft h el e a d i n gs u b j e c t si n t h ep r e s e n td e v e l o p m e n to f i n f o r m a t i o ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y a sa n i m p o r t a n tb r a n c ho fa i ，t h er e s e a r c ho ne x p e r ts y s t e m ( e s ) i se s p e c i a l l y a c t i r e i ts i m u l a t e st h ee x p e r t so fc e r t a i nf i e l d s ，s o l v e st h ec o m p l e x p r o b l e m sw h i c hc a no n l yb ed o n eb yt h o s ee x p e r t s m e a n w h i l e ，w i t ht h e d e v e l o p m e n to fi n n o v a t i o no nt h eu n i v e r s i t ye d u c a t i o n ，t h ea s s e s s m e n to n t h eu n i v e r s i t yb e c o m e sac u r r e n t l yu r g e n tt a s k h o w e v e rb e c a u s eo ft h e t a s kc h a r a c t e r i z e dw i t ht h el i m i t e dt i m e 。h a r dw o r ka n dt h ee x c e s s i v e l y d e t a i l e de v a l u a t i o n ，i ti sv e r yd i f f c u l tf o ro n et og a i nt h ee x a c tr e s u l t s o ft h ec e r t a i nu n i v e r s i t y t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ed e m a n do fe v a l u a t i o nu n d e rt h i sc o n d i t i o n ， a c h i e v i n gt h i se x p e r t ss y s t e mb ym i x e dp r o g r a m m i n gi nt h ee st o o lp r o l o g a n dt h ea d v a n c e dc o m p u t el a n g u a g ev c + + n o to n l yh a st h i ss y s t e ms o m e t h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c e ，b u ta l s oh a sb r o a d l yp r a c t i c a lv a l u e f i r s to fa l l ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e ss o m ec o r r e l a t i v eb a c k g r o u n do f t e a c h i n ge v a l u a t i o n ，t h e ni tp r e s e n t st h eb a s i ct h e o r yo ft h ee x p e r t s y s t e ma n dt h ef a m i l i a rd e v e l o p e dt o o l so ne s ( s u c ha sp r o l o ge t c ) 。w i t h t h e c o m p a r e d o ft h o s et o o l sa n dc o m b i n e dt e a c h i n ge v a l u a t i o n s c h a r a c t e r s ，t h i sa r t i c l ed e c i d e st ou s eam e t h o do fm i x e dp r o g r a m m i n g i np r o l o ga n dv ct oc a r r yo u tt h i ss y s t e m t h ei m p l e m e n to ft h es y s t e m i st h ec o r eo ft