从专家系统程序设计课程探析英国应用型教学模式

张栗粽

(电子科技大学　计算机科学与工程学院，成都　610054)



从专家系统程序设计课程探析英国应用型教学模式

张栗粽

(电子科技大学计算机科学与工程学院，成都610054)

该文在分析中英两国实验教学模式差异的基础上，结合中国教育的特点，针对高校本科生实验教学，探索以培养应用型人才为目的的实验课程教学方式。选取了英国大学的课程专家系统程序设计为案例，从实验内容、课时分布与评价体系等方面与国内课程进行了对比，发现在实验任务设置、理论实践应用以及培养学生综合能力方面与国内相关课程的实验内容有较大差异。结合我国工科专业实验教学的特点，提出了关于实验教学课程建设的一些建议。

实验教学；思考；应用型教学；计算机科学；专家系统

专家系统程序设计是一门人工智能分支课程。专家系统是当前人工智能应用中最为成功的一个领域，近年来被广泛应用于非结构化问题的求解。该系统将专业领域的人类专家的知识储存在计算机程序中，使计算机能够在一定范围内以接近或相当于专家的水平去解决特定问题[1]。

专家系统程序设计实验课程一直是英国高校人工智能专业学生的必修内容之一。本文作者在英国两所高校任教期间，深入接触了此实验课程的内容设计开发与教学，同时也体会到两国应用型人才培养的差异。英国的实验课程注重实践，注重培养学生的独立性，对于理论的强调反而不太明显，大多由任课老师以指路的方式提供相关理论资料，由学生在课后进行学习，遵循先实践，后理解的步骤；培养的学生动手能力较国内学生强，并且在理论理解方面也颇有心得。而国内学生往往对于理论只能照本宣科，缺少自己的见解。

另外，近年来我国高校的传统教学模式正面临挑战，国家的指导政策已经从重理论轻实践的教育方式向重创新重实践的方向转变[2-4]。在此背景下，分析英国大学对于专家系统的实验内容与课程的建设，有助于探讨我国高校在课程建设中实验教学的改革，并且对培养学生的创新及应用能力有着积极的作用[5-7]。结合本文作者在英国任教的经历，对比我国高校目前相关课程的教学方法与内容，以专家系统实验课程为例，在探讨两国实验教学模式的差异基础上，结合中国教育的特点，积极探索高校以培养应用型人才为目的的实验课程教学模式。

1　英国高校的实验教学模式

英国课程总体结构与国内高校有较大的差异[8]，国内高校的传统授课教学在大部分课程中仅仅只占总课时数的1/2甚至1/3。在实验教学方面，其实验课程是授课教学的两倍左右[9]，保证学生有足够的时间对所学内容进行实践。

英国大学开设的实验课程往往是综合性实验项目，也就是指实验内容涉及本课程的知识或与本课程相关的课程知识，如以专家系统实验课为例，其涉及的课程包括：C语言程序设计、面向对象语言程序设计、人工智能、逻辑学、CLIPS语言等。而国内类似的实验课程，往往只着眼于CLIPS语言这一方面的内容。

在课程教学中，主讲教师一般只针对难点和要点做重点讲解，对知识点的补充则放在实验课程中。在实验课程中，也以学生自学为主，按照讲义内容直接开始实验，如果遇到问题再由教师讲解。对于涉及的相关理论，大多由任课老师提供相关理论资料，如论文或相关书籍信息，由学生在课后进行学习，再在实践中深入理解相关理论。

另外，英国一个学年一般包含3个学期，实际教学时间6～7个月，总授课时间较我国少。而实验课程贯穿整个学年，以模组的形式开设。其目的是使学生有足够的时间练习并实践相关课程的知识点，对涉及的相关理论提出自己的见解。实验以阶段划分目标，每一阶段的实验课程都有不同的侧重点，但相互之间又有紧密的联系。以专家系统课程来说，最后的考核方式往往分为两个部分，一部分是由各个实验组成的“系统”的开发，另一部分则是对理论理解的考查，在课程结束时一般以书面论文的形式进行。

2　课程案例

专家系统是属于人工智能的一门分支课程，是当前人工智能应用中最为成功的一个领域。国内外的大部分类似课程都选择以CLIPS语言为教学的重要内容，通过讲解CLIPS语言的语法、结构以及设计思路等，使学生能够建立一个人工智能系统。

