智能科学与技术的知识体系：语义分析的结论

李冠宇　黄映辉

摘要：本文从分析“智能”、“Intelligence”、“科学”、“技术”的语义入手，首先界定了“人类智能”、“人工智能”、“智能科学与技术”概念的内涵，进而构建了“智能科学与技术”的知识体系，继之导出了“智能科学与技术”专业教育的课程体系。本文的讨论取得了若干颇有新意的研究结论：真正与英文的Intelligence对应的是中文的“智”；“智能”是“智的能力”的简称；“智能”应该是“能智”；智能科学与技术的知识体系由两个理论和四种技术构成，据此决定了智能科学与技术专业教育应该设置的六门主干课程。

关键词：智能；智能科学与技术；语义分析；知识体系；课程体系

中图分类号：G642文献标识码：A

1引言

“智能科学与技术”专业教育意指将“智能科学与技术的知识体系”传授给本科生或研究生。构建智能科学与技术的知识体系通常有两种途径：(1)经验归纳法，从社会实践和科学研究已经获得的知识集合中选择出若干，认为这些知识应该归属于“智能科学与技术”，且将其结构化与系统化。(2)概念演绎法。追问“智能科学与技术”的确切含义为何，由此联想其涉及的主要方面，概念推演形成的轨迹即是知识体系。两种方法的结论应是一致的。就实际操作而言，前者的主要环节是“选择知识”和“搭建体系”，而“选择什么”和“搭建成何样”就与研究者的偏好相关，常出现观点相左的情形；后者的主要环节是“明确语义”和“语义延伸”，能被称为概念的东西总是成熟的，即已有大量的先前研究，对此人们的分歧较少，而从概念出发的语义延伸又是遵循演绎逻辑的，由此而得的知识体系就易被公认。

本文的研究采用概念演绎法，具体的讨论依层次递进展开，首先明确“智能科学与技术”的中文语义，其次讨论该语义涉及的关键概念之内涵，进而合成这些关键概念的具体内容，继之概括“智能科学与技术的知识体系”，最后设计“智能科学与技术专业教育的课程体系”。

2“智能科学与技术”的语义

尽管有逻辑上的先后，“科学”与“技术”通常被认为是并列的两种人类文化活动。“智能科学与技术”就应被分为“智能科学”与“智能技术”。

智能是某种行为主体所具有的能力和所表现的行为。这种具有智能的行为主体目前(也许永远)只有两类：生物(其中主要是人类)和机器。若以人类代表生物，智能就有两种表现形态，人类智能(human intelligence)和人工智能(artificial intelligence)，后者是对前者的模仿与延展。

科学是为了获得所考察对象的知识体系，技术则是依据某种原理设计制造各种人工系统。由此，“人类智能科学”、“人工智能科学”、“人工智能技术”是无歧义的，而“人类智能技术”就不成立(确切地说，是间接地通过“人工智能技术”的方式表现出来)。

基于上述分析，“智能科学与技术”的语义由三部分构成，“关于人类智能的科学”、“关于人工智能的科学”和“应用人工智能的技术”。根据惯常的教育与研究分工，前者是心理科学领域的重点所在，后二者则是信息科学领域的前沿方向。目前国内所开办的“智能科学与技术”专业教育大多属于理工科本科，其侧重所在自然是“人工智能”。

支撑着“智能科学与技术”及其三部分构成的关键概念是“智能”、“科学”与“技术”，对其进行深入剖析有助于推演出“智能科学与技术的知识体系”。

3关键概念的剖析

3.1“智”对应于Intelligence

汉语中的“智”是“知”的后起字，而“知”是“出于口者疾如矢也”，意指认识的事物可以脱口而出。“知”添加了“曰”即为“智”，再清楚不过，“智，知而道出也”。智，就是人们日常口语中的“知道”。

英语中的Intelligence源于拉丁语的动词intellegere，意思是to understand。而intellegere是inter(interl与legere(to choose)的合成词，故它所表达的是“在推理基础上的理解”。