h i sp a p e r i nt h i sp a r t ，ir e c o m e n dt h ek e ya m a l g a m a t i o n t e c h n o l o g y o fv c + + a n dt h ea m z i ! p r o l o g c o n s i d e r e dt h o s et w o t e c h n o l o g i e s p e c u l i a r i t i e s p u tf o r w a r dt h a ta d o p tv c + + a sap l a t f o r m t om a n a g ed a t a b a s e ，w h e r ew ec a nm a i n t a i nt h ek n o w l e d g eb a s e ，c o n t r o l t h ei n f e r e n c ee n g i n e ，r e a l i z ea r i t h m e t i c c a l c u l a t et h en u m e r i c a lv a l u e a n dp r o g r a mt h ei n t e r f a c e ，w h i l ew ec a ni n f e rw i t ht h ea i do fa m z i ! p r o l o gl a n g u a g e a f t e rt h i s ，t h ep a p e ri n t r o d u c et h ek n o w l e d g ea c q u i r e m e n ta n dt h e k n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o no ft h i ss y s t e m ，a sw e l la sw o r k i n gm e c h a n i s mo f th ei n f e r e n c ee n g i n e f i n a l l y ，t h ep a p e rg i v e st h ep r o s p e c to ft h i ss y s t e mi nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：e x p e r ts y s t e m ：p r o l o g ：t e a c h i n ge v a l u a t i o n ：i n f e r e n c e e n g i f i e ：v i s u a lc + + - 2 第一章概述 第一章概述 1 1 课题研究的背景 随着新世纪的到来，随着高新技术发展和全球经济化的加速，我国的产业 结构和就业结构正在发生重大变化，对人才的需求更加多样化，对人才培养的 质量要求更高。我国教育工作既面临着千载难逢的发展机遇，也面临着前所未 有的严峻挑战。在精英教育向大众化教育转变的过程中，数量与质量的关系问 题始终是一对矛盾，在规模快速扩张的情况下，常常会出现局部教育质量下降 的现象。 必须清醒地认识到，质量是教育的生命线，在加快发展的同时，要把提高 教育质量作为头等大事来抓。中国教育历来有重视质量的传统，要深入研究并 加以发扬光大。同时，要积极探索提高教育质量的新思路、新途径。首先，树 立新的质量观，形成科学的教育质量新标准。坚持全面推进素质教育，把“成 人”与“成才”作为教育质量的根本标准。其次，构建提高教育质量的新机制。 建立更加科学化、透明化的教育质量评估体系，促进教育教学质量的进一步提 高。 高等学校的根本任务是培养人才，教学工作始终是学校的中心工作，人才 培养的质量是高等学校的生命线。从1 9 9 9 年开始的持续扩招，使普通高校在 教学科研设备、师资的数量和质量、基础设施建设等方面的矛盾逐渐显现出来， 特别是毛入学率提高带来的生源质量问题，对高等教育质量构成了潜在的威 胁。在我国高等教育逐渐迈向大众化的今天，如何稳定和提高本科教学质量， 实现高等教育的可持续发展。已成为倍受社会关注和亟待研究的问题。通过评 估，敦促高校提高水平，达到保证本科教学质量的目的，不失为一种行之有效 的方法。 评估是手段，不是目的。评估重在过程，重在建设。评建工作是当前我国 普通高等学校的一项重要工作，为了迎接教育部的本科教学水平评估，各高校 纷纷加大投入力度、大力挖掘本校资源、努力提高教育教学水平，力争达到迎 评促建的目的。这次评估工作涉及面较大、持续时间较长、力度也很大，反映 了我国提升高等学校教育教学质量的迫切心情，以及高校自身对本次评估工作 的认同和支持。这次评估活动有着深厚的历史根源和时代背景。 