1、高中信息技术人工智能技术与“问题解决” 摘要 在高中信息技术课程体系中设立人工智能模块,可以在问题解决方法的多样性和多种思维方式的培养、学生分析与判断能力的培养等方面，对学生的问题解决能力的发展产生积极作用与影响，从而更全面地提升学生的信息素养,激发学生对于信息社会美好未来的追求。 关键词 高中课程;人工智能;信息技术；问题解决 人工智能（AI）是计算机科学的一个分支，它研究如何用计算机模仿人脑所从事的推理、证明、识别、理解、设计、学习、思考、规划以及问题求解等思维活动，来解决需要人类专家才能处理的复杂问题。例如，咨询、诊断、预测、规划等决策性问题。西方一些发达国家（例如美国、英国）已经在高中
2、阶段开设人工智能方面的课程。现在，我国在普通高中信息技术的新课程标准中，也首次将“人工智能初步”列入选修课。考虑到高中阶段学生的认知特点与人工智能学科自身的具体情况，课程标准要求在教学中选择与高中学生学习、生活关系密切的，看得见、摸得着的人工智能实际应用问题展开教学，并将该模块目标的基本点定位在了解和体验上，即通过教学活动，体验人工智能技术的丰富魅力，感受人工智能技术对人类学习、生活的重要作用；获得对于包含人工智能在内的信息技术前沿应用的初步了解；激发对信息技术发展与未来生活的追求。那么，为什么要在高中阶段开设人工智能课程？人工智能课程的开设对于提升学生信息素养这个信息技术课程总目标有何积极作
3、用？在此，我们从“问题解决”的角度对上述问题进行探讨。1.问题及其分类人们在生活、学习和工作中每时每刻都会遇到各种各样的问题。美国著名心理学家和计算机专家西蒙（Sinmon,1978）指出：当一个人接受一项任务，但又不知道如何去完成它时，他面临的就是一个问题。西蒙将问题解决看作人类认知的三类信息加工过程（再认、问题解决、学习）之一。可见，问题解决就是所面对的问题得到解决的认知活动过程。为了寻求用信息技术求解问题的有效策略，人们从不同角度对问题的类型进行划分与研究。当然，人们对问题类型的划分只是相对的，它可以在一定的条件之下发生变化。(1)良构问题和劣构问题根据问题状态的清晰程度，可以将问题区分
4、为定义完善的问题、定义不完善的问题两大类，它们也分别被称为良构（well-structured）问题和劣构（ill- structured）问题。在定义完善的问题中，问题的前提与目标状态都是清晰的，达到目标的潜在的解决路径是已知的或者比较容易获取的。例如，求解一元二次方程X2+3X+2=0的问题就是一个定义完善的问题。反之，在定义不完善的问题中，则可能有一个未加明确说明的既定状态、一个不明确的但希望达到的目标状态，而且也可能没有普遍认同的解决问题的策略。例如，心理咨询问题就是一类定义不完善的问题。(2)结构化问题与非结构化问题根据信息处理过程的结构化程度不同，有专家将问题划分成三种类型：结构化
5、问题、非结构化问题与半结构化问题。结构化（structured）问题，是指能够通过形式化（或称公式化）方法描述和求解的一类问题；非结构化（unstructured）问题则难以用确定的形式来描述，主要根据经验来求解；介于上述两者之间的是半结构化（semi-structured）问题。(2)常规性问题与非常规性问题从问题解决者的知识角度来看，可以将问题分为常规性问题与非常规性问题两大类。常规性问题是一类与问题解决者已经解决了的问题相同或相似的问题，该类问题只需通过再现性思维即可获得解决；非常规性问题是指不同于问题解决者以前已经解决过的问题，该类问题的解决需要问题解决者建立新的解决方案。2问题解决的
6、基本策略就上述各类问题的解决策略而言，一般来说可以分成算法求解策略与启发式求解策略两大类。（1）算法求解策略算法是保证解决某一特定问题的一种方法或程序，是一种规则系统。目前中小学数、理、化各科教学中面临的大多数问题都是定义完善问题（或结构化问题、常规性问题），它们大都可以通过简单的分析，根据现成的算法编程来解决。高中信息技术课程中的“算法与程序设计”模块，就是为了培养学生运用算法分析和高级语言设计程序来解决问题的能力。例如，算法与程序设计课程标准中的条目（一）（1）就要求：结合实例，经历分析问题、确定算法、编程求解等用计算机解决问题的基本过程，认识算法和程序设计在其中的地位和作用。（2）启发式
