知识工程学与教育技术学--黄荣怀

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1、 知识工程学知识工程学 一个新的重要研究领域一个新的重要研究领域 黄荣怀黄荣怀 教授教授/博导博导北京师范大学信息科学学院北京师范大学信息科学学院 知识工程概念 知识工程是应用人工智能的原理与方法，对那些需要知识工程是应用人工智能的原理与方法，对那些需要专家知识才能解决的应用难题提供求解的手段。恰当专家知识才能解决的应用难题提供求解的手段。恰当地运用专家知识的获取、表达和推理过程的构成与解地运用专家知识的获取、表达和推理过程的构成与解释，是设计基于知识的系统的重要技术问题。释，是设计基于知识的系统的重要技术问题。美国斯坦福大学（美国斯坦福大学（Stanford University）计算机系教

2、授费）计算机系教授费哥巴姆（哥巴姆（Feigenbaum）1977年第五届国际人工智能联合年第五届国际人工智能联合会议会议知识工程的发展（时间）1965至至1974年年实验性系统时期实验性系统时期 DENDRAL系统标志着系统标志着“专家系统专家系统”的诞生的诞生 1975至至1980年年MYCIN时期时期 MYCIN专家系统是规范性计算机专家系统的代表专家系统是规范性计算机专家系统的代表 1980年以来年以来知识工程的知识工程的“产品产品”在产业部门开在产业部门开始应用的时期始应用的时期 知识工程的研究目前在美国开展得较为活跃和深入，并知识工程的研究目前在美国开展得较为活跃和深入，并且主要集

3、中在斯坦福大学且主要集中在斯坦福大学知识工程与人工智能 专家专家拥有大量的专门知识，特别是长时期地从实践拥有大量的专门知识，特别是长时期地从实践中总结和积累的经验技能知识。中总结和积累的经验技能知识。从知识工程的发展历史可以看出，知识工程是伴随从知识工程的发展历史可以看出，知识工程是伴随“专专家系统家系统”建造的研究而产生的。实际上，知识工程的焦建造的研究而产生的。实际上，知识工程的焦点就是知识。点就是知识。知识工程领域的主要研究方向主要包含知识获取、知识知识工程领域的主要研究方向主要包含知识获取、知识表示和推理方法等，其研究目标是挖掘和抽取人类知识，表示和推理方法等，其研究目标是挖掘和抽取人

4、类知识，用一定的形式表现这些知识，使之成为计算机可操作的用一定的形式表现这些知识，使之成为计算机可操作的对象，从而使计算机具有人类的一定智能。对象，从而使计算机具有人类的一定智能。主要研究领域 软计算：模仿自然法则的计算方法软计算：模仿自然法则的计算方法 主体（主体（Agent）：机器世界中有）：机器世界中有“思维思维”的个体的个体 自然语言理解与机器翻译：让机器自然语言理解与机器翻译：让机器“懂得懂得”人类语言人类语言 逻辑与推理：机器的逻辑与推理：机器的“思维思维”机制机制 形象思维研究：让机器具有形象思维研究：让机器具有“视觉认知视觉认知”基于事例的推理：让机器应用基于事例的推理：让机器

5、应用“经验经验(知识知识)”机器学习：让机器也能机器学习：让机器也能“学习学习”知识本体论：认识知识本体论：认识“知识知识”的本质的本质智能计算 凡是仿照自然法则构造的计算，均可称为智能计算凡是仿照自然法则构造的计算，均可称为智能计算(Computational intelligence)，有时也称为软计算，有时也称为软计算(Soft computing)。模仿人类处理方式引入的模糊计算模仿人类处理方式引入的模糊计算(Fuzzy computing)依据生物神经网络的工作规则引入的神经计算依据生物神经网络的工作规则引入的神经计算(Neural computing)模仿生物界的模仿生物界的“优胜

6、劣汰优胜劣汰”法则的遗传算法和进化计算法则的遗传算法和进化计算(Evolution computing)目前主要的问题：算法的目前主要的问题：算法的“可扩展性可扩展性”和和“可理解性可理解性”问题。问题。主体(Agent)Minsky在在1986年出版的年出版的思维的社会思维的社会一书中提一书中提出出Agent，认为社会中的某些个体经过协商之后可，认为社会中的某些个体经过协商之后可求得问题的解，这些个体就是求得问题的解，这些个体就是Agent。对对Agent思维状态的直观描述涉及信念、愿望、目思维状态的直观描述涉及信念、愿望、目标、意图、承诺、规划等心理学以及社会学概念。标、意图、承诺、规划等

