教学答疑专家系统的设计

教学答疑专家系统的设计

作者：杨晓霞

来源：《广西教育·C版》2010年第05期

【摘要】本文对教学答疑专家系统的涵义和组成以及功能进行了分析，并从结构设计、工作过程设计及系统实现三方面对教学答疑专家系统的设计进行了探讨。 【关键词】教学 答疑 专家系统设计

目前多媒体教学在各大中专院校已经广泛展开，受到了广大教师和学生的普遍欢迎，但多媒体教学也带来了新的问题，即学生课堂消化吸收的知识有限，要全面掌握所学知识必须课后复习巩固，也就需要教师进行辅导答疑。为解决这一问题，国内许多高校已经采用了网上辅助教学系统。目前，网上辅助教学系统中的答疑系统主要存在两种形式，一种是通过网上对话进行答疑。这种形式的不足在于教师时间有限，当教师不在时，学生的问题无法得到解答。另一种是问题与答案一对一的单一数据库。这种形式的不足在于学生对同一问题的提问方式千变万化，与数据库中的题干完全对应的难度较大。而本文设计的教学答疑专家系统则可针对上述问题，整理专家的经验知识，通过关键词概率分析，搜索可能的问题及答案并显示给学生。与其他网上辅助教学系统相比，该系统实现了自动推理答疑。

一、教学答疑专家系统的涵义、组成和功能

(一)教学答疑专家系统的涵义

专家系统(Es)是人工智能(AI)应用研究最活跃和最广泛的课题之一，自从1965年第一个专家系统DENDRAL在美国斯坦福大学问世，经过20年的研究开发，到20世纪80年代中期，各种专家系统已遍布各个专业领域，取得很大的成功。目前，专家系统得到了更为广泛的应用，并在应用开发中得到进一步发展。

专家系统是一个(或一组)能在某特定领域内，以专家水平解决领域中困难问题的计算机程序。其内部具有大量某个领域的专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来解决该领域的问题。而教学答疑专家系统是一种借助人工智能技术并具有大量专门知识与经验的程序系统，同时也，是让计算机扮演教师的角色实施个别化教学，向不同需求、不同特征的学习者传授知识、提供指导的适应性教学系统。它根据教学领域中一个或者多个人类

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

专家提供的知识和经验进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以解决一类需要专家来解决的复杂问题：

(二)教学答疑专家系统的组成

一个结构完整的教学答疑专家系统通常由以下六部分组成：

一是知识库。用以库存领域专家提供的专门知识，并把获取的知识进行形式化表达。如规划表示、框架表示、逻辑表示和语义网络表示等。

二是推理机。在一定的控制策略下，识别和选取知识库中对当前问题的可用知识进行推理，也就是搜索寻找所需要的解。推理机的控制策略通常有数据驱动的向前推理和目标驱动的向后推理方式，及两者混合型的推理方式。推理的组织方式有：循环逼近、聚焦结构、深表层结构、黑板结构、神经网络推理和不精确推理。

三是知识获取。教学答疑专家系统自动获取知识的能力，称为学习，即指系统通过一定方式把领域知识转化为自己知识库中的知识的机制。

四是解释器。用于回答用户对系统的提问，对系统的求解、作出结论的过程和系统当前状态提供解释、说明。它不仅能说服用户相信系统的推理，也能帮助用户改进知识库。 五是界面。将设计者的输入信息转换成系统可以理解的内部形式，同时把系统的输出信息转换为用户能理解的表达形式。

六是知识库管理系统。该系统主要用于对输入的知识进行语法检查，检查所输入知识与已有知识的一致性；或是提供对知识的检索，其静态检索功能类似于数据库的功能，而动态检索功能则能把推理过程中使用知识的情况显示出来。 (三)教学答疑专家系统的功能

