人工智慧的基礎-知識分類
作者：劉志強 劉偉
轉自：人機與認知實驗室
哲學園鳴謝
一、元知識的概念
元知識的定義
目前對元知識的定義，在學術界還沒有一個嚴格的概念。通常來說，元知識就是「關於知識的知識」。
元知識可用來描述一類知識或知識集合所包含的內容、基本結構和一般特徵。沒有元知識, 人們無法描述知識、使用知識和認識知識。在自動控制與人工智慧等系統領域中,一般把使用和控制該系統領域知識的知識稱為元知識。元知識不是領域知識,不能解決具體知識領域問題；而是關於各領域知識的性質、結構、功能、特點、規律、組成與使用的知識, 是管理、控制和使用領域知識的知識。
元知識是思想和意識的核心,如果沒有掌握元知識的，就不能學習和認知基本的知識，元知識對於人們認知系統的建立起著重要作用。人工智慧和深度學習領域研究各種各樣的智能系統，自主學習機制均是以模擬人腦思維活動為目的, 沒有學習元知識的能力的智能系統起碼不能算是一個智能系統。
二、知識的分類
布魯姆在學習目標分類學方面進行了開創性工作，他將學習目標分為認知、情感和動作技能三大領域。在認知領域，其認知教育目標分類學將將教育目標分為知識、領會、運用、分析、綜合、評價等六個類別。
布魯姆認知目標分類誕生幾十年來，對其修訂工作一直沒有停過。以加涅的學習結果分類理論和安德森的產生式理論以及以安德森為首的團隊進行的布魯姆認知分類修訂版最為著名。
加涅的認知學習結果分類
加涅將可能的學習結果分為五類：陳述性知識、智慧技能、認知策略、動作技能和態度，每一種分類又可以分為不同的亞類。如下圖所示：
加涅認知學習結果分類
陳述性知識是指可以用言語表達的信息，在陳述性知識是回答「是什麼」的問題。智慧技能是人們按照一定的方式方法做事的能力，它們是「怎麼做」的知識，如應用規則與原理解決確定性的問題。認知策略是指個體自主學習、記憶和思維活動的較高層次的智慧技能。
Gagne對於知識的分類
Gagne將可能的學習結果分為五種類型：陳述性知識、智慧技能、認知策略、態度和動作技能，具體的定義如表所示。其中陳述性知識分為符號記憶、事實的知識、有組織的整體知識三個小類。
Gagne定義的學習結果類型
修訂的布魯姆認知教育目標分類
最正規的修訂工作是由課程理論與教育研究專家安德森為首的一個專家小組經過5年的工作，於2001年公布的原分類學的修訂版。本文基於此種分類方式對不同類型的知識的認知過程分別進行分析，試圖找出虛擬維修訓練中元知識的認知規律依據。
布魯姆教育目標分類學修訂版的與以前最大的不同是將教育目標分成兩個維度。一個是認知過程維度，另一個是知識維度。認知過程維度仍分為6大類，但第一類的知識改為記憶，保留了理解、應用、分析和評價，增加了創造。將舊版中的知識單獨划出來作為一個新的維度。知識維度將知識分為事實性知識、概念性知識、程序性知識和元認知知識。
布魯姆認知教育目標分類修訂前後對比
以認知過程維度為橫軸、知識維度為縱坐標，就形成了如下圖所示的認知目標二維分類模型。不同的知識維度，對應不同的認知過程，由此形成了不同的學習和訓練目標以及訓練方法、訓練策略。
認知目標分類二維模型
在總結以上專家對於知識的分類方式後，這裡將最具權威的修訂布魯姆教育目標分類學作為本文的主要研究分類，並以此作為元知識的分類方式。
事實性知識
事實性知識的研究基礎
事實性知識是學習者在學習某一專業時必須掌握的基本元素，這些元素包括時間，地點，人物，事件。對應裝備虛擬維修訓練，如裝備的技術性能、基本技術參數等。事實性知識可能以獨立元素或點滴信息而存在，而被認為在本質上和其自身是有某種價值的。它又可分為術語知識、具體細節和要素知識兩個亞類。