7、心理学以及社会学概念。Agent理论的地位仍有争议理论的地位仍有争议 目前目前Agent成功案例：产品拍卖、军事演习与机器成功案例：产品拍卖、军事演习与机器人足球赛等人足球赛等 自然语言理解与机器翻译 自然语言理解（起源于机器翻译）和信息检索是语自然语言理解（起源于机器翻译）和信息检索是语言信息研究的两个重要部分。言信息研究的两个重要部分。机器翻译和信息检索的效果远未达到人们的要求机器翻译和信息检索的效果远未达到人们的要求（英法（英法流畅程度译准率只有流畅程度译准率只有54%，检索基本准确，检索基本准确率只有率只有10%20%）我国语言信息处理研究，基础研究仍然还是最重要我国语言信息处理研究，

8、基础研究仍然还是最重要的。研究方法，将更多的采用统计方法，特别是将的。研究方法，将更多的采用统计方法，特别是将统计与规则结合起来。统计与规则结合起来。逻辑与推理 公理化方法实际是一种整理知识，特别是数学知识公理化方法实际是一种整理知识，特别是数学知识的方法。通过许多数学家的努力，用数理逻辑的语的方法。通过许多数学家的努力，用数理逻辑的语言和方法建立了一套关于公理系统的理论框架，这言和方法建立了一套关于公理系统的理论框架，这就是所谓的形式化（公理化）方法。就是所谓的形式化（公理化）方法。在人工智能领域中，在知识表示与推理方面，仅靠在人工智能领域中，在知识表示与推理方面，仅靠公理化方法和数理逻辑是

9、不够的，因此出现了许多公理化方法和数理逻辑是不够的，因此出现了许多新的理论与方法，包括非经典逻辑与开放逻辑等，新的理论与方法，包括非经典逻辑与开放逻辑等，非经典逻辑的典型代表是模态逻辑。非经典逻辑的典型代表是模态逻辑。逻辑与推理逻辑与推理（续）（续）模态逻辑模态逻辑(model logic)及其扩展及其扩展(包括时态逻辑、包括时态逻辑、认知逻辑、动态逻辑、表述逻辑和行为逻辑等认知逻辑、动态逻辑、表述逻辑和行为逻辑等)已经已经成为更适用于各种应用领域的逻辑系统。成为更适用于各种应用领域的逻辑系统。开放逻辑引进的概念有现论、新定律与事实反驳。开放逻辑引进的概念有现论、新定律与事实反驳。现论是指阶段

10、性理论或现阶段的理论，它揭示了这现论是指阶段性理论或现阶段的理论，它揭示了这个领域现阶段知识之间的逻辑关系，并使这些知识个领域现阶段知识之间的逻辑关系，并使这些知识有清晰的逻辑结构。我们可以将现论看着类似于认有清晰的逻辑结构。我们可以将现论看着类似于认知心理学中的知心理学中的“图示图示”。形象思维研究形象思维研究 形象思维研究（思维科学领域相对薄弱形象思维研究（思维科学领域相对薄弱）：记忆理论和）：记忆理论和认知模型。心象系统以心象代码来存储关于具体的客体认知模型。心象系统以心象代码来存储关于具体的客体和事件的信息；言语系统以言语代码来存储言语信息。和事件的信息；言语系统以言语代码来存储言语信

11、息。心象在计算机中的模拟和表征的研究心象在计算机中的模拟和表征的研究：Kosslyn（1981年）心理扫描实验基础年）心理扫描实验基础心象的计算理心象的计算理论论 Glasgow（1992年）基于心象的问题求解，并提出了可年）基于心象的问题求解，并提出了可计算心象的一种知识表达框架计算心象的一种知识表达框架 心象的傅立叶模式心象的傅立叶模式、区域生长法、区域生长法、纹理表示理论、纹理表示理论 等等基于事例的推理基于事例的推理 CBR方法来自于人类的日常认知心理活动方法来自于人类的日常认知心理活动。推理者求解新问题习惯借鉴以前对类似问题的推理者求解新问题习惯借鉴以前对类似问题的处理经验：新出现的

12、问题处理经验：新出现的问题 以前处理过问题的简单重复以前处理过问题的简单重复处理旧问题的成功处理旧问题的成功经验直接用于求解该新问题经验直接用于求解该新问题基于事例的推理（续）基于事例的推理（续）从来没有遇见过的问题从来没有遇见过的问题回忆起一个回忆起一个(或多个或多个)类似的类似的旧问题，通过类比得到重要指导或提示，结合规律性知旧问题，通过类比得到重要指导或提示，结合规律性知识识 处理过的新问题成为经验用以处理以后的问题处理过的新问题成为经验用以处理以后的问题 CBR方法的发展趋势：与其他学习方法的集成；方法的发展趋势：与其他学习方法的集成；与其他推理方法的集成；被融合进大规模并行处与其他推

