基于網絡的智能輔導系統的設計與實現

摘要：介紹了基于網絡的智能輔導系統的設計與實現。智能輔導就是將存在計算機中有關初中理科的顯式知識和高水平教師大腦中的隱性知識轉移給學生的過程。基于網絡的智能輔導系統由五個子系統組成，提供網絡在線實時運行模式。系統試驗服務結果表明，系統提供的智能輔導能夠很好地解答學生的問題，且在成功率、正確率和響應時間等方面能夠滿足學生要求。

關鍵詞：知識推理; 智能輔導; 知識服務; 初中理科

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A

文章編號：1001－3695(2008)01－0220－03

隨著知識經濟時代的到來和網絡信息技術的發展，用戶對知識信息的需求轉向個性化、集成化和專門化，且具有要求便捷、快速和有效的特點。因此，提供高效便捷的知識服務成為知識社會一個重要的戰略任務。網絡知識服務就是在網絡環境下，以知識信息的搜索、組織、分析、重組的知識能力為基礎，根據用戶的問題和環境，融入用戶解決問題的過程之中，提供能夠有效支持知識應用和知識創新的服務，它是從各種顯性和隱性信息資源中，針對人們的需要將知識提煉出來的過程。它是以資源建設為基礎的高級階段的信息服務。網絡環境下，在知識處理、挖掘、過濾、檢索、推送等技術以及其他信息技術的研究和應用都比較成熟的條件下，把知識服務通過知識服務系統，實行比較科學并行之有效的服務模式，是實現網絡知識服務的有效手段。

1知識服務的特點

知識服務是指從各種顯性和隱性知識資源中，針對人們的需要將知識提煉出來的過程，并有針對性地解決用戶問題的高級階段的信息服務。知識服務明確提出了現代信息服務業的任務和目標，成為當今知識信息資源共享模式設計的核心指導思想。其特點和優勢在于:

a)知識服務是用戶目標驅動的服務。

它關注的焦點不僅是向用戶提供所需的信息，還解決用戶所面臨的問題。衡量其服務的標準不是“我是否給用戶提供了需要的信息”，而是“是否通過服務解決了用戶的問題”。 

b)知識服務是面向內容的服務。

它非常重視用戶問題和問題環境，并據以進行系統分析，通過信息的吸取和重組來形成易于理解和便于工作的、符合用戶需求的知識產品，同時對其質量進行評價。它是站在用戶的角度，為用戶量身定做滿足信息需求的知識，也就是為用戶提出提供解決問題的方案。

c)知識服務是一項增值性的服務。

知識服務中知識的價值體現在符合用戶需要，滿足用戶的信息需求，所以其服務的價值在于利用這些知識幫助用戶實現知識創新。在解決實際問題過程中必然會調動各種資源，采用多種技術工具，使服務所提供的知識成為一種新的創造，而非知識的簡單堆砌，使得服務本身產生價值。

d)知識服務是利用智能化手段挖掘數據蘊藏于顯性信息中的隱性知識。

知識服務可以采用智能化手段挖掘蘊藏于大量顯性信息中的隱性知識。開展知識服務還可以面向特定類型的機構和群體。針對其具體用途，系統地采集機構中不同人員所需要的各種層次和范圍的知識信息，開發個性化知識庫，并可集成為更大的專業知識倉庫。

2基于網絡的智能輔導系統的需求分析和設計思想

2．1系統需求分析

調查顯示：中學生在課后的學習中經常會遇到問題；家長因水平限制、工作忙等原因常無力輔導；教師只能夠在學校對學生進行輔導，沒有時間也不可能給每個學生提供一對一的輔導。在實際中，高水平教師做家教的很少，而大學生做家教的水平又參差不齊，某些地區甚至連學生家教也請不到。因而可以說高水平的家教是目前市場經濟中少有的短缺商品。

