兒童學習障礙診斷專家系統(tǒng)的推理模型設計與系統(tǒng)開發(fā)

徐影　李懷龍　謝家奎

[摘要]基于兒童學習障礙診斷的現(xiàn)狀與方法，文章提出將專家系統(tǒng)用于兒童學習障礙的診斷并嘗試設計一個專家系統(tǒng)的推理模型。該模型使用產(chǎn)生式規(guī)則進行知識表示，包括用戶界面與診斷推理系統(tǒng)兩大部分，文中最后以兒童閱讀學習障礙診斷為例說明了基于該推理模型的專家系統(tǒng)的開發(fā)。

[關(guān)鍵詞]推理模型；兒童學習障礙；診斷；專家系統(tǒng)；產(chǎn)生式表示

[中圖分類號]G40-057 [文獻標識碼]A [論文編號]1009-8097（2013）03-0105-04 [DOI]10.3969/j.issn.1009-8097.2013.03.021

19世紀后期，隨著社會對勞動力素質(zhì)要求的不斷提高，學生學習障礙問題越來越突出，甚至已經(jīng)成為現(xiàn)代教育中的普遍現(xiàn)象，因而受到了人們廣泛的關(guān)注。縱觀學習障礙研究歷史，其研究主要集中在教育學、醫(yī)學、發(fā)展與教育心理學等研究領(lǐng)域，探討學習障礙的分類、外部行為表現(xiàn)、形成原因與機制、診斷和干預策略等方面的問題，為教師診斷學生學習障礙和實施教育干預提供理論與方法的支持。這些關(guān)于學習障礙的病因、診斷、干預的理論與實踐使每一個學習障礙兒童享受平等的受教育機會并得到充分發(fā)展成為可能。

一.學習障礙診斷的現(xiàn)狀與方法

學習困難也稱作學習障礙，即Learning Disability（簡稱LD）。美國教育心理學家科克（S.Kirk）于1963年提出這一概念以來，國際醫(yī)學界、教育界的有關(guān)專家和學者對LD兒童的一般特性表述不盡一致，關(guān)于LD的定義也有不同的看法。在國內(nèi)，到目前為止學術(shù)界對LD還沒有一個統(tǒng)一明確的界定。通常認為兒童學習困難是指智商屬正常范圍且沒有感官障礙的兒童其學習成績明顯低于同年級學生，不能達到預期學習目的。

學習障礙兒童具有認知、心理、行為等各方面的障礙，需要通過早期發(fā)現(xiàn)，進行針對性的治療和教育指導。因此對于學習障礙兒童的篩選測試和診斷已經(jīng)成為目前各相關(guān)領(lǐng)域普遍關(guān)注的研究課題。判斷兒童是否具有學習障礙，除進行神經(jīng)心理學、醫(yī)學等方面的檢查，也需在學校里把握其特異性學習方面的困難。

診斷是干預的基礎。只有在科學診斷的基礎上進行，干預和訓練才可能是積極有效的。目前常見的兒童學習障礙診斷方法有以下三種。

一是通過文獻、問卷、談話、訪問等手段進行的調(diào)查法。一般而言，對于一些無法通過短時間直接觀察而獲得的信息均采用調(diào)查法來獲得，如兒童的情緒狀態(tài)、在家里的表現(xiàn)、教師對學生的期望與教育觀念等。

二是通過專門量表等工具進行的測量法。測量法所給出的數(shù)量化描述更易于分析并作出科學的診斷。除常見的韋氏智力量表外，還有如美國教育心理學教授S.kirk制作的ITPA、美國Kaufman夫婦開發(fā)的K-ABC、神經(jīng)心理學博士H.R.Myklebust設計的PRS量表、日本心理學家上野一彥提出的行動檢查法等。目前也有針對學習障礙亞型的專門量表，這些量表對于診斷學習障礙講更有針對性，如明尼蘇達大學Robert H.Bmininks教授所編制的運動熟練程度測驗工具（Bruininks-Oseretsky Test ofMotor Proficiency，BOT），就針對孩子細動作、平衡與協(xié)調(diào)、速度與敏捷、力量等四個領(lǐng)域進行詳細的量化的測評。

