教学专家系统中教学策略的实现专家系统论文

专家系统论文教学专家系统中教学策略的实现【摘要】在运用教学目标分类，教材分析流程图获取知识、基于教学设计思想设计教学专家系统的基础上，提出了一种从全局角度、学科角度、知能结构角度三方面实现教学策略的新方法，并在所研制的中学物理教学专家系统中实现了这些教学策略和半自动的产生了这些教学策略、全局教学策略和知能结构教学策略对各门学科均可适用，PHTES系统的骨架结构、可扩展到其他学科成为新的教学专家系统，从而使PHTES系统中所实现的教学策略更具有普遍意义。1F课题的提出智能教学系统（ICAI）面临的主要课题是教学策略的研究和学生学习过程特点的研究。ICAI系统中仅仅有知识、技术的丰富表示，有这种或那种教学策略，是难以发挥系统功效的。为此，迫切需要一个行之有效的理论，用于确定在各种情况下应进行哪种教育活动。再者将事先安排好的策略变为“生成式”的教学策略方面也有待我们进一步完善。由此产生了论文的研究目标：（1）综合运用教学理论，从整体上实现教学策略，亦即将教学策略集成一个整体。（2）根据学生模型、教师模块、人机对话获得的信息，自动生成最佳教学策略。（3）通过教师模块提供教学策略，加强教师对学生的指导作用，为此结合高中物理课（牛顿运动定律）教学过程，研制一个教学专家系统PHTES，实现上述教学策略。2F教学策略教学策略（tutoringstratagies〉它确定了系统如何将教学材料供给学生也就是要选择这到教学目标所需要的资源、程序和方法[1]。它可以理解为从教学目标出发，根据学生需要，决定教学的顺序，在全局范围内，这些教学策略影响教学的顺序，利用包括在学料内的课程信息，教学模块使它的教学适应每个学生的需要。在局部范围内，决定何时希望进行干预，决定在任何给定时间，应显示什么信息，包括操作过程中的引导，现象和过程的解释及采取补救措施。PHTES系统中的教学策略是由教学决策库产生的。决策库中存放着各种教学策略和教学方法，它通过人机交互、教师模块、学生模型获得信息，依据学生的特点和需要，提供相应的教学策略，启动推理机工作。其任务是在最适当的时候显示最好的指导，进行启发式的高水平教学，利用相同的教学策略可以教授不同的教学内容。决策库根据教学策略完成整个教学过程的控制工作，沟通学习者与课程知识库的联系，重视学生学习的对话过程，并负责学生模型的更新与维护工作。PHTES系统教学策略的实现，第一是基于以教学课论为指导的知识获取开始的，具体做法是：首先对教学内容和学生的学习水平进行教学目标分类（例：牛顿运动定律可分为知识、领会、应用三个层次），其次按教学设计思想提出教学目标、选取教学策略和进行学习评价;然后运用教材分析流程图设计教学方案，从整体一部分一整体；最后分析学生学习过程的心理特点。第二，在上述基础上从全局角度、学科角度和智能结构角度实现教学策略。３F关于全局的教学策略为全面地掌握概念和达到预期目标，基于教学理论，从全局的角度分别选取斯金纳的“程序式”策略、布鲁姆的“掌握式”策略。(1)斯金纳的“程序式”策略。选取斯金纳的＂程序式“教学策略的目的是，使学生扎实地掌握物理方面的某种概念、原则与法则，或是熟练地形成某一特定的技能，其教学过程为：刺激（提问）一反应（回答）一强化（确认）一概括一迁移。