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信息技术标准解读目录(第二章第五节)
作者:信息中心 日期:2013年01月16日 来源:本站原创 浏览:

核心提示:第五节 信息技术与问题解决 一、问题解决中人与技术的相互作用 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

第五节 信息技术与问题解决

一、问题解决中人与技术的相互作用

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。

人们在解决问题过程中,需要技术的运用,需要人的参与。那么,是技术在解决问题呢?还是人在解决问题?毫无疑问,解决问题时二者都需要,缺一不可。但人与技术的作用和地位是不同的。其中,人是解决问题的主体,控制着问题解决的目的和方向,技术只是解决问题的工具,是辅助人达到目标的手段。没有人的主体性参与,技术无从发挥作用。离开一定的技术,人的目标难以或无法实现。

技术本身对于人类具有一定的依赖性:技术并不是自然形成的,没有人的构想、发明,就没有技术的面世。而且,人的目的决定着技术的形态和方式;技术的价值体现在应用中,不被人加以使用,就失去了存在的意义。如同机器,没有人的操纵,只是废铁一堆;技术的发展需要人的推动,没有人的努力,技术不可能进步、成熟和完善;同样,技术的衰退和消亡也离不开人的作用。

内容标准:

通过尝试与分析,了解因特网信息检索工具的类型与特点;知道搜索引擎、元搜索引擎(又称集成搜索引擎)等因特网信息检索工具的产生背景、工作原理与发展趋势;掌握常用因特网信息检索工具的使用方法,能熟练使用检索工具获取所需信息。

人对于技术也有依赖性。技术是人的感官延伸,并能超越人的身体极限,人发展技术的目的就是为了提高效率或者依靠技术去完成自身无法完成的工作,结果是人对一些特定技术有了更强的依赖。例如,没有出现网络信息检索工具之前,人们只能靠自己的力量在网络上寻找需要的信息,现在,人们的大部分网络信息查找活动都离不开网络检索工具。

在解决问题的过程中,人与技术是相互作用的。人利用技术来解决问题,在使用中促进自身对技术的掌握和熟练,同时也促进了技术的发展,技术发展对人的技术能力提出相应的要求,人的技术能力的培养和提升又促进了人对技术的有效应用和技术创新。在反复循环中,人凭借自身的主观能动性,适应技术,改造技术,走向对技术的自由使用,从而,人与技术和谐共融于社会之中。

内容标准:

探讨信息技术对社会发展、科技进步以及个人生活与学习的影响。

例1  利用因特网等多种信息渠道进行调查,制定蔬菜新品种引进计划。

例2  E-mail方便了人们的沟通与交流,但垃圾邮件又给人们带来困扰。

了解信息技术可能带来的不利于身心健康的因素,养成健康使用信息技术的习惯。

例1  青少年长期沉溺于网络容易诱发实际生活中的社交恐惧症。

例2  长时间凝视监视器屏幕容易导致眼睛疲劳,影响健康。

例如,信息技术的突飞猛进,依靠人的不断努力,反过来,信息技术也在对人和社会施加影响,并且这个影响是双重的,包含有利和不利两个方面。不利影响的出现在考验技术的同时也在考验着使用技术的人,因而,消减这些影响,一方面是发现技术不足加以改进,促其完善,另一方面是反思人的缺点积极改正,如养成良好的技术使用习惯,加强人文修养。

理清人与技术的关系,有利于我们在信息技术教学中,正确认识技术的作用,不过分夸大,只见技术不见人,也不盲目排斥,脱离技术高谈阔论,从而引导学生合理利用技术去解决问题。

二、问题类型与问题解决策略

1、问题的分类

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。

定义完善的问题与定义不完善的问题

根据问题状态的清晰程度,可以将问题区分为定义完善的问题、定义不完善的问题两大类,它们也被分别被称为良构(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。

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。

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:

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。 “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。

内容标准:

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。

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。“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的初步能力。

内容标准:

通过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、问题解决中一般性知识与具体领域知识的综合

众所周知,知识在问题解决中有着重要的作用,这里的知识包括两大类:问题解决的一般性知识(或称策略)与具体领域的情景性知识。我们的问题是:上述两类知识中哪个对于问题解决更为重要?

早在30多年以前,人们普遍认为问题解决的思维过程在很大程度上依赖于一般性的策略知识,这些策略具体包括记忆、创造性思维、决策、归纳和演绎性思维等等。但是,在后来的研究中人们却发现,在问题解决过程中,专家很大程度上依赖于他们知识领域内的丰厚的基础知识,即特定的领域知识在问题解决中起着重要的作用。事实上,随着人工智能研究的发展,人们已经发现一般性的问题解决策略虽然在简单的、形式化的问题解决中有效,但是在处理诸如医疗诊断、下象棋、逻辑推理等复杂的问题解决领域中的作用却不大。为此,正确的方法应当是,在问题解决的教学过程中,要将一般性的问题解决策略和具体领域的情景性知识进行“整合”。

早期对一般性问题解决能力的倡导忽视了扎实的知识基础的重要性;后期对知识基础的倡导又忽略了一般性的问题解决策略在具体知识领域问题解决中的重要性。因而对这两者进行综合是必由之路。

三、信息加工的自动化、人性化与智能化

一般认为,借助信息技术解决问题的方式至今经历了三个发展阶段,它们也是当前应用领域中现存的三种重要方式,即:自动化方式、人性化方式、智能化方式。

如前文所述,在问题解决过程中需要人与技术的共同参与,然而,人类应用与发展技术的主要目的,就是希望减少人们的劳动量,将人从繁杂的尤其是低级重复的问题解决中解脱出来。信息加工的自动化意味着只要人提出要求,发出命令,剩下的事情交给计算机好了。例如,通过程序设计解决问题就是如此。