三是通過時間取樣、時間取樣、日記描述等技術(shù)進行的觀察法。在學習障礙診斷過程中，觀察法可以獲得許多其他方法所無法獲得的信息。如兒童的身體發(fā)育、口語表達、與人交往、動作能力、情緒發(fā)展等，都可以通過直接觀察兒童的外部特征和行為表現(xiàn)來分析孩子的發(fā)展情況，從而進行更科學的診斷。

通過這些診斷方法，目前關(guān)于兒童學習障礙診斷已經(jīng)有了大量的數(shù)據(jù)資源。但無論哪種方法都有自身的局限性，且都涉及教育學、心理學、醫(yī)學等諸多領(lǐng)域；兒童學習障礙也表現(xiàn)為各種不同程度與不同類型。因此，兒童學習障礙診斷一般均由專門人員依據(jù)專門量表進行鑒別。

二.將專家系統(tǒng)用于兒童學習障礙的診斷

隨著社會的發(fā)展，因材施教有了新的內(nèi)容，教師需要幫助學生跨越學習中的障礙。在教育實踐活動中，兒童是否存在學習障礙，存在哪種類型的學習障礙都需要教師進行診斷。但目前專家對學習障礙診斷的研究主要由醫(yī)學或?qū)ｉT機構(gòu)通過量表或測驗問卷的形式來進行。這些工作雖然取得了很多的成績和功效，但是卻面臨一些亟待解決的問題。如上述學習障礙兒童早期干預領(lǐng)域中的權(quán)威測試標準，雖然在醫(yī)學等專業(yè)診療機構(gòu)中應用較廣泛，但量表的專業(yè)性過強，不便于其他領(lǐng)域非專業(yè)人員（包括教育工作者）使用。

對比專業(yè)人員或?qū)W習輔導專家進行兒童學習障礙診斷時的過程。一般先對臨床所見、觀察或測驗結(jié)果進行分析，如果能夠確定是某種學習障礙，那么就可以根據(jù)情況的發(fā)生與發(fā)展過程確定學習障礙的類型，根據(jù)兒童外部行為表現(xiàn)來完成學習障礙診斷和教育干預。實際上，這一過程就是專家利用存儲于其頭腦中的有關(guān)學習障礙的外部表現(xiàn)、癥狀性質(zhì)以及二者之間關(guān)系等方面的知識，通過適當?shù)姆椒ǎ瑢嶋H問題進行分析、匹配，從而解決實際問題。這個過程正好與專家系統(tǒng)“知識+推理”的問題求解過程基本一致。因此從理論上來看，可以采用專家系統(tǒng)對兒童學習障礙進行診斷。

專家系統(tǒng)技術(shù)自上世紀70年代以來已逐漸成熟，并日益滲透到教育領(lǐng)域。從專家系統(tǒng)出現(xiàn)到現(xiàn)在的幾十年的時間里，專家系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)已經(jīng)取得了很大的進展，對專家系統(tǒng)開發(fā)過程中所涉及的知識獲取、知識表示、推理模型的建立、推理策略、控制策略、沖突消解等方面都有系統(tǒng)地研究。目前已有越來越多的專家系統(tǒng)被成功應用于教育領(lǐng)域與醫(yī)療診斷領(lǐng)域。