可见，汉语的“智”关注知识(识，知也。《说文》)及其共享；英文的Intelligence则强调知识及其可靠来源。有所差异并不妨碍将不同文化系统中的这两个概念对应起来。

3.2“智”的派生词

尽管语义十分贴切，却不可将Intelligence直接汉译为“智”。在现代汉语中，单字形式的名词一般不用于表达抽象概念，因为单音节的高频率使用在言语交流中难以通畅顺口。通常都是采用双字形式的名词。“智”需要再添加一字。处理的办法无非两类，同义重复或附加意义。前者生成的是“智慧”，后者得到的是“智能”和“智力”。

智慧之“慧”，一方面与“智”同义(知或谓之慧。《方言》)，另一方面又与佛教名词“般若”(Praina)相连，在中国的文化传统中，佛是高深至上的，这样，智慧的真理性就毋庸置疑。作为汉语词汇的“智慧”固定下来之后，除了与英文的Intelligence相对应，还与英文的wisdom(wise“聪明的”+dom“性质或状态”)相一致。更重要的是，wisdom就是希腊语的sophy，由此构成了philosophia(英文philosophy)。“智慧”连接着中国的佛教(与中国哲学相通)和西方的哲学。智慧是哲学层面的。

“智能”和“智力”都是“智的能力”的简称。推敲其中的意味饶是有趣。作为物理学概念的“能”和“力”，二者是一种源流关系，因而在汉语的习惯中，“能”更本质，“力”则外显，暗含着有高下之分。这样，智能有“智能人”、“智能机器”、“智能科学”等，智力则是“智力游戏”、“智力玩具”、“智力商数”等。层次的感觉是明显的。智能和智力是科学层面的。

“智”的派生词最常用的有三个：智慧、智能和智力，它们均可英译为Intelligence，但在汉语中分别属于三个层次，即哲学领域、科学领域(较高层次)和科学领域(较低层次)。

3.3关键概念的文化比较

将与“智”相关的中文概念和与Intelligence相关的英文概念进行对比，可看出中西方文化的相通与差异，有助于更深刻明晰地理解“智能”的语义。表1是基于英语概念的文化比较。从中可见，“智能”较高于“智力”在西方文化中表现为对现在分词的偏爱。

表2是基于汉语概念的文化比较。英语的Intelligence可以笼统地表示汉语的“智、智慧、智能、智力”。现限定“构建智能科学与技术的知识体系”是一项科学研究(即不考虑“智慧”)，再用“智能”作为“智能”和“智力”的统称，这样，“智能”就成为将要继续讨论的唯一概念。

3.4智能之“能”

前已阐明，智能就是“智的能力”。这种能力究竟为何，学者们曾有过大量的讨论。其中一种通俗简洁的表述

是，智能包括四种能力：感知和理解的能力、思维与演绎的能力、学习与积累的能力、适应环境的能力。

3.5科学及智能科学

汉语中的“科学”，本义是“划分等级之学”，反映出在古代能将事物合理地区别开来已经是了不起的学问了。英语中的science源于拉丁语动词scire(to know)的现在分词sciens，意思是knowledge。人类想要知道什么?客观事物的规律也。科学是人类的一种有目的的活动，首先认知科学事实，进而上升为科学规律，最后组织成科学理论。将之套用于“智能”，智能科学就是，认知智能事实、归纳智能规律、总结智能理论。

3.6技术及智能技术

汉语中，“技，巧也《说文》”，“术，道也《广雅》”，技术，取巧之道也，即效率方法。英语中的technology源于希腊语technologia，包括techne(craft)和logia(saying)，直译为汉语应是“手艺学”。技术也是人类的一种有目的的活动，首先创造和发展实用的手段、技能和方法，然后应用它们去设计与制造人工系统。将之套用于“智能”，智能技术就是，设计人工智能系统的手段、技能和方法。

4“智能”的内涵

4.1“智能”应为“能智”

智，知而道出也。智能，能智而能道出也。“智能”应为“能智”，这样更形象也更深刻。Intelligence是“在推理基础上的理解”。那么，在“智能”的中西方两种文化的表述中所提及的“知”、“日”、“推理”、“理解”的对象是什么?就是知识。知识是智能的主线，智能是围绕着知识的主体活动，图1示意了这种关系。