教学评估专家系统的研究与应用 从国际上看，世界各国以及许多国际组织纷纷加强了对高等学校教育教学 质量的监督和评估，联合国教科文组织( u n e 8 0 ) 、经济发展与合作组织( o e c d ) 、 世界银行( w 0 r l d b a n k ) 等国际组织都制定了系统的教育指标体系和质量认证 体系，并把高等教育的质量评估作为一种固定的政策，以此判断各国的人文指 数和教育水平。在美国，不仅建立了高等教育鉴定委员会( c h e a ) ( 1 9 9 6 年) ， 而且还建立起各种专业鉴定委员会以及数目繁多的高等教育评估机构，以加强 对高等学校教育教学水平的评估和监督；澳大利亚教育部于2 0 0 0 年3 月建立 了大学质量机构( a u o a ) ，主持大学和州、地区鉴定机构的质量评审；日本在 2 0 世纪晚期建立了大学鉴定协会( j 1 j 从) ；英国的大学拨款委员会、高等教育 质量认证机构等都担负着高等教育质量的评估工作，等等。 面对全球竞争和知识经济的挑战，我国党和政府高瞻远瞩地制定了“科教 兴国”的基本国策，大力发展我国的高等教育事业，实施了“8 6 3 计划”、“2 1 1 工程”等。在实施“科教兴国”战略过程中。党和政府及各职能部门特别强调 要建立科学的评估制度，加强对高等学校教育教学质量的评估嘲。从党中央国 务院以及各政府职能部门所颁布的一系列政策法规和文件中可以看出，评估工 作是我国的一项长期、稳定的高等教育政策。 早在8 0 年代中期，党中央在中共中央关于教育体制改革的决定( 1 9 8 5 年5 月2 7 日) 中就明确指出：“教育主管部门要组织教育界、知识界和用人 部门定期对高等学校的办学水平进行评估，对成绩卓著的学校给予荣誉和物质 上的重点支持，办得不好的学校要整顿以至停办”。这份文件是我国最早关于 加强学校教育教学质量评估工作的政策性文件，它为今后高等学校教育教学的 评估工作提供了政策性指导。1 9 9 0 年，原国家教委颁布实施了普通高等学校 教育评估暂行规定，从而启动了我国高校的本科教学工作评估活动。此后， 中共中央和国务院印发的中国教育改革和发展纲要( 1 9 9 3 年2 月1 3 日) 再 一次强调必须加强高等学校教育教学评估工作。纲要指出：“建立各级各 类教育的质量标准和评估指标体系，要采取领导、专家和社会用人部门 相结合的办法，通过各种形式进行质量评估和检查”。这份文件肯定了教育教 学评估工作，为1 9 9 5 年开展的系统评估工作提供了政策保障。1 9 9 4 年，对1 9 7 6 年以后新成立或组建的且以本科教学为主要任务的普通高校进行合格评估。 第一章概述 1 9 9 5 年3 月1 8 日，第八届全国人民代表大会第三次会议通过了众盼已久的中 华人民共和国教育法，教育法第二十四条规定：“国家实行教育督导制度 和学校及其他教育机构教育评估制度”，从而以法律的形式确立了评估工作在 各级各类教育教学中的地位和作用。随后，成立了专门的评估委员会，并制定 了普通高等学校本科教学工作评估方案、普通高等学校教育评估暂行规定 等一系列文件和法规，这些法规确立了我国高等学校本科教育教学水平评估工 作的基本原则、程序、方向、方式、组织机构等，从而使我国高等学校教育教 学水平评估走上了规范化、科学化、制度化的道路。教育部将本科教学工作的 合格评估、优秀评估和随机性水平评估三种形式的评估进行整合，最后确定了 一种评估形式，即本科教学工作水平评估，1 9 9 7 年，教育部开始着手策划对处 于以上两类高校之间的院校进行随机性水平评估。合格评估主要用于本科教育 历史较短的、基础比较薄弱的学校，这种评估方式的特点是：被评学校由政府 指定，准备时间长，按照理工、综合、财经、政法、医科五类定不同的指标， 2 0 0 0 年都统一为一个指标体系，只是在学生生均实验室面积、生均教室面积、 图书资料等方面有所差别。评估结论分为合格与不合格两种，当时共对1 7 8 所 该类院校进行过此种评估。优秀评估主要用于本科教育历史较长、基础较好、 工作水平较高的学校，主要目的是促进学校深化改革和办出特色，被评学校由 教育部根据学校申请确定，由政府组织，有一定准备时间，这种评估方式比较 突出评估指标体系的概括性，其结论分为优秀和不优秀两种，开始时主要是对 进入“2 1 1 工程”重点建设的学校进行教学评估。此前共对1 6 所该类院校进行 此种评估，这些学校是西安交大、华中理工大、北方交大、东南大学、南开大 学、上海医大、上海中医大、天津大学、南京大学、南京农大、北京理工、中 南工大、上海交大、西南交大、上海财经大学等高校。随机性水平评估使用于 上述两类学校之问的学校，计划对7 0 0 8 0 0 所范围内的学校进行此种评估，目 的是促进学校不断改进工作，提高教学质量和办学水平。它的特点是被评学校 由教育部随机指定，当年指定当年评，指标体系统一，评估结论分为优、良、 合格、不合格四种。1 9 9 8 年在北京轻工业学院进行了此种评估方式的摸底，9 9 年对长沙铁道学院进行了试评，目前共评估了2 2 0 所左右该类院校。 