13、理方法的集成；被融合进大规模并行处理；通过认知科学的新进展带动理；通过认知科学的新进展带动CBR方法的进方法的进步。步。1994年，阿莫特（年，阿莫特（Aamodt）机器学习机器学习 机器学习的一般说法来自于机器学习的一般说法来自于Simon对学习的阐述：对学习的阐述：“如果一个系统如果一个系统能够通过执行某种过程而改进它的性能，这就是学习能够通过执行某种过程而改进它的性能，这就是学习”。重要里程碑：重要里程碑：1943年年McCulloch与与Pitts对神经元模型的研究。其意对神经元模型的研究。其意义在于首次发现了人类神经元的工作方式，并给出了其数学描述。义在于首次发现了人类神经元的工作方

14、式，并给出了其数学描述。在历史上，机器学习基本上是在经验范畴内进行的，随意性相当严在历史上，机器学习基本上是在经验范畴内进行的，随意性相当严重重 机器学习往往受启于某个自然科学的原理，特别是认知心理学的原理，机器学习往往受启于某个自然科学的原理，特别是认知心理学的原理，认知心理学研究中的随意性也带入了机器学习的研究之中认知心理学研究中的随意性也带入了机器学习的研究之中 对学习解的选择涉及搜索策略，使用什么样的搜索策略往往没有一般的对学习解的选择涉及搜索策略，使用什么样的搜索策略往往没有一般的原则可原则可 对学习结果的评价没有可以描述的标准。对学习结果的评价没有可以描述的标准。知识本体论知识本体

15、论 从古希腊人开始，对于知识本质的研究与探索一直是人类追从古希腊人开始，对于知识本质的研究与探索一直是人类追求的目标。求的目标。本体论本体论(Ontology)(哲学概念哲学概念)关于存在及其本质和规律的学关于存在及其本质和规律的学说，后被用于研究实体存在性和实体存在的本质等方面的通说，后被用于研究实体存在性和实体存在的本质等方面的通用理论。用理论。计算机界借用这个理论，把现实世界中某个领域抽象或概括计算机界借用这个理论，把现实世界中某个领域抽象或概括成一组概念及概念间的关系，构造出这个领域的本体。成一组概念及概念间的关系，构造出这个领域的本体。知识工程中的本体是人为设计的关于某个领域的概念模

16、型的知识工程中的本体是人为设计的关于某个领域的概念模型的一种表示。本体论正逐步成为知识获取以及表示、规划、进一种表示。本体论正逐步成为知识获取以及表示、规划、进程管理、数据库框架集成、自然语言处理和企业模拟等研究程管理、数据库框架集成、自然语言处理和企业模拟等研究领域共同关心的一个核心。领域共同关心的一个核心。广义知识工程学广义知识工程学 从一个国家的角度看，应该把知识作为基础设施来从一个国家的角度看，应该把知识作为基础设施来看待和发展，应该营造将科研、高校、企业与知识看待和发展，应该营造将科研、高校、企业与知识机构和广大劳动者紧密联系在一起的社会网络，通机构和广大劳动者紧密联系在一起的社会网

17、络，通过这个网络实现协同和互动，使知识得以生产、传过这个网络实现协同和互动，使知识得以生产、传播、扩散，保证经济活动各个环节都可以很容易地播、扩散，保证经济活动各个环节都可以很容易地获得和应用所需要的知识。获得和应用所需要的知识。而这个知识基础设施的建设，仅靠人工智能的研究而这个知识基础设施的建设，仅靠人工智能的研究是不够的，毫无疑问必须涉及到计算机、通讯、教是不够的，毫无疑问必须涉及到计算机、通讯、教育、心理、社会、经济、传播等诸多学科。育、心理、社会、经济、传播等诸多学科。广义知识工程学广义知识工程学（续）（续）从知识经济学的角度研究知识是一种崭新的范式。经济学理从知识经济学的角度研究知识

18、是一种崭新的范式。经济学理论的发展日益建构在对知识问题的研究基础上。论的发展日益建构在对知识问题的研究基础上。知识社会学也是研究知识现象的重要的范式。知识经济的确知识社会学也是研究知识现象的重要的范式。知识经济的确立和发展为社会学对经济现象的研究提供了新的契机，也为立和发展为社会学对经济现象的研究提供了新的契机，也为知识社会学发展提供了应用领域，从而成为社会学研究知识知识社会学发展提供了应用领域，从而成为社会学研究知识的核心。的核心。因此，我个人认为必须建立一个广义的知识工程学，因此，我个人认为必须建立一个广义的知识工程学，它是它是“一门研究人类智能及人类知识的机理以及如何用一门研究人类智能及