7、求解策略启发式是一种通用的、适应面较广的问题解决策略，较多地被应用于复杂的定义不完善问题（或非结构化问题、非常规性问题）的求解。在有关问题解决的信息加工理论中，问题空间、搜索等都是十分基本的概念。在这里，问题空间是问题解决者在任务环境中通过对目标状态路径的搜索而形成的，大多数问题都可能有一条以上的达到问题解决目标的路径。因此，问题的解决过程实质上就是对问题空间（即搜索空间）的搜索过程，而对于复杂的非结构化问题来说，则需要采用非传统的、直觉的、推测性的启发性策略进行求解。高中信息技术课程中的“人工智能初步”模块，主要培养学生运用启发式策略、人工智能语言或工具软件来解决问题(这里主要是指非结构化或
8、半结构化问题)的初步能力。例如，人工智能初步课程标准中的条目（三）（4）就要求：通过对简单博弈问题的分析，了解用盲目搜索技术进行状态空间搜索的基本过程，知道启发式搜索的基本思想及其优点。需要指出的是，问题解决的具体策略多种多样，求解策略的选择也是相对的。对于不同类型的问题，可以用不同的策略和相应的信息技术工具来求解；反之，同一个问题也可以采用不同策略来获得解决。3人工智能在“问题解决”中的作用我们知道，人工智能研究处于信息技术的前沿，它的研究、应用和发展在一定程度上决定着计算机技术的发展方向。今天，人工智能的不少研究领域如自然语言理解、模式识别、机器学习、数据挖掘、智能检索、机器人技术、人工神
9、经网络等都走在了信息技术的前沿，有许多研究成果已经进入人们的生活、学习和工作中，并对人类的发展产生了重要影响。与一般的信息处理技术相比，人工智能技术在求解策略和处理手段上都有其独特的风格。所以，作为信息技术一个不可缺少的重要组成部分，人工智能的基本内容在中学信息技术课程中是不能不专门提及的。而且，以往的一些信息技术教材中仅用一两页篇幅简单介绍人工智能知识的方法也根本不足以满足教学的需要。因此，在高中阶段的信息技术课程中设立专门的人工智能选修课是很有必要的。高中信息技术课程标准中指出，普通高中信息技术课程的总目标是提升学生的信息素养。学生的信息素养通常可以从几个主要方面得到体现，它们包括：对信息
10、的获取、加工、管理、表达与交流的能力；对信息及信息活动的过程、方法、结果进行评价的能力；发表观点、交流思想、开展合作并解决学习和生活中实际问题的能力；遵守相关的伦理道德与法律法规，形成与信息社会相适应的价值观和责任感。可见，“解决学习和生活中实际问题的能力”即问题解决能力的培养或发展，也是包括人工智能在内的高中信息技术教育的目标之一。我们认为，在基础教育的高中阶段开设“人工智能初步”课程，可以在以下几个方面对高中学生的问题解决能力培养或发展产生积极的作用与影响。（1）对问题解决方法多样性和多种思维方式的培养从求解问题的计算机程序的组成来看，有专家认为：求解结构化问题的传统程序算法数据结构，而求
11、解非结构化、半结构化问题的人工智能程序知识推理。把人工智能课程引入我国现行的高中信息技术教育，可以让学生在了解人工智能语言的基本特征，理解智能化问题求解的最为基本的策略的过程中，体验、认识人工智能知识与技术的过程中获得对非结构化、半结构化问题解决过程的了解，从而使学生了解计算机解决问题的方法的多样性，培养学生的多种思维方式，达到提高信息素养的目的。（2）对学生分析与判断能力的培养在人工智能应用中，专家系统是模拟人类专家解决问题的思路和经验，来解决现实社会特定领域中复杂问题的一类软件系统。一个实际的专家系统不仅能够为用户给出相关领域的专家水平建议或决策，而且能够通过解释机制，以用户容易理解的方式
12、解释专家系统的具体推理过程。学生可以向专家系统提出诸如“为什么(Why)要问该问题？”“该结论是如何(How)得到的？”等问题，系统接受用户的问题指令后，可以根据推理的逻辑进程，即时将答案呈现给用户。整个过程如同教师与学生在进行面对面的教学，在该过程中，学生可以充分体验人类专家的求解思路和推理风格，有助于提高学生的分析、思维与判断能力。由于专家系统中的知识组织与推理过程是对人类专家思维方式的一种模拟与再现，因此学生在建造知识库过程中，需要将原来零碎的未成型的知识概念化、形式化和条理化，从而内化为学生自己的东西。正如美国著名的学习论专家Jonassen所指出的：那些自行设计专家系统的学生将会在该种活动中受益匪浅，因为这是一个对所学知识进行深度加工的过程。（3）激发学生对于信息社会美好未来的追求人工智能技术在一定程度上代表着信息技术的前沿，通过人工智能概念、方法、技术的学习与体验，高中学生能够对信息技术发展的前沿知识有一定程度的了解，这样有助于学生开阔视野，培养兴趣，激发对于信息技术美好未来的追求，从而为今后进入大学或走向社会奠定良好的基础。