总结这几年的评估经验，有专家提出，随机水平评估的“优秀”与优秀评估 教学评估专家系统的研究与应用 的“优秀”如何比较? 评估指标太多，学校无所适从等，从2 0 0 3 年起，决定将 三种评估合若为一种，即“普通高等学校本科教学工作水平评估”，不同类别， 不同层次的学校在基本评估指标体系的观测点上，要求另有增加，如医药、财经、 师范以及国家重点建设大学等院校，又增加了部分观测点，使不同类型的学校在 评估和建设时更有针对性。 根据教育部制定的( 2 0 0 3 2 0 0 7 年教育振兴行动计划，我们决定实施”高等 学校教学质量与教学改革工程( 简称质量工程”) 。在实施”科教兴国”战略过程 中，党和政府及各职能部门特别强调要建立科学的评估制度，加强对高等学校教 育教学质量的评估。从颁布的一系列政策法规和文件中可以看出，评估工作是我 国的一项长期、固定的高等教育政策教育部教高厅 2 0 0 3 39 号文件教育部 办公厅关于对全国5 9 2 所普通高等学校进行本科教学工作水平评估的通知指 出，为贯彻党的十六大精神，实践三个代表”重要思想，落实“巩固、深化、提 高、发展的方针，迸一步加强对高等教育教学工作的宏观管理和指导，努力提 高人才培养质量，提升我国高等教育的综合实力和国际竞争力，教育部决定从 2 0 0 3 年开始，建立五年为一周期的全国高等学校本科教学工作水平评估制度。 2 0 0 5 年教育部要对我校的本科教学工作进行评估，全校师生员工要全力以赴， 争取在评估中获得优秀成绩。 接受教学评估，是学校提高人才培养质量和办学水平的大好机会：巩固深化 评估成果，用好用足这一大好机会，使评估发挥长效作用是持续推动学校建设发 展的更重要的机会。从2 0 0 3 年到2 0 0 6 年底，全国已有2 5 0 余所本科院校接受了 教育部专家组的进校评估。这些学校按照教育部“以评促建、以评促改、以评保 管、评建结合、重在建设”的方针，普遍地对评估工作高度重视、充分动员、精 心组织、着力建设。各个学校准备时间之长，动员范围之广，建设力度之大。收 获提高之明显，在本校的办学史上都是空前的。本科教学工作水平评估，将作为 保证和提高我国高等教育教学质量的一个强有力的举措，载入我国高等教育发展 的史册。 第一章概述 1 2 问题的提出 在当前要求高等学校努力促进先进生产力和先进文化的发展，不断满足人民 群众日益增长的教育需求，把提高教育质量放在更加突出的重要位置，实现我国 高等教育的可持续发展的大好教育环境下，本着提高高等教育质量的出发点，全 国教育界把教学评估工作提到日程。为了更好、更深入、更高效地完成这项工作， 开发教学评估专家系统保证评估工作的规范和顺利成为必要。 加强高校教学工作，除了要在观念上、政策导向上转变“重科研轻教学” 的现象，充分认识教师在教学过程中的主导作用，切实客观她认识教学在高校中 不可替代的地位与作用外，还要探索并逐步健全完善科学的教学质量的评估方 法。把教学业绩和教学成果合理量化，并将评估结果与教师的追求相挂钩，可从 根本上改变高校长期存在的“科研运作自动型，教育工作推着走”的局面，把教 学工作是高校的中心工作这一口号真正落实到教师的行动中去。 教学质量评估的直接目的，是对任课教师及教学组织工作效果做出评价，但 是更重要的目的是总结优秀的教学经验，为教学质量的稳定提高制定科学的规 范。现行的教学质量评估大多采用由学生考评的方法，通常由教务管理部门在期 中或期末将教师教学质量评估卡发给学生，根据评估卡中的评估项目对教师进行 打分，经教务管理部门统计后根据评分结果确定该教师教学质量考核等级。在这 种评价方法下，只能取得单纯的评估结果，却不能对评估数据进行分析，使教学 评估充分发挥对教学的指导作用。 传统的教师教学质量评估体系的缺陷是我国高校现行教学质量多属于定性 的指标，难以掌握和操作，而采用多种技术融合开发教学评估专家系统可以有效 地处理这类问题，这样可以很好地把具体问题量化，并实现到教学评估系统之中。 究竟如何表达、分析、解释、公布和使用教学评估结果，才能调动广大教师和学 生的积极性，关注重和参与教学评估，使评估发挥出更大的作用，正是面临的一 个值得研究的新课题。 专家系统技术在近几年已渐成熟，它在结果实现过程的逻辑推理方面和结果 最终实现的智能化方面是其它技术方面所不可比拟的。现已在实际领域得到广泛 的应用，并且产生了良好效果1 4 】。此外。在专家系统技术的同时，我们可以结合 v i s u a lc + + 6 0 ，把v c + + 作为开发平台，用它作为后台一些数值计算和图形界面 教学评估专家系统的研究与应用 生成操作，这样，我们就可以很方便地使用这个系统，而不用掌握大量深入的理 论知识和进行繁琐的推理。正是基于上述原因，我提出将专家系统和过程开发语 言结合技术引入教学评估领域，进行一次可行的有用的尝试。 1 3 论文的组织结构 本文旨在设计一个有效的教学评估专家系统，采用多技术结合，融合逻辑设 计语言很强的逻辑推理性和过程设计语言作为开发平台，并进行数值运算和图形 界面生成的特点，使该专家系统不再具有单一的特点，能够很好地为教学评估服 务。 