CLIPS，是目前享有盛名的专家系统开发语言。它是美国航天局(NASA)的约翰逊太空中心人工智能部在1970—1980年用于航天的专家系统。在1986年，NASA将其推理机制单独剥离并公开了源码，成了一个通用的专家系统工具。它是一个非商业化软件，是典型的高效正向推理的产生式专家系统。因源代码是以基础的C语言写成，其一致性和通用性非常高，只要平台支持C语言，就可以运行CLIPS系统。其支持的平台不仅包括常见的Windows和Linux系统，也可支持常见的嵌入式系统平台。到目前为止，仍旧广泛地应用于各种领域。

2.1课程概况

在英国实验课程专家系统程序设计中，课程被分解为3个主要部分。

1)关于知识、推理、专家系统的基础知识以及如何将知识转换为规则等。这一部分也会介绍一些其他的推理编程语言，但内容基本不涉及具体的编程语法。其中，对CLIPS的理论原理会做简单阐述，任课教师会提供关于其匹配算法Rete的相关论文供学生进一步了解CLIPS。

2)专家系统语言的句法、指令、程序结构的学习以及具体专家系统CLIPS程序的编写。任课教师在这个阶段会给出多个课题(实验题目)供学生选择。CLIPS的语法与其他的高级编程语言有较大区别，它既不是过程性的语言也不是面向对象的语言，因此这部分的教学一般会占用接近一半的课时数。

3)CLIPS专家系统与传统计算机应用平台的结合，这也是国内高校很少提及的内容。根据上面第2部分学生选择的课题及其应用环境，学生需要根据讲义等资料，结合任课教师的讲解，理解部分CLIPS底层代码，学习如何将CLIPS整合进学生用其他高级语言编写的应用软件中去。如选择Windows平台.net环境的学生需要将CLISP的源代码封装成托管类代码。在这一过程中既加深了对面向对象编程、C++以及数据结构、计算机原理相关内容的理解，又加深了对CLIPS语言的了解，同时也对专家系统的开发过程进行了实践。

2.2国内类似课程的组成

相对英国专家系统程序设计课程， 国内高校的类似课程则太过着重于CLIPS程序语言本身的语法，而不太关注其具体应用部分。大部分高校课程的教学目标仅仅是让学生能编写Clips程序，而对其与其他平台的应用很少或基本不做提及。就本文作者所知，国内高校类似课程一般只包括两个部分。

1)内容和英国高校类似，也是知识、推理以及人工智能的介绍，但较为简短，所占课时数不多。

2)学习CLIPS的语法和具体程序的编写。而课程的评价一般以卷面测试为主，这样容易造成学生对理论部分的内容死记硬背，对CLIPS语法编写也仅仅是“局部、细节”的掌握，而对系统的整体开发步骤缺乏理解和实践。当然，这些不完善的地方也与当前国内的学制有关，一门课程很难横跨两个学期。

2.3评价体系

2.4启发与思考

相较于国内高校，英国的实验教学更注重培养学生独立分析问题、解决问题的能力，而最后的评估体系以小组为单位，鼓励和培养学生团队协作能力。除此之外，以专家系统程序设计相似课程为例，CLIPS专家系统语言最大的魅力在于其能自由移植到不同的平台，这也是其经久不衰的原因。但这一点在国内高校类似的课程内容中很难体现，学生在学习时也就将之当成了一种在特定运行环境下执行的语句而已。

另外，英国的计算机类学科的实验教学目标以学生能开发相关应用软件或程序为目标，更加注重学以致用的实践环节，或者说是以培养应用型人才为目标，但也没有忽略对理论知识的传授。以专家系统编程为例，要想将CLIPS专家系统整合并运用到其他的高级编程语言中，对其编译环境的理解是必须的，需要明白事实与规则是如何传入专家系统环境，而新产生的事实和结论是如何从专家系统里面取出的；而CLIPS又是以C语言写成的，也同时考查了学生对其他相关编程语言课程知识点的掌握。这就保证了对学生实践能力培养的同时，也注重学生对相关理论知识的掌握。