隨著計算機和網絡技術在各行各業的廣泛應用，在教育領域也取得了許多成果。其中常用的有題庫、網校、多媒體教學等。網校和多媒體教學是對課堂教學知識點的課后重復再現，題庫的作用與一般習題集及其解答的作用相同。從實際作用看，課堂教學課后重復再現的水平已達到高級教師水平，而課后輔導的水平還達不到一般家教的水平；從技術看，這些新的教學與輔導方式采用的是數據庫、多媒體和網絡技術，實現的是信息的存儲與查找，無法實現對學生提出問題的即時輔導功能。總之，現有技術通過信息的存儲與查找較好地解決了高水平教師的教學再現問題，對于學生的學習問題卻沒有較好的信息化解決。

基于學生的這種需求，開發了基于網絡的智能輔導系統，可以通過網絡給學生提供價格低廉且專家級的輔導，不僅可以提高學生的學習質量，也可以大大減輕家長的輔導負擔。這正是大多數望子成龍的父母夢寐以求的。

2．2系統設計思想

初中理科知識有顯性知識和隱性知識。顯性知識指的是一個巨大的知識庫，存放的是初中理科的概念、定理、性質等知識；隱性知識是指存在人們大腦中知識，即通過對顯示知識的靈活運用，解決學生學習過程遇到的種種問題。

知識服務是將知識從一個實體轉移到另一個實體的過程。輔導知識服務就是將存在計算機中有關初中理科的顯性知識和高水平教師大腦中的隱性知識轉移給學生的過程。顯性知識轉移可以利用專家系統的原理來實現。初中理科知識的表示可以采用語義網絡、框架、規則、面向對象等。初中理科知識的獲取和表示的過程就是知識顯式化的過程，其表現形式是知識庫。輔導知識服務就是將知識庫中知識轉移給學生用戶，其方法是在知識庫與用戶之間增加一個推理機，用戶將問題交給推理機，推理機利用知識庫中的知識進行推理并將結論交給用戶。

初中理科隱性知識的轉移比較復雜，往往需要通過學習、交流、討論等過程實現知識的轉移，但究其本質是人與人的主動交流，是需要某種知識的人與能夠提供這種知識的人之間的交流。基于網絡的隱性知識服務就是利用網絡將需要知識的人和能夠提供這種知識的推理系統連接起來實現知識的轉移。

因此，基于網絡的智能輔導系統就是通過網絡實現初中理科顯性知識和隱性知識的知識服務。為了實現這個目標，筆者采用三個層次的知識轉移方法來滿足初中理科顯性知識和隱性知識的知識服務要求：

a)通過智能解題專家系統解答學生的問題，給出問題的詳細解答過程，能夠很好地解決學生提交的問題；

b)通過智能輔導專家系統針對學生的問題進行分析，找出問題的重點和難點，給出逐步提示，引導學生獨立解決問題；

c)通過對學生提出問題的總結，采用數據挖掘技術，找出學生在該階段學習中存在的問題，總結學生在這些具體知識點的欠缺，并制訂相應的學習建議幫助其提高成績。

2．3系統運行模式

基于網絡的智能輔導系統是將智能自動輔導系統連接到因特網上，采用網絡增值服務模式運行。系統的運行模式如圖1所示。

用戶的操作流程如下：

a)用戶將連接到網絡上的個人計算機安裝智能自動解題系統的客戶端，將自己需要輔導的問題發給網絡智能自動輔導系統的服務器；

b)服務器通過對問題的來源和問題的種類進行記錄和分組，將問題轉發送給系統目前的系統解題機；

c)系統解題機應用安裝在它上面的自動解題輔導軟件對問題進行解答，解答完成后將解答結果發送給系統服務器；

d)服務器對解答結果進行匯總和分析，采用歸納和數據挖掘的方法，找出學生學習中存在的問題，并根據先前記錄的用戶信息提示用戶可以接收問題結果；

e)用戶從服務器上將解答結果接收到個人計算機上，就可以查看問題解答的相關信息。

通過為用戶提供問題解答的知識服務，可以向用戶收取一定的服務費用，實現了新型網絡知識服務的價值，從而達到增值服務的目的。

3系統構成及各部分的功能

系統由智能自動解題系統客戶端、系統服務器、基于領域的自然語言理解系統、智能自動解題系統、學生問題分析與匯總系統五個子系統組成。系統構成框圖如圖2所示。從圖中還可以看出學生問題流的流向和問題解答流的流向。