事實性知識的一般過程
對於事實性知識，在知識呈現情景階段通過對呈現的知識考察可發現事實性知識呈現的離散性特點。在學習過程情景階段，通過對學習時交互方式的考察可以發現認知過程以被動接收為主的特點。
事實性知識的認知過程以記憶為主。
事實性知識的基本規律事實性知識有如下特點：
（1）以陳述性的知識為主。
（2）認知內容沒有認知中的高級分析加工或加工量很小，信息不存在認知困難，認知任務主要在於信息的量。
（3）認知過程是離散的。
（4）認知過程以被動的視聽接收為主
事實性知識的分類
術語知識包括特殊言語和非言語的符號（如詞、數字、標記、圖畫）。每一個專業都有其特有的標識和符號表示方式，它們是掌握這一學科的基礎。掌握一個專業的術語知識，同一個專業的人就可以快速交流，短時間內實現思想的碰撞，更有利於擦出新的火花。掌握術語知識可以方便人們快速記憶一些東西，為將來學習更加深刻的內容打下堅實基礎。
具體細節和元素知識指時間、地點、人物、事件等知識。它可能包括非常具體的信息，如在哪一時刻打開哪一個開關或按鈕，也可能有大概的信息，如事件出現的時期或大量現象出現的一般順序。與只能在一定的背景中才可知的事實相比，具體事實可以看作是獨立的和分散的元素。
概念性知識
概念性知識的研究基礎
概念性知識是指一個整體結構中各個要素之間的關係,就是這個關係表達了某一專業的知識是如何形成的，各個要素之間是如何互相影響的，以如何組成一個完整的系統。將概括的知識按照意義的方式加以概括總結，用以體現某些問題、現象的內在聯繫。概念性知識有如下三個亞類：類別與分類的知識、原理與概括的知識、理論、模式與結構的知識。
概念性知識的一般過程
概念性知識的一般過程是一個以記憶為基礎，到理解的過程。
概念性知識的基本規律
概念性知識有如下特點：
（1）以陳述性的抽象知識為主。
（2）需要對認知內容加以理解。
（3）記憶與理解相互作用形成認知。
概念性知識的分類
分類和類目的知識這個亞類包括特殊類目、類別、部分和排列。當題材（或教材）發展時，學習該材料的人發現，開發出一些類別和類目使之能將這些類別和類目用於結構化和系統化的現象，是很有好處的。同術語和具體事實相比，這類知識是比較一般的和抽象的。
分類或類目的知識是發展某一個學術性學科的重要方面。信息適當分類和經驗進人適當類目乃是學習和發展的經典指標。而且新近關於概念變化和理解的研究表明，信息的錯誤分類進人不適當類目可以限制學生的學習。
如同前述，原理和概括是由分類和類目構成的。這個亞類抽象的概括出人們見到的各種現象，並且將這些現象抽象成知識。這些抽象知識對於描述某種現象，解釋這種現象出現的原因，預測事件的發展趨勢，並根據預測結果採取相應的行動具有重大的價值。
原理和概括知識，就是從大量的事實和事件中，抽象和概括出這些事實的核心，並且分析這些核心的內在聯繫和之間的相互作用，以及如何構成整個事實或事件的整體。
理論、模型和結構的知識包括原理、概括及其組合成相互聯繫的知識，這個亞類側重於將原理和概括以某種方式相聯繫，從而形成理論、模型或結構。
學科具有不同研究範式和認識論，學生應該知道從概念上加工和組織教材的不同方式和在該教材中的研究領域。
程序性知識
程序性知識的研究基礎
程序性知識是「如何做事的知識」，如何思考及如何解決問題，在遇到問題時，不僅要想到如何去解決問題，同時也要知道在什麼樣的場景下，使用什麼樣的方式去解決什麼樣的問題。程序性知識有三個亞類：具體學科技能和演算法的知識、具體學科技巧和方法的知識、確定何時運用適當程序的知識。