内容标准:

能够根据任务需求,熟练使用文字处理、图表处理等工具软件加工信息,表达意图;选择恰当的工具软件处理多媒体信息,呈现主题,表达创意。

例  可使用多媒体素材加工软件、多媒体著作软件、网页制作软件等处理多媒体信息。

信息技术在不断的满足人的需求中向前发展着,在“科技以人为本”的理念观照下,信息技术也在实现着向人的习惯接近,体现人性化风格,实现用户友好的理念,图形用户界面的问世及对字符界面的迅速替代,所见即所得的编辑思想,等等,都是很好的说明。在这个张扬个性的时代,技术的发展更趋人性化,贴近用户需求。

内容标准:

通过部分智能信息处理工具软件的使用,体验其基本工作过程,了解其实际应用价值。

例1  模式识别类:光学字符识别(OCR)、手写汉字输入、语音汉字输入等。

例2  自然语言识别类:自然语言对话与机器翻译等。

技术的智能化考虑是为了用计算机实现那些如果由人来做需要智能参与的工作,这也是人工智能发展的最初思想。例如,模式识别中的手写汉字输入可以满足部分不善于操作键盘的用户,让他们省却键盘输入之苦。又如,机器翻译可以使翻译工作在极短的时间内完成,给用户提供一定的参考。目前,信息加工的自动化、人性化技术和应用都相对成熟,质量较高;而智能化的技术与应用则显得相对滞后,还需要进一步提高。

四、人工智能与问题解决

西方一些发达国家(例如美国、英国)已经在高中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。

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。与一般的信息处理技术相比,人工智能技术在问题求解的策略和信息处理手段上都有其独特的风格。通过人工智能课程的学习,可以让学生在体验、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,从而培养学生的多种思维方式,达到提高信息素养的目的。通过人工智能课程的学习,学生还将学到智能化问题求解的最为基本的策略

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。

内容标准:

了解状态空间的概念与方法,学会用该方法描述待求解的问题。

例 “井字棋”问题。

通过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。

例  1996年,深蓝计算机向国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫挑战失败。1997年,深蓝的后嗣替报仇,以3.5:2.5的总比分击败卡斯帕罗夫。事实上,“深蓝”序列计算机中存放了包括卡斯帕罗夫的所有比赛棋谱在内的近百年的棋谱历史记录,它的“智能”主要体现在对海量的实战棋谱所进行的启发式搜索上

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;求解非结构化、半结构化问题的人工智能程序=知识+推理。

内容标准:

演示或使用简单的产生式专家系统软件,感受用专家系统解决问题的基本过程;了解专家系统的基本结构。

例  通过网站 http://www.expertise2go.com/ 在线执行“PC产品顾问”(Desktop PC Product Advisor)专家系统,为准备添置的个人电脑规划合理的硬软件配置。

了解专家系统解释机制的基本概念及其在专家系统中的重要作用。

例  执行专家系统,分别使用“Why”和“How命令,了解其解释过程。

“知识+推理”的解决问题模式在专家系统中得到很好的体现。所谓专家系统,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。在一个实际的专家系统的应用过程中,该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)”“如何(How)”“如果……会怎么样”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,有助于提高他(她)们的分析、思维与判断能力。

内容标准:

了解专家系统外壳的概念;学会使用一个简易的专家系统外壳,并能用它开发简单的专家系统。

要对专家系统解决问题的模式有更深刻的了解,学生需要参与专家系统的开发,在过程中加深理解。为了降低难度,可以借助专用的专家系统的“外壳”或开发工具,让学生在构建小型知识库的层面上参与人工智能的开发与应用实践。例如,在专家系统的教学过程中,可以要求学生自行构建由产生式规则组成的知识库。而在普遍的意义上,不建议让学生通过对人工智能语言的学习,参与专家系统外壳的开发,这对于绝大多数学生来说,都有些偏难了。

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,因此上述知识库的组织和系统的推理过程能够较好地体现学生的思维过程。在建造知识库过程中,学生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。所以,建造知识库的过程不但能反映学生的学习过程,而且有助于学生对该类领域知识的深层思考并有利于长久记忆。这样,在体验、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,增强问题解决能力。

五、信息技术解决问题的基本过程

问题解决的一般过程包括表征、策划、执行和控制。

问题的表征就是将问题转换为问题解决者内部的心理表征;解决方案的策划包括确定必须进行的操作或运算步骤;问题解决的执行包括完成在策划中详细说明的各种操作或运算任务;问题解决的控制涉及对相关过程监控和调节的元认知过程。

根据问题解决的一般过程,以及信息技术课程对过程与方法的具体要求,可以列出用信息技术解决问题的基本过程如下,该过程适用于一般意义上的信息技术解决问题:

1、从日常生活、学习中发现或归纳需要利用信息和信息技术解决的问题,通过问题分析确定信息需求。

2、根据任务的要求,确定所需信息的类型和来源,评价信息的真实性、准确性和相关性。

3、选择合适的信息技术进行有效的信息采集、存储和管理。

4、采用适当的工具和方式呈现信息、发表观点、交流思想、开展合作。

5、运用信息技术,通过有计划的、合理的信息加工进行创造性探索或解决实际问题,如辅助其他学科学习、完成信息作品等。

6、对自己和他人的信息活动过程和结果进行评价,能归纳利用信息技术解决问题的基本思想方法。

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