鑒于目前教師關(guān)于兒童學習障礙診斷方面的知識水平參差不齊，把人工智能專家系統(tǒng)運用于學習障礙領(lǐng)域，用診斷專家系統(tǒng)來解決學習障礙的診斷問題，將對兒童學習障礙的診斷工作提供具有非常意義的幫助。因此，開發(fā)一款既具有專家知識，同時又能以專家水平解決實際問題的兒童學習障礙診斷專家系統(tǒng)就顯得日益必要與重要。兒童學習障礙診斷專家系統(tǒng)的研究將不僅對學習障礙兒童的診斷與教育干預提供理論與技術(shù)基礎，為學習障礙的理論探討與實際操作相結(jié)合提供有益的借鑒，也為進一步更好地實施研究因材施教和進行基礎教育改革提供工具性的支持。

三.兒童學習障礙診斷專家系統(tǒng)的推理模型設計

專家系統(tǒng)有不同類型，其中診斷專家系統(tǒng)的任務就是根據(jù)觀察到的數(shù)據(jù)推斷出某個對象機能失常的原因。鑒于一個專家系統(tǒng)所擁有的知識的數(shù)量和質(zhì)量直接決定了專家系統(tǒng)的性能，知識表示方法往往直接影響到專家系統(tǒng)的能力和問題求解的效率，因此知識表示方法對于診斷專家系統(tǒng)的推理性能和推理效率是至關(guān)重要。雖然截止到目前已有很多關(guān)于專家診斷推理模型的研究，但不同的領(lǐng)域、不同的問題，其知識的特點和推理控制策略不同，就有不同的推理模型。推理模型的恰當與否決定了系統(tǒng)推理結(jié)論的正確性和可靠性。因此，有必要結(jié)合學習障礙診斷領(lǐng)域知識的特點、專家問題求解的思維過程和推理過程的特點，開發(fā)出適合于學習障礙診斷的推理模型。

由于兒童學習障礙診斷知識本身所具有的模糊性、隨機性與不確定性，與其有關(guān)的證據(jù)（事實性知識）和推理規(guī)則大都是不確定性知識，所以需從不確定性初始證據(jù)出發(fā)，通過運用不確定性的知識進行推理。也就是說，建構(gòu)兒童學習障礙診斷專家系統(tǒng)的推理模型必須建立在不確定性推理的基礎之上。

根據(jù)IF-THEN的結(jié)構(gòu)，對兒童學習障礙診斷知識進行表示的過程如圖1。首先辨別兒童學習障礙診斷問題的實質(zhì)，將學習障礙問題知識化為一系列知識；其次，概括兒童學習障礙診斷知識表示所需要的關(guān)鍵概念及其關(guān)系，把有關(guān)關(guān)鍵概念與信息流等變換為正式表達，即知識的概念化過程；接下來通過概念的形式化確定兒童學習障礙診斷知識的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的組織形式、通過形式的規(guī)則化將知識轉(zhuǎn)換為程序語言、通過規(guī)則的合法化確認兒童學習障礙診斷知識的合理性與有效性。

經(jīng)過以上過程，學習障礙診斷中所用到的領(lǐng)域知識即表達為一系列規(guī)則。每個規(guī)則都使用IF（條件）THEN（動作）結(jié)構(gòu)指定的關(guān)系，這些規(guī)則序列構(gòu)成了系統(tǒng)的知識庫。知識庫中包含了領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗，使系統(tǒng)能夠真正具有分析問題、解決問題的能力。

除了知識庫外，這種基于產(chǎn)生式規(guī)則進行知識表示的專家系統(tǒng)，還包括數(shù)據(jù)庫、推理機、解釋工具和用戶界面四個部分。數(shù)據(jù)庫是指事實庫，在學習障礙診斷專家系統(tǒng)中，我們將所知的學習障礙的特殊情況或推出的事實性數(shù)據(jù)庫和知識庫中存儲的規(guī)則的IF（條件）部分相匹配。推理機通過證明規(guī)則的IF部分，然后再搜尋知識庫中的規(guī)則，也就是說，用來連接知識庫中的規(guī)則和數(shù)據(jù)庫中的事實并進行推理工作。人機接口即用戶界面，用以實現(xiàn)專家或用戶與系統(tǒng)間的信息轉(zhuǎn)換。