以下是本文的组织结构： 第一章是概述。首先介绍了开发教学评估专家系统的背景，然后给出开发该 系统的现实意义，最后是论文的组织结构。 第二章是专家系统概述。首先对专家系统的概念做了个简单的介绍，接着指 出专家系统发展的历史、结构、特点、类型以及一般的设计方案。 第三章是专家系统开发工具。介绍了本系统所使用的两种开发语言p r o l o g 和v i s u a lc + + 的特点以及语法。 第四章是教学评估专家系统设计与实现。首先介绍了系统设计的总体要求以 及p r o l o g 和v i s u a lc + + 的结合方法，接着介绍了该系统的知识库是如何设计的， 其中有该系统运用的知识。然后还设计该系统的推理机机制，并在最后给出实验 结果分析。 第五章是结论与展望。主要总结本文的研究工作，并展望了今后的任务。 第二章专家系统概述 第二章专家系统概述 专家系统是人工智能应用研究最活跃和最广泛的领域之一。它实现了人工 智能从理论研究走向实际应用、从一般推理策略探讨转向运用专门知识的重大突 破。自从1 9 6 5 年费根鲍姆( f e i g e n b a u m ) 等人在总结通用问题求解系统的成功与 失败经验的基础上，结合化学领域的专门知识，研制了世界上第一个专家系统一 化学质谱分析系统d e n d r a l 以来，专家系统的技术和应用在短短3 0 年间获得 了长足的进步和发展，特别是2 0 世纪8 0 年代中期，随着知识工程技术的日濒丰 富和成熟，专家系统技术已经获得了迅速反展，广泛地应用于医疗诊断、图像处 理、石油化工、地质勘探、金融决策、实时监控、分子遗传工程、教学和军事等 多个领域中，促进了人工智能基本理论和基本技术的研究与发展。目前，它已成 为人工智能中一个最活跃、最有成效的研究领域。那么，究竟什么是专家系统呢? 2 1 专家系统的定义 被誉为。专家系统和知识工程之父”的斯坦福大学的e d w a r df e i g e n b a u m 教 授把专家系统定义为。一种智能的计算机程序，它运用知识和推理来解决只有专 家才能解决的复杂问题”。简单地说，专家系统就是能像人类专家一样解决困难、 复杂的实际问题的计算机( 软件) 系统旧。 准确的讲，专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统，它应用 人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进 行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类专家处理的复 杂问题，它能够以人类专家的水平完成特别困难的某一专业领域的任务。专家是 在一个特定的领域中具有专门知识( e x p e r t i s e ) 的人在设计专家系统时，知识工 程师的任务就是使计算机尽可能模拟人类专家解决某些实际问题的决策和工作 过程，即模仿人类专家如何运用他们的知识和经验来解决所面临问题的方法、技 巧和步骤。 专家系统应该具备以下四个要素： ( 1 ) 应用于某一个专门领域； ( 2 ) 拥有专家级知识； ( 3 ) 能模拟专家的思维； ( 4 ) 能达到专家的水平 教学评估专家系统的研究与应用 这里需要指出的是，所谓的专家级知识、专家的思维是因为专家拥有自己独 特的实践经验，具有独特的分析问题和解决问题的方法和策略，并且这些经验、 方法和策略经过长期的实践证明是行之有效的。 图1 1 描述了一个基于知识的专家系统的基本概念。用户提供事实或者其 它信息给专家系统，相应的收到专家建议或者专家知识。 丽n 张 i 知岬 l _ _ _ _ _ _ _ j l 寡知识 i 粕瓤 l 图2 1 专家系统基本概念 f i 9 2 1t h eb a s i cc o n c e p t i o no fe x p e r ts y s t e m 2 2 专家系统的产生与发展 专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 是一门新兴的学科，是人工智能中最重要的也 是最活跃的一个应用领域。它是人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 技术与 具体应用学科相结合的产物，实现了人工智能从理论研究走向实际应用、从一般 推理策略探讨转向运用专门知识的重大突破。作为人工智能领域最为活跃的分支 之一的专家系统，在近2 0 年中的发展非常引人注目。专家系统的产生是a i 从理 论研究转向应用领域的一个转折点，它和自然语言理解、机器人一起并列为a i 研究的三大领域。 