例如在学习运动状态改变这一节时机器提问：一、什么是运动状态的改变。学生回答：速度大小的改变，运动方向的改变。机器提问：答案正确吗？学生确认：是。当学生作了正确反应，他就转去学习下一内容。二、改变运动状态的原因。反之，作了错误反应，他就转去复习上一概念，机器为他提供更详细的学习材料。（2）布鲁姆的＂掌握式”策略。旨在使绝大多数的学习者在足够的学习时何与适当的指导下，达到预期教育目标，其教学环节为：按最初的教学计划实施教学--进行单元形成性测验--已掌握从事其相关活动/未掌握接受矫正--再次测验予以认可--进入下一学习单元的循环。＂掌握式＂教学活动的开展，是在教学设计和教育目标分类的基础上进行的，PHTES系统中采用的绝大多数教学策略都属于这种或者是这种形式的简化。对初学者是按上述步骤进行的，对已学过的学生则直接进入复习和练习环节。下面分析一个实例：通过菜单层次选择，选出学习“惯性”这个概念。（1）设定它的成就目标分为三个层次（知识、领会、应用）；（2）通过调用谓词grap(“学习5“）屏幕上显示成就目标为＂知识”层次，显示按一定知识结构和专家经验组织好的惯性部分学习材料；（3）通过调用谓词showql选出“惯性”题目的习题，并显示其成就目标为"知识”;（4）练习结束后，进行形成性测验，若通过则提供第二次学习机会，反之则提供更为详尽的补救材料，由此对学生作出形成性评价。教学策略的进一步实现，用规则表示为：IFA概念学过AND第二级题会做THEN进入第三级；IFA概念学过AND第二级题不会做THEN提供补救材料，并进入第一级题。在建造各类学科的智能教学系统中只要进行教育目标分类，都可遵循此法实现教学策略。由于任何教育目标和教学内容，都是按照由低到高的顺序联系着的，都分为知识、领会、应用等各个层次，因此，采用上述方法，可向学生提供最佳教学策略。使学生牢固掌握概念，获得技能技巧，从而解决了教学策略难以实现的问题。由此看来，实施这一策略不仅有利于教学活动向着目标方向进行，对教学实现有效控制，还有利于衡量具体目标的达到程度和评价的进行。学生完成了一定数量的某一层次的题目后，则表明学生巳达到该层次水平！反之表明学生在该层次存在困难，可提供低一层次的内容重学，在允许学生朝错误方向走多远的策略是这样安排的，为他提供一组一定数目的题（一般是四个），即使学生发生错误，向他提供补救材料后，允许他完成这组题目，出错时也允许他再次选该题重做，或选取其他答案，直到他自已确认结束后，才进入下一次的学习。４F关于学科特点的教学策略根据不同的内容、目的、学科特点提供不同的教学策略，根据学生的特点选取相应的教学策略。本系统中物理学科的特点是：实践（包括实验）—理论—实践—分析一综合一分析（定性的推理），归纳—演绎—归纳（定量的演算）三类螺旋上升的“循环＂交替过程。为此，PHTES系统按下述两种方法提供教学策略。4.1用观察与实验方法取得感性材料先让学生观察斜面实验，小球从斜面上自由滚下。在此观察的基础上，再提供伽理略理想斜面实验，通过归纳，得出如下结论，如果物体不受阻力作用，就会保持原有的运动状态一直运动下去。