“能智”之知，分为“感知”和“深知”两个层面。如图1所示，智能主体对存在于自然界之现象进行感知，继而进行推理使其上升为深知(理解)，随之道出(日)，最后将知识应用于适从自然界与改造自然界。

4.2智能：知识为主线的三个环节

图1是基于语言的分析，通俗易懂，接近于人的常识。为便于学术研究，需将其整理为更简明规范的理论模型。智能就是“能智”，是智能主体所从事的一种活动过程，如图2所示。

由图2可见，智能作为智能主体的自觉性活动，依序展开为三个主要环节：(1)知识获取。智能主体通过两种途径从外部获取知识，直接地从自然界感知和间接地从人类已有的知识积累中共享；(2)知识推理。智能主体选用合适的推理方法，将从外部获取的现有知识提炼上升为新知识；(3)知识应用。智能主体利用新知识解决其(或帮助解决其他主体)面临的实际问题，具体形式有二，制订解决问题的方案和执行解决问题的动作。

在智能的三个主要环节中，知识推理处于中心地位，而且完全是智能主体内部的活动，可以说，知识推理是智能的关键所在。知识是智能的主线(见图1)，推理是智能的关键(见图2)，简洁不乏深刻的表述是：智能=知识+推理。

智能主体目前只有两类：以人类为代表的生物和机器。这样，基于图2所示的模型就可以分别讨论人类智能和人工智能的实质与特征。

4.3人类智能：自然语言知识+人脑推理

当图2中的智能主体为人类时，就可得到人类智能的模型表示(见图3)。在人类智能中，知识总是用自然语言(其中主要是文字)表示的，推理是人脑的功能，所以，人类智能的标志是：自然语言知识+人脑推理。

如图3所示，人类智能的知识获取，有两种基本形式：通过人的感官从自然界中直接感知；通过信息检索(阅读或计算机辅助查找)从人类已有的知识积累(通常以书籍、数据库、网络的形式存在)中间接获取。人类智能的知识推理，是将现有知识上升为新知识的人脑推理。人类智能的知识应用，表现为两种形式的对外输出，基于新知识制订的解决实际问题的方案(既可用于指导推理者自己进行劳动以直接解决实际问题，也可提供给其他人应用)：执行解决问题方案的劳动(因为任何实际问题只有人类亲自动手才能获得解决)。

基于图3所示模型，人类智能的内容主要有五个：感官感知、信息检索、人脑推理、实际问题解决方案、实际问题解决方案的执行。

4.4人工智能：机器语言知识+机器推理

人工智能是对人类智能的模仿和延伸。将图2中的智能主体设为机器，并参照图3的分析过程与结论，就可得人工智能的模型表示(见图4)。在人类智能中，知识用自然语言表示，人们学会知识表示是通过长期的家庭生活的口授、语言环境的熏陶、学校教育的渗透而逐渐在不知不觉中完成的，是一个自然渐进过程。对人工智能而言，知识表示却成为必须专门解决的首要问题。机器语言的发明和应用其表示知识是人工智能的重要内容。这样，人工智能的内容就有四个方面：知识表示、知识获取、知识推理、知识应用(人类智能也应如此，只是知识表示的问题不很突出而已)。人工智能的主要特征是：机器语言知识+机器推理。

如图4所示，人工智能的知识获取，有两种基本形式：通过机器感知从自然界中直接获取数据或信息：通过知识发现(包括信息检索、数据挖掘等)从已有数据库、信息库和知识库中获取。人工智能的知识推理，是将现有知识上升为新知识的机器推理。人工智能的知识应用，是以提供人工智能系统的方式辅助人类解决其实际遇到的复杂问题，该人工智能系统有两种主要形式，即专家系统(包括信息管理系统、专家系统、决策支持系统)和机器人，前者辅助人类决策解决复杂问题的方案，后者则帮助人类执行解决复杂问题的动作。