19、人类知识的机理以及如何用机器模拟人的智能并促进人类知识发展的学科机器模拟人的智能并促进人类知识发展的学科”。教育技术的研究内容教育技术的研究内容 对于一门学科来说，生死攸关的一个问题就是要明确自己的对于一门学科来说，生死攸关的一个问题就是要明确自己的研究对象和任务。研究对象和任务。王策三王策三 我个人认为，我个人认为，从宏观的角度看，教育技术学研究的对从宏观的角度看，教育技术学研究的对象，是教育的技术特性及其规律性象，是教育的技术特性及其规律性。研究内容：研究内容：教育中的媒体与技术应用教育中的媒体与技术应用（如视听媒体在教学中的应用、信息（如视听媒体在教学中的应用、信息技术与课程的整合、教育

20、行业的电子政务等）技术与课程的整合、教育行业的电子政务等）教学的产品特性教学的产品特性（指对教学过程和教学资源的设计、开发、利用、（指对教学过程和教学资源的设计、开发、利用、管理和评价）管理和评价）以及技术知识的传播以及技术知识的传播（如信息技术教育和信息素养的培育等）等（如信息技术教育和信息素养的培育等）等方面方面教育技术的研究主体教育技术的研究主体 作为一个学科的定位与学科建设，除了研究教育技术学科体作为一个学科的定位与学科建设，除了研究教育技术学科体系、教育技术发展和实践过程中存在的问题和对策这些问题系、教育技术发展和实践过程中存在的问题和对策这些问题以外，还必须考虑从事工作的人群及其从

21、事的工作，包括理以外，还必须考虑从事工作的人群及其从事的工作，包括理论研究者、实践工作者及其他相关人员。论研究者、实践工作者及其他相关人员。我国的教育技术工作者主要包括三类人群：第一类是我国的教育技术工作者主要包括三类人群：第一类是电化教电化教育育/教育技术理论研究者教育技术理论研究者，他们主要来自各大学的教育技术系，他们主要来自各大学的教育技术系或教育技术研究中心等；第二类是或教育技术研究中心等；第二类是全国电教系统的专业人员，全国电教系统的专业人员，包括中央及省、市、自治区的电教馆人员以及各学校的电教包括中央及省、市、自治区的电教馆人员以及各学校的电教人员；第三类是人员；第三类是计算机学科

22、中从事计算机教育应用研究的相计算机学科中从事计算机教育应用研究的相关人员关人员(如从事网络关键技术的研究、人工智能的研究等如从事网络关键技术的研究、人工智能的研究等)和相和相关学科的教师，这类人员以全国高等学校教育技术协作委员关学科的教师，这类人员以全国高等学校教育技术协作委员会为纽带。各学科的教师是教育技术实践领域的生力军会为纽带。各学科的教师是教育技术实践领域的生力军。教育技术的研究主体教育技术的研究主体（续）（续）国际上的情况也是如此，除了国际上的情况也是如此，除了AECT(美国教育通信和技美国教育通信和技术协会术协会)被认为是专门从事教育技术研究的群体以外，被认为是专门从事教育技术研究

23、的群体以外，许多国际学术会议如许多国际学术会议如CSCL(ComputerSupportedCooperativeLearning，计算机支持协作学习，每两，计算机支持协作学习，每两年一次年一次)、ICCE(InternationalConference on Computers in Education，计算机教育应用国际会议，计算机教育应用国际会议，每年一次每年一次)、CAA(Computer AidedAssessment，计算机辅助评价，每年一次计算机辅助评价，每年一次)等汇集了来自于等汇集了来自于教育、心教育、心理、计算机等各学科领域的专家和学者理、计算机等各学科领域的专家和学者参加

24、，共同致力参加，共同致力于教育技术的研究。于教育技术的研究。教育技术的研究方法教育技术的研究方法作为研究教育的技术特性及其规律性所采用的方式、手段或遵循的途径、作为研究教育的技术特性及其规律性所采用的方式、手段或遵循的途径、程序、格式和规则，研究方法具有不同层次、水平和不同类型。程序、格式和规则，研究方法具有不同层次、水平和不同类型。教育技术元方法：教育技术元方法：哲学、研究和教育，实验研究方法，教育技术中的质的哲学、研究和教育，实验研究方法，教育技术中的质的研究，描述研究方法，开发研究。研究，描述研究方法，开发研究。教育技术专家教育技术专家Rhonda Robinson教育传播与技术中的研究