由此将实验与思维结合起来，培养学生的科学思维方法。4.2用理论思锥方法获得概念与规律性的认识在上述实验及所得结论的基础上，用下述方法形成概念掌握规律。见图1能力结构图:能力结构方框图表明，通过科学方法的指导与训练可以达到培养学生的观察实验、获取知识、思维能力、想象力和创造力。PHTES系统中由于选取的内容具有一定的针对性，因此，上述策略大多以面定方式存放在系统中,选取某一内容，则相当于采用与之相应的策略来提供教学内容。５F关于知识结构的教学策略前面已谈到知识获取时，是按照教学设计思想进行的，先进行教学目标分类，再根据教材分析流程图得出教案（其中包括专家知识和经验），在得出教案之先，将学生对章、节知识的掌握情况及容易存在的疑难问题用知能结构图来表示，知能结构初态表示学习某章之前对知识的掌握程度，见图2，知能结构末态表示学习结束后应解决原有疑难，对问题达到新的认识和理解，见附图，而在从初态到末态转化过程中，则体现了运用教学策略，突出解决学生存在的疑难问题，双箭头处，为教学重点。这正是根据不同的学习内容和学生的特点选取相应的教学策略的一个例证，这样得出的教学方案既能体现专家的教学经验，又能从整体上体现学生的特点和普遍特征，从而有利于将此方法纳入科学化的轨道。具体地讲，在图2中表现的从初态到末态的转化，主要是从初态图中标出“？”的地方开始，如力和运动的关系是什么？运动是怎样发生的？平衡力作用下物体是否仍具有惯性等？这是学生存在疑难问题的地方，PHTES系统就是从这些问题出发，提供教学策略，解决疑难。这些策略是按知能结构末态图见附图所表示的内容来提供的。首先是科学推理的第一次训练，从理想实验基础上得出摩擦力趋于零的推论;对经验归纳方法力产生速度和运动（速度）的错误观点的否定;其次,通过演示伽利略理想斜面实验导出力、运动、静止、惯性之间的内在联系，最后得出教学表达式即牛顿第二定律。图的上、中、下方一起，形象地反映了实践——理论——实践的关系。图的中部与上、下、左、右的结合与分解，反映了教学过程中的分析——综合,图的右方反映了物理与数学的密切联系。由于知能结构能较全面地反映学生的普通特征及存在的疑难问题，从而在选择并实现教学策略时就更具有针对性。任何一门学科，都可采用这种方法从章、节开始，给出其知能结构图，然后实现教学策略。６F结语PHTES系统将教学策略集为一个整体。从全局、学科特点和知能结构三方面实现了教学策略，这些策略是专家经验的总结和提炼，关于全局和知能结构的教学策略对各门学科均可适用，这也是PHTES系统成为骨架系统的又一特点。另外还可以从“教授行为”的角度来考察教学策略；也可以从“学习行为”的角度来考察教学策略。本文所述教学策略可以扩展到其它学科领域，如文、理、工科均可。系统提供的教师模块及接口，在系统运行后为它的进一步完善提供了可能；同时也加强了教师对学生的指导性，利于实现教学最优化。运用上述三方面教学策略，采用TURBOPROLOG2语言编程，在IBMPC机上实现，生成可执行文件，直接在汉字操作系统下运行，显示中文信息，这是我们研制教学专家系统的一次尝试，其设计思想对今后的工作有一定的指导意义。参考文献[1]巴尔A，费根鲍姆ＥＡ．人工智能手册（第二卷），科学出版社。