教学答疑专家系统的基本功能取决于它所包含的知识，因此，教学答疑专家系统也可称为基于知识的系统。它通常具有以下功能：

一是实现教育教学的功能。它如同一位知识渊博的教师，不仅能帮助学生学习，还能对学生在课堂教学或自学中产生的问题一一进行答疑。

二是改进教师教学的功能。它改变传统的教师和学生在课堂上面对面教学的模式，采用异步交互教学方式，教与学均不受时间、空间的，利于自主学习。

三是促进学生学习的功能。主要体现在激励学生自我学习、帮助学生充分利用课余时间和促进学生课后复习几方面。

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

四是自学习功能。它能根据知识库中已有的知识和用户对系统的提问动态应答进行推理以获得新知识，总结新经验，从而不断扩充知识库，这即所谓自学习新型机制。

二、教学答疑专家系统的设计

(一)教学答疑专家系统的结构设计

教学答疑专家系统也是一种计算机应用系统，因而其开发过程也要遵循软件工程的步骤和原则。但又由于它是专家系统，而不是一般的软件系统，因而又有其独特的地方。教学答疑专家系统将专家系统开发过程和软件开发过程的特点结合起来，主要分为总体分析、总体设计、知识获取、编码与测试四部分，以下主要分析前三部分。

1，系统总体分析与设计。教学答疑专家系统包含智能推理的过程，学生的工作仅是输入问题，系统通过自身的推理机制，演化为自己能够理解的方式，再将合理的答案输出。教学答疑专家系统必须既使学生与教师之间可以实时地进行问题解答，同时又能在没有教师的情况下，由系统自动解答问题，并且保证系统具有可扩充性。该系统的数据流程如下图所示：

2，系统知识的获取。知识获取是建设教学答疑专家系统的关键一步，此处采用人工整理专家知识的方法获取专家知识，将课程中可能出现的问题按章给出，由专家给出相应的标准答案，并分析给出该问题的关键词以及出现该关键词的概率，然后将知识存入知识库中。教学答疑专家系统中的知识库主要由三张表组成，即存放问题知识的数据库表QUESTION、存放问题与关键词匹配知识的数据库表QUESTION KEY-WORD和关键词知识数据库表KEY-WORD，各表的数据库字段卣专家录入相应的知识。 (二)教学答疑专家系统的工作过程设计

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

存放问题知识的数据库表中的字段“QUESTION”是问题编号，“ANSWER”是问题对应的答案，“PROBILITY”表示是该问题的概率；存放问题与关键词匹配知识的数据库表QUESTION KEY-WORD中的“KEYWORD”表示问题中包含的关键词，“PROBILITY”表示该问题与该关键词匹配的概率。在建设知识库的过程中，由专家为QUESTION KEY-WORD表中的“PROBILITY”赋一个数值。在系统启动后，自动将QUESTION表中的“PROBILITY”置为“O”，将STATUS的项全置为“N”。用户输入问题，按下“输出问题”按钮后，推理机的工作过程如下图所示：

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

最终，根据QUESTION表中概率大小进行排序，输出可能的问题列表，点击选中问题即可显示问题的答案。对于同一个知识点，不同的学生表述的问题可能不完全相同，但只要所表述的问题含有相应的关键词，即可得到基本相同的答案。

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

(三)系统的实现

教学答疑专家系统是采用B／S结构模式进行开发和设计的，具有以下特点：

一是服务器端配置要求较高。服务器包括Web服务器和数据库服务器，Web服务器要提供大量的信息服务；数据库服务器不仅要存储所有的媒体数据，还要提供对数据库操作的响应，因而服务器端不管是软件配置还是硬件配置都有较高的要求。当然，Web服务器与数据库服务器可以在同一台机器上，也可以在不同的机器上。

二是用户端配置要求较低。用户端只要安装Web浏览器，即可运行课件，而无需在用户端再安装课件系统，这就大大降低了用户端的配置要求，且决定了课件的通用性及与平台无关性。

三是以数据库作为数据存储的核心。数据库中可存放大量的多媒体数据，且数据库系统支持并发操作，适应网络应用的特点；同时对数据库的操作具有统一的格式，利于在结构不变的情况下进行二次开发。

因此，教学答疑专家系统是用VB6.0开发的，因为VBSCPdPT容易掌握，开发速度较快；服务器端的脚本执行环境为ASP；由于数据量不大，因而数据库采用ACCESS2000。

三、教学答疑专家系统的现实意义