25、方法论教育传播与技术中的研究方法论四种研究水平：四种研究水平：直觉观察水平（资料收集水平直觉观察水平（资料收集水平Data Collection）：发生了什么？）：发生了什么？探索原因水平（内在效度探索原因水平（内在效度Internal Validity）：为什么会发生这种现象？）：为什么会发生这种现象？迁移推广水平（外在效度迁移推广水平（外在效度External Validity）：在不同环境条件下将发生同样）：在不同环境条件下将发生同样现象吗？现象吗？理论研究水平（理论研究水平（Theoretical Research）：研究中有那些潜在的基础理论原则？）：研究中有那些潜在的基础理论原则？

26、-裴娣娜裴娣娜 教育技术的研究方法教育技术的研究方法（续（续1）实验研究法是最常用也最有效的研究方法之一。实验研究法是最常用也最有效的研究方法之一。现现代教育思想理论的指导，三种技术的支持（教学设代教育思想理论的指导，三种技术的支持（教学设计、现代教育媒体、媒传教学法），明确的目标，计、现代教育媒体、媒传教学法），明确的目标，恰当的选题，认真的评价，创新的精神，是构成成恰当的选题，认真的评价，创新的精神，是构成成功实验的六个基本要素。六个要素都不能缺，缺少功实验的六个基本要素。六个要素都不能缺，缺少一个，也难取得成功。一个，也难取得成功。电化教育促进中小学教育优化，课题实验电化教育促进中小学教

27、育优化，课题实验 全国教育科学全国教育科学“八五八五”规划课题规划课题 1991一一1995年年 实验学校：实验学校：31省、省、市，市，82校校 教育技术的研究方法教育技术的研究方法（续（续2）小学语文小学语文“四结合四结合”教改实验教改实验 基教司重点科研项目基教司重点科研项目 1994年至今年至今 实验学校：实验学校：22省、市，省、市，602校校 电化教育促进中小学由应试教育转向素质教育的实验研究电化教育促进中小学由应试教育转向素质教育的实验研究 全国教育科学全国教育科学“九五九五”规划课题规划课题 1997年至今年至今 实验学校：实验学校：18省、省、市，市，236校校 全国全国10

28、00所中小学现代教育技术实验学校教改实验所中小学现代教育技术实验学校教改实验 教育部教育部 1998年至今年至今 高等学校课程电化教育试验高等学校课程电化教育试验 广东省广东省 1991年至今年至今 实验学校：实验学校：46校校教育技术的实践领域教育技术的实践领域 教育技术作为理论和实践并重的交叉学科，需要理论指导实教育技术作为理论和实践并重的交叉学科，需要理论指导实践，在实践中进行理论研究。目前，教育技术研究最前沿的践，在实践中进行理论研究。目前，教育技术研究最前沿的两个领域是信息技术与课程整合和网络教育，所有这些乃至两个领域是信息技术与课程整合和网络教育，所有这些乃至终身教育体系的建立都强

29、调对学习者学习的支持，即围绕如终身教育体系的建立都强调对学习者学习的支持，即围绕如何促进学习展开所有工作。正因如此，人们将会越来越重视何促进学习展开所有工作。正因如此，人们将会越来越重视教育技术的实践性和支持性研究。教育技术的实践性和支持性研究。实践领域中企事业培训，社区教育等已经引起研究者们的高实践领域中企事业培训，社区教育等已经引起研究者们的高关注度。关注度。新的研究方向的引入将会拓宽教育技术的实践领域。新的研究方向的引入将会拓宽教育技术的实践领域。教育技术与知识工程教育技术与知识工程 教育的根本目的是促进人的发展，同时也是促进社会的发展教育的根本目的是促进人的发展，同时也是促进社会的发展

30、与人类知识的发展。毫无疑问，教育是知识的生产、传播与与人类知识的发展。毫无疑问，教育是知识的生产、传播与扩散的重要途径，因而从教育的角度，特别是教育技术的角扩散的重要途径，因而从教育的角度，特别是教育技术的角度，研究知识工程是必要的。度，研究知识工程是必要的。知识工程的研究领域涉及多种学科，对于教育技术学研究人知识工程的研究领域涉及多种学科，对于教育技术学研究人员来说，他们具有教育学、心理学、信息科学与传播学等多员来说，他们具有教育学、心理学、信息科学与传播学等多方面的知识背景，应是知识工程研究的一支重要有生力量。方面的知识背景，应是知识工程研究的一支重要有生力量。因此知识工程可以也应该作为教育技术学的一个重因此知识工程可以也应该作为教育技术学的一个重要研究方向。要研究方向。