在浅析英国高校实验课程的基础上，针对我国的计算机及大部分工科专业的实验教学，本文提出以下3点建议。

1)课程实验应当有一个明确的任务目标。英国高校工科专业在教学中十分注重通过实验教学的方式，在教师的引导和帮助下，寻找解决问题的方法。在某种程度上，这已经相当于部分国内高校的综合设计或毕业设计的水平。其实验教学往往以明确的实验目的(如开发一个软件或系统)为切入点，回顾并串联所学知识点，在实践的过程中，理解课程中的难点与重点。因而，建议整个实验课程设计有一个明确的实验目标，学生以一个工程师的眼光来看待实验课程，带着问题在实践中理解相关的知识点。

2)着眼于实际应用，某些课程甚至可以让学生先实践后理解。目前国内的实验课的定位是对一些难点知识的验证与学习，而英国高校的实验课定位是巩固和完善教学内容并提供学生动手实践的机会。从本质上看，这两方面并不冲突。以本文案例来看，学生可以在实践中发现难点，求助于课件、讲义或者是寻求任课教师的讲解，从而获得对难点知识的验证与学习。因此，建议以实际的应用作为实验案例来串联知识点，比相对独立的实验课程更加适合培养应用型人才和提高学生的实践能力。

3)注重培养学生的写作能力。写作是内在思绪的组织与表达，是意识的重新建构，也是内容+逻辑+表达综合能力运用。而逻辑结构和语言表达能力需要长期不断地训练。英国高校大多数课程都要求以论文形式写作一篇与课程内容相关的报告，而论文的完整性、清晰性和可读性也是重要的评判标准。大部分课程最后的考查方式往往分为两个部分：①由各个实验为组成部分的“项目”的开发；②书面论文的形式考查对课程知识点的理解。如此设计课程评价体系的原因很简单，学生毕业踏入社会后必然会参加很多工程项目、参与撰写项目报告书，因而以论文形式考查知识点的学习也同时对学生的写作能力进行了培养，增加其就业的竞争力。

3　结束语

本文介绍了英国高校工科类课程，特别是计算机学科教学的体系结构，总结了其注重实验教学和培养学生实践能力的一些特点。实验课程往往有一个明确的任务目标，并且将之解析为一系列的阶段目标，每一阶段的实验课程都有不同的侧重点，但其相互之间又有相当紧密的联系。课程的设计着眼于实际应用，某些课程甚至允许学生先实践后理解。在课程评价体系方面，不仅注重课程内容本身的训练也注重培养学生的写作能力。本文在分析其课程模式的基础上，探索了高校实验教学的方法并提出一些建议，希望能对国内高校的应用型人才培养提供一种新的思路。

[1]GIARRATANOJ.专家系统原理与编程[M].北京：北京机械工业出版社，2000.

[2]王志华，李志科.工程人才培养模式改革[J].实验科学与技术，2013，11(4)：137-139.

[3]冯小安.实践教学评价指标体系的构建与实施[J].中国电力教育，2010(13)：125-126.

[4]呼文亮.法国工程师教育与企业的关系[J].北京航空航天大学学报(社会科学版)，2011，24(2)：98-100.

[5] 黄继英.国外大学的实践教学与其启示[J].清华大学教育研究，2006，27(4)：95-98.

[6]吴佳，张翔，肖堃.以提高大学生实践能力为目的的实验教学探讨[J].实验科学与技术，2013，11(6)：148-150.

[7]王群，郑晓齐.法国通用工程师培养模式在中国本土化的研究[J].高等工程教育研究，2012(1)：28-33.

[8] 孙盾，姚缨英，范承志.实验教学环节与创新能力培养[J].实验技术与管理，2012，29(5)：28-30.

[9]StaffordshiveUniversity.ModuleDescriptions[EB/OL].[2015-05-17].http：//www.staffs.ac.uk/current/student/modules.

[10]StaffordshiveUniversity.FurtherArtificialIntelligence[EB/OL].[2015-05-17].http：//www.staffs.ac.uk/current/student/modules/showmodule.php?code=COSE60433.

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

张栗粽(1981-)，男，博士，讲师，主要从事专家系统、人工智能、物联网等方面的研究。

G642

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.042