程序性知識的一般過程
程序性知識不僅包括了基本的由記憶到理解的一般認知過程，還包括了理解之後的應用和分析。
程序性知識的基本規律
程序性知識有如下特點：
1、認知內容綜合性強，需要經過高級分析加工進行理解。
2、對情景依賴性高，認知任務主要在於正確把握當前情景並做出合理判斷。
3、認知過程是一個交互的過程，需要主動參與，是一個不斷反覆的過程。
4、認知過程是一個連續的整體、實時性要求高。
程序性知識的分類
如上所述，程序性知識可以表達為一系列步驟，在總體上是我們所知的程序有時這些步驟的順序是不變的；有時需做出決策，決定先做什麼，然後在做什麼。相似地，有時其結果是固定的（只有單一預定的答案），有時答案不定。
與通常最終導致固定結果的具體技能和演算法不同，有些程序並不導致預先決定的單一解答或答案。例如我們以某種先後有序的方式遵循一般科學方法去設計某一研究，但實驗設計的結果依據大景的因素可能會有很大差異。程序性知識的這一亞類與上個個亞類相比，其結果是較為開放的和不固定的。
具體學科的技術和方法的知識主要是意見一致的結果或學科規範，而不是更為直接來自觀察、試驗或發現的知識。決定何時運用適當程序的標準的知識是指除了知道與專門課題有關的程序外，也希望人們知道何時運用它們，後者涉及過去運用它們的方式。這些知識幾乎是歷史的或百科全書式的。
這一亞類更多的涉及到人們對於當前情況的情景認知能力，首先要對當前的所處的狀態做一個判斷，然後將判斷所得到的信息與已知的相關程序性知識做匹配，最後做出選擇，決定在什麼樣的時間和空間，以及各種複雜條件下，適用什麼樣的程序,最後通過對人們用定律解決問題的能力進行評定。
元認知知識
元認知知識的研究基礎
元認知知識一般指關於認知的知識，也指個體對於自身情況的是否有足夠的了解，並且能夠做出正確的判斷，包括了解自己認知活動中的優勢與不足，以及採用什麼樣的一般策略去發現必要的信息。元認知知識有如下三個亞類：策略知識、關於認知任務的知識、自我知識。
元認知知識的一般過程
元認知知識的認知過程是在事實性知識、概念性知識、程序性知識的基礎上，逐漸遞進的過程。由最初事實性知識的記憶，到概念性知識的理解，程序性知識的應用、分析，元認知知識在這個基礎上，增加了評價和創造的過程。
元認知知識的基本規律
元認知知識有如下特點：
1、認知難度大，要求高。
2、認知的形成可以作用於設計階段以改善學習訓練效果。
元認知知識的分類
策略性知識是有關學習、思考和解決問題的一般策略的知識。這個亞類中的策略可以跨不同的任務和教材運用，而不僅僅對某一學科領域中某種任務最有用，如用於解二次方程式和歐姆定律。
除了各種策略的知識之外，個人還積累了有關認知任務的知識。在傳統元認知知識區分中，弗拉維爾把下列知識納人元認知知識：不同認知任務可能有難度較大的，也有比較簡單的，根據難度的不同，可能需要不同策略。回憶任務需要個體積極搜尋和提取適當信息，而再認任務只需要個體在幾種選擇中做出決定和選擇正確的或最適當的答案。
自我知識
弗拉維爾提出，除不同策略和認知任務的知識之外,自我知識也是一種重要的元認知知識。專家的一個標誌是他們對自己不知道的東西很清晰，所以他們具有發現所需要的和適當的信息的一般策略。個人對自我知識深度和廣度的意識是自我知識的一個非常重要的方面。他們對自己的實際知識和能力沒有誇大和虛假的印象，他們知道自己知道什麼和不知道什麼。
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