专家系统的发展历史可分为孕育、诞生、开创、成长和成熟五个阶段： 孕育i诞生 l 开创 l 成长 i 成熟 图2 2 专家系统的发展 f i 9 2 2t h ed e v e l o p m e n to fe x p e r t s y s t e m 1 第一阶段专家系统的孕育期( 1 9 6 5 年以前) ( 1 )1 9 5 6 年夏，m c c a r t h y 、m i n s k y 、l o c h e s t e r 和s h a n n o n 等在美国 的d a r t m o u t h 会议上第一次正式使用了“人工智能”这一术语，标志着以 研究人类智能的基本机理以及如何使计算机具有智能性为目标的新型学科 第二章专家系统概述 人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，a i ) 的正式诞生。 ( 2 ) 1 9 5 6 年a l s a m u e l 研制了西洋跳棋程序。该程序能积累下棋过程中 所获得的经验，具有自学和自适应能力。这是模拟人类学习过程的一次卓有 成效的探索。 ( 3 ) 1 9 6 0 年j m c c a r t h y 成功地研制了著名的l i s p 表处理语言，它作为 理论工具为专家系统的发展奠定了基础。l i s p 除了数值处理功能之外，它 还可以方便地进行符号处理，使得计算机模拟人类思维的符号处理变为了现 实。 2 第二阶段专家系统的诞生期( 1 9 6 5 年1 9 7 2 年) 这一阶段专家系统以高度专业化、求解专门问题的能力强为特点。但在 体系结构的完整性、可移植性等方面存在缺陷，求解问题的能力弱。 ( 1 )1 9 6 5 年，f e i g e n b a a m 与l e d e r b e r g 和d j e r a s s i 一起开始了 d e n d r a l 系统的研究，该系统可以从化学数据推断分子结构。在研究过程中， 他们体会到领域专门知识对专家系统开发的重要性，如果没有足够的物理化 学领域专门知识，这个系统不可能以有效的、切合实际的人类思维方式进行 智能推理。经过近3 年的研究，在1 9 6 8 年建成著名的d e n d r a l 专家系统。 d e n d r a l 系统是第一个结合启发式程序和大量专门知识的实用智能系统，它 的问世第一次显示了知识的组织对于a i 研究的重要作用。使得a i 的研究 从实验室走向了现实世界，显示出a i 研究的实用价值。因此，d e n d r a l 系 统的问世，标志着专家系统的诞生。 与d e n d r a l 系统一样，对专家系统的产生起到先驱作用的系统还有数学 领域的专家系统m a c s e l i a ，1 9 6 9 年，斯坦福大学m i t 教授在贝尔实验室成功 开发了m a c s y m a ( 数学符号运算专家系统) 。它执行公式化简、符号微分、符 号积分等数学问题求解。m a c s y m a 的出现使基于知识的程序设计思想成为专 家系统开发的关键，它在有些难子运用算法求解的问题上采用了启发式程序 的思想。此外，m o s e s 在符号自动积分器s a i n t 的基础上通过引入大量知识， 设计了一个不定积分求解程序s i n 。s i n 在性能上已达到专业研究生的水平。 ( 2 )1 9 6 9 年，成立了国际人工智能联合会议( i n t e r n a t i o n a lj o i n t c o n f e r e n c eo na r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e i j c a i ) 。 教学评估专家系统的研究与应用 3 第三阶段专家系统的开创期( 1 9 7 2 1 9 7 7 ) 这一阶段专家系统属单学科专业型、应用型系统，其体系结构较完整， 移植性方面也有所改善，而且在系统的人机接口、解释机制、知识获取技术、 不确定推理技术、增强专家系统的知识表示和推理方法的启发性、通用性等 方面都有所改进。 ( 1 )e h s h o r t l i f f e ( 肖特立夫) 和b u c h a n a n 合作在1 9 7 4 年研制成用 于诊断和治疗传染性疾病的医疗专家系统m y c i n ，m y c i n 是一个基于产生式规 则的专家系统。在m y c i n 系统中首次采用的概念、技术和方法，直到现在对 专家系统的开发仍然具有深远的影响。m y c i n 被认为是世界上第一个功能最 全面的专家系统。 ( 2 )c a s n e t 系统是与m y c i n 几乎同时开发的另一个医学领域的专家系 统( sw e i s s 等，1 9 7 8 ) 。c a s n e t 的特点在于其建模并不仅仅针对青光眼， 它提出了一个用于各种疾病诊断和治疗的通用框架( 因果关系网，c a u s a l n e t w o r k ) ，这是试图为进一步建造专家系统而提供一个通用框架工具的最早 尝试。这种建模的思想导致了后期骨架系统e x p e r t 的开发。 ( 3 )r 0 d u d a ( 杜达) 等人1 9 7 6 年研制了一个根据地质数据寻找矿藏的 矿藏勘探专家系统p r o s p e c t o r 系统。 ( 4 ) c a r n e g i e - m e l l o n ( 卡内基梅隆) 大学于1 9 7 3 年开发了h e a r s a y i ，在1 9 7 7 年研制了语音理解系统h e a r s a y i i 系统，该系统是语言理解领 域很出色的知识库系统，他完成了从输入的声音信号转换成字，组成单词， 合成句子。形成数据库查询语句，再到情报库中去查询资料。 ( 5 ) 1 9 7 7 年，f e i g e n b a u m 提出知识工程( k n o w l e d g ee n g i n e e r i n g ) 一 词。 4 第四阶段专家系统的成长期( 1 9 7 8 1 9 9 0 ) 这一阶段专家系统属多学科综合型系统，采用多种人工智能语言，综合 采用各种知识表示方法和多种推理机制及控制策略，并开始运用各种知识工 程语言、骨架系统及专家系统开发工具和环境来研制大型综合专家系统。 ( 1 ) 1 9 7 8 年，卡内基一美隆大学和d e c 公司合作开发r 1 ( 又称x c o n ) ，用 来依据客户需求，架构适当的计算机系统。 第二章专家系统概述 ( 2 ) 1 9 8 0 年，l i s p 机器开始生产问世。 ( 3 ) 1 9 8 2 年，日本政府宣布开发第五代计算机，以p r o l o g 做为核心语言。 ( 4 ) 1 9 8 5 年，n a s a 开发出c l i p s 专家系统工具。 ( 5 ) 1 9 8 9 年，日本宣布人类领域科学计划( 第六代计算机计划) ，希望藉由 类神经网络突破人工智能的许多瓶颈。 5 第五阶段专家系统的成熟期( 1 9 9 0 ) 这一阶段已开始采用大型多专家协作系统、多种知识表示、综合知识库、 自组织解题机制、多学科协同解题与并行推理、专家系统工具与环境、人工 神经网络知识获取及学习机制等最新人工智能技术来实现具有多知识库、多 主体的专家系统。 进入2 0 世纪9 0 年代，进入商业竞争对代，大量专家系统被广泛应用于 各行业。近些年来，在专家系统的半自动知识获取，知识表示及推理等方面 取得了较大的进展。此外，还开展了专家系统开发工具的研究，建立了多种 不同功能、不同类型的开发工具。为缩短专家系统的研制周期，提高系统的 质量起到了重要的作用。 此外，模糊技术、神经网络和面向对象等新技术迅速崛起，为专家系统 注入了新的活力。另一方面，计算机应用越来越普及，而且对智能化的要求 也越来越高。现在的发展趋势是嗍： ( 1 ) 传统专家系统与面向对象、神经网络以及模糊技术相融合，将是专家系 统技术发展的总趋势。 ( 2 ) 专家系统与传统的计算机应用系统相结合，将是专家系统应用形式 和应用领域发展的总趋势。 1 9 9 4 年初，第二届世界专家系统大会在葡萄牙召开。大会的主题是“专 家系统向2 l 世纪全面推进”。会上，专家系统的创始人一一费根鲍姆为首的 专家组作了题为“知识前景一一研究课题及应用”的主题报告。这次大会显 示了专家系统的一些新的发展动向： ( 1 ) 功能集成一大型化，即从单学科、单功能、专门性的小型专家系统， 向多学科、多功能、综合性的大型知识系统发展。 ( 2 ) 技术集成化，即除了传统的知识获取方法、知识表达方法、知识推理 教学评估专家系统的研究与应用 技术之外，在问题描述模型、问题求解方法、程序设计方法、软件实现技术 等方面引进其他先进的技术，如：人工神经网络、面向对象方法、遗传算法、 模糊数学等等，进行模型、方法、技术集成，设计和建造集成化、混合型的 专家系统。 ( 3 ) 智能集成达到拟人化，即将己开发出来的由知识库、推理机和神经 网络所具有的高智能，同当前的多媒体、超媒体等新技术相结合，实现具有 自学习、自组织、自适应、多媒体人机智能接口、声图并茂的专家系统。 ( 4 ) 随着i n t e r n e t 和w 删的飞速发展和广泛应用，网上专家系统特别是 网上咨询型专家系统将会流行和活跃起来。 2 3 专家系统的一般特点 2 3 1 专家系统的特点 人们对专家系统具有什么样的特点，有着各种各样的说法，存在着争议。不 列颠计算机学会的学者提出：专家系统是被认为在计算机内根据专家的经验建立 的基于知识的系统，这个系统提出智能的建议或对处理功能做出智能的决策。一 个附加的特性是，系统在受到要求时有能力给咨询者能直接理解的方式证明系统 的推理过程。一般说来，一个专家系统具有以下几个显著特点m ： 1 符号形式表示的信息 专家系统所作的工作主要是根据已有的知识和推理能力对所求问题做出结 论，而所及的知识和推理规则多数采用接近人类自然语言的各种符号。专家系统 对问题的求解，事实上就是对这个符号的集合作各种操作，而一般的计算机软件 是通过求解方程组或数学公式运算对数字形式的数据( 信息) 作操作，仅相当于 一个计算器的作用。 