[2]李运林，李克东编著．电化教育导论．髙等教育出版社。

[3]王钢，布鲁姆．掌握式学习模式．上海教育，1987(4)。

[4]汤肇基等编．中学物理教学的理论探索与改革实践．高教出版社。

[5]秦健．教学专家系统PHTES．电化教育研究，1994，(4）。

[6]何华灿主编．人工智能导论．西北工业大学出版社。

[7]尤、克、巴班斯基．教学教育过程最优化．教育科学出版社。

回转窑专家优化系统应用研究摘

要：通过整合升级现有DCS系统，对相关关键参数发展趋势进行预测，形成窑专家系统智能前馈控制，实现窑智能调控与自动驾驶，达到稳定生产、优化指标、提产节能、降低操作员劳动强度的目的。取得熟料产量增加2.67t/h，煤耗下降1.35kg/t的效果。关键词：智能调控；自动驾驶；质量预测及提升；节能降耗1

存在的问题及原因分析现阶段，回转窑系统主要为人工操作调整（四班三倒全天24h运转），少数变量采用PID控制。在操作调整过程中，因参数众多，劳动强度偏大等原因，易出现操作员思想不统一导致的操作偏差、生产过程参数调整滞后的窑况波动甚至工艺事故。经统计，仅在2019年，我公司2#线因操作调整滞后发生故障及隐患未及时处理，导致停窑时间超过50h。窑专家优化系统通过对一些关键参数的预测，其采用模糊控制、MPC控制、专家系统等先进控制技术，将先进控制理论与人工智能技术相结合，以计算机技术与水泥工厂自动控制系统为基础，结合水泥工艺设计、生产调试、自动控制等方面的经验，实现水泥生产全过程的专家智能控制。回转窑专家优化系统不仅可避免因操作调整不到位不及时引发的窑况波动甚至停窑事故，并使窑系统在稳定生产的情况下不间断地持续运行，达到稳定生产、优化指标、提产节能、降低操作员劳动强度的目的。2优化改造内容公司现在窑头及窑尾烟囱、C1出口均配有高温气体分析仪，为进一步应用专家系统，实现高度自动化，拟增加相机温度解析系统及中子活化分析仪。（1）高温气体分析仪高温气体分析仪通过电化学工作原理与红外工作原理结合，对气体温度、压差、流速以及SO2、NOX、O2、粉尘等浓度进行测量。一方面满足行业及地区环保排放要求，另一方面真实反映窑内工艺状况，如系统通风漏风等，及时发现解决，保证生产运行优质高产低耗。（2）中子活化分析仪中子活化分析是以一定能量和流强的中子轰击试样中元素的同位素发生核反应，通过测定产生的瞬发伽玛或放射性核素衰变产生的射线能量和强度（主要是γ射线），进行物质中元素的定性和定量分析。中子活化分析，又称仪器中子活化分析，是通过鉴别和测试试样因辐照感生的放射性核素的特征辐射，进行元素和核素分析的放射分析化学方法。活化分析的基础是核反应，以中子或质子照射试样，引起核反应，使之活化产生辐射能，用γ射线分光仪测定光谱，根据波峰分析确定试样成分；根据辐射能的强弱进行定量分析。活化分析大体分为5个步骤，即：试样和标准的制备、活化、放射化学分离、核辐射测量和数据处理。图1为中子活化分析原理图。图1

中子活化分析原理图现阶段我公司生料配料采用每小时取综合生料试验进行荧光分析后进行手动调整配比，存在明显滞后。中子活化分析仪应用后，可实时分析配料皮带上各物质含量，即时调整配料，确保生料质量稳定，杜绝配料调整滞后现象。通过在入磨皮带增加中子分析仪后，生料配料更为稳定，实时调整配比大大减小了手动调整的滞后与误差，出磨生料合格率由60%提升到85%，入窑生料合格率在90%～95%。（3）相机温度解析系统相机温度解析系统主要包括回转窑火焰监测及游离氧化钙预测。通过集合多种优化算法，调整窑工况，保证熟料质量，探索低能耗操作，实现节能目标。回转窑火焰监测系统在监视火焰形状和长度的同时监测火焰及出窑熟料的温度。生产过程中当一次风量、喂煤量、煤的热值等因素发生波动时，操作员可以直观地通过火焰的形状、长度及温度的变化来进行判断和调整，防止火焰扫砖、垮窑皮，延长窑口砖的使用年限，并实时观察落料的形状，而且可以通过火焰监测系统反馈的燃烧区参数为基础，来预测未来的水泥品质，从窑内就开始尽可能提高品质，减少不合格品。基于图像算法库，水泥游离氧化钙预测算法中将对非结构化的图像数据进行结构化信息提取。基于传统的图像处理技术，算法将通过色彩变换，图像分割，轮廓提取等方法提取亮度、色差等等图像基本特征。基于深度学习的计算机视觉技术，算法将结合海量的图像和预训练网络获得高度抽象的图像特征。这些特征能很好地反应回转窑的燃烧状态和熟料的形状。为专家系统判断和识别窑内工况提供可靠的依据，并指导优化系统对燃烧参数进行优化，最终实现产品质量稳定、指标优化、提产节能的目的。（4）游离氧化钙预测模型设计结合业务应用场景，基于窑专家优化控制系统通用算法引擎，建立基于多数据源的水泥游离氧化钙预测算法。基于采集的原始数据到云端，利用云端数据，经过数据预处理引擎对数据预处理后，由优化引擎结合预测模型，根据当前的生产条件，实时推荐适合当前场景下的关键控制参数，达到项目优化目标。同时由于机械设备在运行一段时间后会有一定的变化，预测模型会利用云端实时数据定期更新模型，实现稳定的控制参数推荐，最终达到项目预期效果。相机解析系统可实时监控分析预测产品质量，并对操作进行调整，系统投用后，一方面游离钙合格率在96%以上，同时波动减小；另一方面二次风温的波动大幅减小，基本在1120℃～1150℃。3改造后运行情况分析经过前期软件部分现场安装及调试后，2