據(jù)此即可設計出基于產(chǎn)生式規(guī)則的學習障礙診斷專家系統(tǒng)的推理模型。這一斷模型主要由七個部分組成，可分為診斷推理系統(tǒng)和用戶接口兩大部分，其推理過程如下。

1.用戶輸入癥狀

在系統(tǒng)入口首先由用戶輸入癥狀，進入整個診斷推理程序，并作為下面診斷推理系統(tǒng)部分運行操作的起點。在兒童學習障礙診斷專家系統(tǒng)中，用戶輸入個人癥狀后，系統(tǒng)自動將把輸入的個人癥狀與專家系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫進行初步匹配。

2.系統(tǒng)詢問

系統(tǒng)在初步確立的領(lǐng)域范圍內(nèi)，根據(jù)相應的知識向用戶提問。通過詢問獲取學習障礙兒童的有關(guān)癥狀現(xiàn)象，開始癥狀的診斷推理。這里要求系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)語聲、文字、圖形或圖像的輸入。

3.模式匹配和置信度計算

在這個部分系統(tǒng)將根據(jù)提問用戶的回答，用戶的回答信息與專家系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)進行模式匹配，并根據(jù)置信度傳遞算法計算目標的置信度。

4.推理

四.兒童閱讀障礙診斷專家系統(tǒng)的開發(fā)

1.規(guī)則的形成

假設經(jīng)過產(chǎn)生式知識表示過程，形成了以下的兒童閱讀障礙診斷規(guī)則庫：

RI：IF被診斷者把“視”與“祝”弄混TRUE

THEN該用戶會搞混形近的字TRUE

R2：IF被診斷者把Q看成O TRUE

THEN她（他）學習拼音有障礙TRUE

R3：IF被診斷者寫作錯別字連篇TRUE

AND寫字經(jīng)常多一畫TRUE

THEN該患者在識字上有問題TRUE

R4：IF被診斷者寫作錯別字連篇TRUE

AND寫字經(jīng)常少一畫TRUE

THEN該患者在識字上有問題TRUE

依據(jù)匹配結(jié)果，將數(shù)據(jù)庫中匹配的內(nèi)容與規(guī)則庫進行連接與推理操作，做出結(jié)論。一次推理工作完成。若有診斷結(jié)果，則系統(tǒng)將向用戶呈現(xiàn)其所屬的學習障礙類型，并向用戶呈現(xiàn)此類學習障礙的相關(guān)信息、輔助治療方法等。若未能診斷出結(jié)果，則系統(tǒng)將轉(zhuǎn)入下一步選擇。

5.結(jié)束

若用戶選擇Y，系統(tǒng)將會返回診斷推理的第二步繼續(xù)提問用戶癥狀現(xiàn)象，繼續(xù)查找其他原因，再次進行診斷推理操作，直到兒童學習障礙確診或遍歷整個知識庫。若用戶選擇N，系統(tǒng)將進入結(jié)束程序，終止操作。