从图4所示模型可见，人工智能的内容主要有五个：机器感知、知识发现、机器推理、专家系统、机器人。

5智能科学与技术的知识体系

现将以上对各关键概念进行语义分析所得的结论集成起来，以构成智能科学与技术的知识体系。集成的具体过程如下所述。

(1)智能科学与技术的构成。第2节的分析已指出，智能科学与技术包括关于人类智能的科学、关于人工智能的科学、应用人工智能的技术。

(2)关于人类智能的科学。图3示意了人类智能的五个内容，即感官感知、信息检索、人脑推理、实际问题解决方案、实际问题解决方案的执行。“信息检索、人脑推理、实际问题解决方案”毋庸置疑是人脑的功能和活动。“感官感知”尽管依赖于人的感官，但“感知”却完全是心理现象即人脑在起作用。“实际问题解决方案的执行”一定是在人脑支配下的人的肢体的动作序列。概而言之，关于人类智能的科学就是脑科学。

(3)关于人工智能的科学。第3，5节说明，科学的对象是客观事实，科学的成果是理论。图4所示模型声称，人工智能的内容由机器感知、知识发现、机器推理、专家系统、机器人构成。在这五个部分中，涉及客观事实的有机器感知、知识发现、机器推理。“感知”和“发现”都是生命体对自然界的认识活动，前者是后者的前端，或前者

被包含于后者之中。在人工智能中将二者分开，缘于它们的对象不同，前者针对的是自然界，后者则面向人类已有的知识积累。“推理”是生命体存在的基本前提。所以，关于人工智能的科学只有两个分支：机器感知／发现理论(派生于人的认识论)和机器推理理论(基于人脑推理理论的讨论)。

(4)应用人工智能的技术。第3.6节说明，技术就是应用手段、技能和方法设计与制造人工系统。图4模型所示意要设计与制造的人工系统只有专家系统和机器人。所以，应用人工智能的技术主要有两个：专家系统技术和机器人技术。

(5)基于现状的人工智能科学与人工智能技术的内容调整。前面将“机器感知”和“知识发现”归于科学范畴，其根据就是因为它们均是客观存在。然而，现在的“机器感知”还非常简单，对于诸如表情、语气等稍微复杂的客观现象就无能为力：“知识发现”也主要依赖于基于语法的关键词匹配，而对于如何有效地理解语义特别是语用还差得很远。鉴于如此现状，将“机器感知”和“知识发现”归于技术更合适一些。

(6)智能科学与技术的知识体系。集成上述的观点可得图5所示的知识体系。理论是概念、原理的体系(《辞海》)，本身就是知识体系。技术包括手段、技能和方法，也是知识或知识指导下的操作。所以，智能科学与技术的知识体系由两个理论和四种技术构成。

图5的表示是粗线条的。正是因为它没有将与“智能”有关的科学理论和技术方法全部罗列出来，才有了一个简洁的框架，以便在此基础上进一步细分和添加，最终形成一个系统的图景。

6“智能科学与技术”专业教育的课程体系

“智能科学与技术”专业教育的使命就是将图5所示的知识体系教授给本科生或研究生。学校教育总是以课程方式进行的。智能科学与技术的知识体系必须转化为课程体系。基于图5所示模型、兼顾目前大学课程设置的现状、特别是参照国内学者的研究成果和国内率先开办智能科学与技术专业的大学的探索性经验，提出“智能科学与技术专业教育的课程体系”的一种方案，见表3。

如表3所示，“智能科学与技术”专业的课程设置对应于智能科学与技术知识体系的主要内容(见图5)，共六门主干课程：

(1)“脑与认知科学”。包括“脑科学”与“认知科学”。

(2)“机器学习”。推理是学习过程中所采用的主要方法，机器学习包含机器推理，在一般意义上可以认为二者同义。目前讲授机器学习的大学课程主要有：“机器学习”、“模式识别”(是实现机器学习的一种方法)、“计算智能”。后者包括“模糊计算”、“神经计算”、“进化计算”，讲授一些具有前沿性的理论与方法。