2 启发式推理 专家系统能运用专家的知识与经验进行推理、判断和决策。世界上的大部分 工作和知识都是非数学性的，只有- - 4 部分人类活动是以数学公式为核心的( 约 占8 ) 。即使是化学和物理学科。大部分也是靠推理进行思考的：对于生物学、 大部分医学和全部法律，情况也是这样。企业管理的思考几乎全靠符号推理，而 不是数值计算。因此，专家系统主要是利用领域专家的知识与经验进行推理，在 推理过程中，它利用专家的思维模式，用一些启发性的知识引导整个过程的进行。 第二章专家系统概述 3 透明性 用户可以通过询问而知道专家为什么要问一些问题、专家解决这些问题的思 维过程是怎么样的。专家系统能够解释本身的推理过程和回答用户提出的问题， 以便让用户了解推理过程，提高对专家系统的信赖度。例如，一个医疗诊断专家 系统诊断某病人患有肺炎，而且必需用某种抗生素治疗，那么，这一专家系统将 会向病人解释为什么他患有肺炎，而且必须用某种抗生素治疗，就像一位医疗专 家对病人详细解释病情一样。 4 灵活性 随着专家系统理论和实践的发展，它的灵活性与日俱增。一般都采用知识库 与推理机分离的构造原则，可以在系统运行时根据不同的要求分别选取合适的知 识构成不同的求解序列，实现对特定问题的求解。使得原有的知识不断更新，专 家系统知识库中的知识可以不断地增长，不断更新，这样就极大地增强了它在生 产中的应用范围，延长了专家系统的使用寿命。 5 知识与控制分离 把系统的知识与其控制分离是专家系统颇有价值的特征。专家系统把其应用 领域的问题求解知识单独组成一个实体，即为知识库。知识库的处理是通过与知 识库分开的控制策略进行的。 6 处理专家知识 专家系统所用知识的重要特征就是它体现了人类专家的专业技术。在专家系 统中力求获取和表示的就是这个专家技术，它包括领域知识和问题求解的技能。 专家技术是少数个人拥有的资源，他们成功地用专家技术解决其他人不能解决的 问题。它也不是唯一的，但它是特别的，值得在专家系统中提取。 7 聚焦专家技术 大多数专家都能够在其狭窄的专业领域内熟练地解决问题，但他们在这个领 域之外却能力有限。类似于人类专家，专家系统在它们知道的方面娴熟，但在其 专家技术领域之外却做得很差劲。专家系统的开发者遇到的共同难题，一个给开 发过程增加负担并造成一些挫折的难题，可能要追寻到问题范围的话题上。最成 功的专家系统项目就是那些直接聚焦的专家系统。四面出击的设计者们经常很少 成功。 教学评估专家系统的研究与应用 8 作非精确的推理 专家系统所用规则多数是由专家提供的经验总结而成，因此带有很大程度上 的不精确性，甚至不能用公式描述出来。此外知识库中的知识和有关问题的征兆 往往也有一定的模糊性或不完全确定。专家系统是利用这些模糊的信息对所求问 题求解并做出结论，再做出相应的决策，一般计算机软件对此几乎是无能为力的。 9 具有丰富的经验和高水平的技术 专家系统中知识可能集中了许多人的知识精华，此外一些专家系统具有自学 习和自我完善的功能，因此知识库中的知识可不断扩充和完善。专家系统可以象 一位高水平的某领域的专家一样，对所求问题迅速做出正确的判断和结论。 l o 易于扩充和完善 在一个专家系统中，专家知识与推理策略是分别存储的，在设计一个专家系 统时，如果推理的控制策略已经确定，则推理机的结构设计就已完全确定，因此 一个专家系统的扩充和完善主要是对知识库来做的。 1 1 具有自我知识的能力 一个领域的专家系统实现的功能应该具备以下几个方面： ( 1 ) 存储问题求解所需的专家知识 ( 2 ) 存储具体领域内的初始数据或条件以及推理过程中所涉及到的各种信息， 如中间结果、目标、子目标、条件和假设等等。 ( 3 ) 根据当前输入的数据，利用已知的知识，按照一定的推理策略，去解决当 前问题，并能控制、协调整个系统。 ( 4 ) 提供知识获取、机器学习、修改、扩充和完善等其他维护手段。这样才能 更有效地提高系统的问题求解能力及准确性。 其中，存放知识和使用知识是核心。 2 3 2 专家系统的优点 1 专家系统相对人类专家来说“： ( 1 ) 专家系统是人类专家智能的模拟、延伸和扩展。 ( 2 ) 专家系统可具有一个或多个专家的知识和经验，具有专门知识的启发性， 能以接近于人类专家的水平在特定领域工作，注重特定问题的求解。 ( 3 ) 专家系统能高效、准确、迅速地工作，不会像人类专家那样容易疲劳、遗 第二章专家系统概述 忘，易受环境、情绪等的影响。 ( 4 ) 专家系统突破了时间和空间的限制，程序可以永久保存，并可复制任意多 的副本或在网上供不同部门的人们使用。 ( 5 ) 专家系统能进行有效的推理，包括各种精确性推理和非精确性推理等。 ( 6 ) 具有透明性，能以可以理解的方式解释推理过程。 ( 7 ) 具有自学习能力，可总结规律，不断扩充和完善系统自身。 2 专家系统不同于一般的计算机软件系统，其优点在于： ( 1