R5：IF該患者認字與記字困難重重，剛學過的字就忘記TRUE

AND經(jīng)常搞混音近的字TRUE

AND經(jīng)常顛倒字的偏旁部首TRUE

THEN該患者在識字方面有問題TRUE

R6：IF該患者朗讀時增字TRUE

AND朗讀時不按字閱讀，而是隨意按照自己的想法閱讀TRUE

AND逐字閱讀TRUE

AND書面表達自己的意思非常困難，抄寫速度慢TRUE

THEN該患者閱讀方面有問題TRUE

R7：IF該患者朗讀時減字TRUE

AND朗讀時不按字閱讀，而是隨意按照自己的想法閱讀TRUE

AND以手指協(xié)助TRUE

AND書面表達自己的意思非常困難，抄寫速度慢TRUE

THEN該患者閱讀方面有問題TRUE

R8：IF患者對于所看到

OR對于聽到的刺激僅能掌握一小部分TRUE

THEN患者在行為反應上表現(xiàn)得不集中TRUE

OR無組織TRUE

R9：IR在辨析距離、方向時顯得有困難TRUE

AND在理解時間概念時顯得有困難TRUE

AND完成讀寫作業(yè)非常容易疲勞TRUE

THEN該患者行為方面有問題TRUE

R10：IF該患者在整理自己的書本、紙張、玩具時顯得有困難，寫字時很難掌握空間距離TRUE

THEN該患者在行為上有問題TRUE

R11：IF該患者說作文可以，但寫作文過于簡單，內(nèi)容枯燥TRUE

THEN該患者閱讀方面有問題TRUE

R12：IF該患者同一時間對所有的聲音、人、事同時做反應，不懂得在同一時間對某一件事作反應TRUE

THEN該患者在行為方面有問題TRUE

2.診斷的過程

用戶登錄后并輸入個人癥狀，在這里我們假定用戶輸入的診斷信息為：易出現(xiàn)錯讀。此時，系統(tǒng)將根據(jù)此消息跳轉(zhuǎn)到閱讀障礙診斷程序。系統(tǒng)根據(jù)判斷結(jié)果跳轉(zhuǎn)到相應的診斷程序，避免了系統(tǒng)的大面積工作。

下面程序開始進行診斷推理：

（1）系統(tǒng)將提問故障現(xiàn)象。

這時系統(tǒng)將會提問用戶與閱讀障礙有關(guān)的一些問題。如：系統(tǒng)“閱讀是否有增字現(xiàn)象”；用戶“有”即為：“朗讀時增字”。接下系統(tǒng)會看數(shù)據(jù)庫中有沒有“朗讀時增字”的資料。若沒有，則系統(tǒng)將繼續(xù)提問，這里我們設為有。

（2）模式匹配和之心度計算。

系統(tǒng)用數(shù)據(jù)庫中的“朗讀時增字”與知識庫進行匹配，由前面的規(guī)則庫可知，R6的前件有朗讀時增字，則R6被觸發(fā)。

（3）推理決斷。

在這里系統(tǒng)將進行推理決斷。由R6的前提條件可知還不能診斷出用戶是閱讀障礙。

（4）診斷出癥狀？

則這時系統(tǒng)的回答是“N”。

（5）有無其他選擇

此時，若用戶回答“Y”系統(tǒng)將返回去在進行重新診斷，但若回答是“N”系統(tǒng)將結(jié)束程序。假設用戶的回答為“Y”，則系統(tǒng)將對用戶進行重新診斷。我們假定下面的診斷都是觸發(fā)了知識庫中的R6規(guī)則，在經(jīng)過一、二、三次，到第四次診斷推理之后，系統(tǒng)將用數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)“朗讀時增字、不按字閱讀、逐字閱讀、表達自己的意思非常困難”同時與知識庫進行匹配，則規(guī)則庫中的R6將被觸發(fā)，此次的診斷推理系統(tǒng)將告知用戶診斷結(jié)果“尊敬的用戶，您在閱讀方面有困難”。

至此，兒童閱讀學習障礙診斷過程結(jié)束。接下來系統(tǒng)會轉(zhuǎn)到其他程序，告知用戶閱讀障礙的相關(guān)信息和相應的治療方法。

五.結(jié)語

專家系統(tǒng)在兒童學習障礙診斷與治療領(lǐng)域的應用中，將以其強大功能和優(yōu)勢推動兒童學習障礙領(lǐng)域相關(guān)研究的進～步發(fā)展，提高學習障礙診斷治療領(lǐng)域?qū)W習障礙者的診斷推理的工作效率，使兒童學習障礙的篩選、診斷與干預工作在多種環(huán)境中得到有效開展成為可能。

編輯：小西