(3)“机器感知”。包括“机器视觉”模仿人类的视觉、“计算机语音技术”模仿人类的听觉、“自然语言理解”模仿人类对语言与文字的理解。

(4)“知识发现”。包括“信息检索”和“数据挖掘”，前者在数据库中进行关键字匹配、在万维网上进行关键字匹配、在语义网上进行语义匹配以获取所需要的信息，后者将信息组织到数据仓库中以便寻求信息之间的规律性关联即获得知识。

(5)“专家系统”。该课程所讲授的内容包括管理信息系统、专家系统、决策支持系统、多Agent系统。它们是人工智能为人类提供的实用型信息产品。

(6)“机器人”。利用机器来获得身心的解放与扩展是人类的梦想和永远的追求。拟人机器的设计与制造涉及诸多学科，在大学的专业教育中只能讲授一些基础概念。

可以将整个“智能科学与技术的知识体系”看作是一个对知识进行“输入一加工一输出”的结构。由表3可见，与知识输入有关的是“机器感知技术”和“知识发现技术”；与知识加工有关的是“脑科学理论”和“机器推理理论”；与知识输出有关的是“专家系统技术”和“机器人技术”。在智能科学与技术学科中，分工专门研究知识输入、知识加工、知识输出，就构成了其三个主要的研究方向：知识处理、智能理论与方法、智能系统与应用(如表3所示)。

7结论

(1)智能科学与技术是人类智能科学、人工智能科学和人工智能技术的总称。技术的标志是用于设计与制造人工系统，因而“人类智能技术”并不直接存在。

(2)“智能”是“智的能力”的统称。中文的“智”之本义是“知而道出”，与英文的Intelligence(本义“推理基础上的理解”)尽管侧重不同，仍被认为语义相等。现代汉语不习惯单字形式的概念，“智”便有了三个常用派生名词“智慧”、“智能”和“智力”。前者属于哲学概念：后二者属于科学对象，是“智的能力”的两种不同简称，亦有层次高下之分。在科学领域，“智能”通常涵盖“智能”和“智力”。

(3)智能科学是指，认知智能事实、归纳智能规律、总结智能理论。

(4)智能技术是指，设计与制造人工智能系统的手段、技能和方法。

(5)智能(intelligence)应该是“能智”。即能知、能日、能推理、能理解、能应用。

(6)智能是以知识为主线的三个环节的序贯过程。智能表现为知识在知识获取、知识推理、知识应用三类活动中的定向流动和逐级提升。

(7)智能首先遇到的问题是知识表示。人类智能的知识表示是在文化传承中自然实现的，而人工智能的知识表示则依赖于专门的人为规定。这样，智能的内容就有四个部分：知识表示、知识获取、知识推理、知识应用。

(8)智能最简明最本质的定义是：知识+推理。人类智能的特征是，知识用自然语言表示、推理在人脑中进行；人工智能的特征是，知识用机器语言表示、推理用机器实现。

(9)人类智能的内容主要有五个：感官感知、信息检索、人脑推理、实际问题解决方案、实际问题解决方案的执行。

(10)人工智能是对人类智能的模仿与延伸，其主要内容也相应有五个：机器感知、知识发现、机器推理、专家系统、机器人。

(11)智能科学与技术的知识体系由两个理论和四种技术构成。智能科学与技术的知识体系涉及关于人类智能的科学、关于人工智能的科学、应用人工智能的技术，具体有脑科学理论、机器推理理论、机器感知技术、知识发现技术、专家系统技术、机器人技术。

(12)“智能科学与技术”专业教育的课程设置的依据是智能科学与技术的知识体系。应该设置六门主干课程，即“脑科学与认知科学”、“机器学习”、“机器感知”、“知识发现”、“专家系统”、“机器人”。根据教学内容的多寡和侧重视点的不同，还需要逐级分解(详见表3)。例如，“知识发现”被划分为“信息检索”和“数据挖掘”，与前者关联的是“数据库”、“万维网”和“语义网”，而后者的支撑基础则是“数据仓库”。

(13)智能科学与技术学科可以分为三个研究方向。将智能科学与技术的知识体系的六个内容分为三组，可将其作为智能科学与技术学科的一级研究方向：智能理论与方法、知识处理、智能系统与应用。