3．1智能自動解題系統客戶端

它是安裝在用戶個人微機上的問題發送和解答結果接收軟件。用戶可以免費從系統的網站上下載。通過它，用戶可以將自己學習中遇到的問題發送給智能自動解題系統，經過系統解答后，通過它將解答結果發送回來，用于輔導自己的學習。

3．2系統服務器

將用戶的問題信息收集起來，同時尋找一臺空閑的裝有智能自動解題系統的計算機，將問題分配給其解答。在解題機解完題后，將解答結果進行信息記錄匯總，然后將解答結果存儲，等待用戶接收。

3．3基于領域的自然語言理解系統

該系統將用戶發送過來的以自然語言形式表示的用戶問題，進行語句規整化和語義理解，轉換為系統能夠識別和處理的格式，是用戶和后臺智能解題系統的接口與通道。

3．4智能自動解題系統

該系統是由初中代數、初中幾何、初中物理、初中化學等解題系統組成。這些系統能夠針對用戶提出的問題進行解答，對問題一般能夠給出逐步提示、一題多解、重點難點分析和詳細解答等輔導內容。

3．5學生問題匯總與分析系統

該系統通過對學生提交的問題進行匯總和分析，采用歸納和數據挖掘的方法，找出學生學習中存在的問題，將問題反饋給學生，用于指導學生學習。

4基于網絡的智能輔導系統的主要技術與功能

基于網絡的智能輔導系統是綜合應用人工智能的基于知識推理、網絡、數據庫等技術而開發的軟件產品，能夠自動理解并自動解答學生提出的問題，具有完全符合學生思維習慣、使用方便、輔導水平高且速度快的特點，能夠替代人工家教給學生進行高水平、即時輔導，滿足學生的輔導需求。

本系統的核心技術是基于知識推理。它涉及知識表示、知識獲取和自動推理等技術。系統實現的主要技術包括：

a)基于領域的自然語言理解技術，實現學生問題自動理解；

b)在問題自動理解的基礎上，實現問題的自動分類；

c)研究并實現初中代數自動解題與自動證明系統；

d)研究并實現初中平面幾何自動解題與自動證明系統；

e)研究并實現初中理科應用題的問題自動理解與自動建模技術；

f)采用Java語言實現符合學生操作習慣且不限操作平臺的用戶界面；

g)綜合應用人工智能的基于知識推理、網絡、數據庫等技術，采用Java語言實現用戶與服務器、服務器與解題機（裝有問題自動理解和自動解題與證明軟件的計算機）的網絡通信，實現用戶數據的接收、記錄、分配和發送；

h)針對輔導領域，實現一種基于網絡的新型的知識服務運行環境。

本系統針對學生提出的理科問題，采用基于知識的推理技術能自動提供以下輔導信息：

a)逐步提示。對于較難的題目會給出逐步提示，引導學生思考。

b)一題多解。對于部分題目，系統能夠給出多種解答。這樣可以開拓學生的學習思路。

c)解題后的難點與重點分析，使學生加深印象。

d) 詳細解答。本系統可以對學生提出的問題給出詳細的解答。

e) 學習問題匯總，試題反饋功能。本系統能夠在學生期中、期末考試前將學生經常提出的問題匯總，便于學生復習，并自動生成一些相應試題反饋給學生，以鍛煉學生舉一反三的能力。

f)為了防止學生上網抄襲答案，本系統特設詳細解答和查看其他功能的兩套密碼。查看詳細解答的密碼家長自己掌握。

5系統的主要特點

基于網絡的智能輔導系統針對相對成熟的、以客觀知識為主的領域，提出了一種基于網絡的新型知識服務模式。系統的主要特點如下：

a)知識化。以領域內的知識和基于知識的推理結果為服務的基本內容。從淺層信息加工處理向深層加工處理轉換， 從獲取信息和提供信息產品向解決問題和提供知識產品轉換。通過對中學生理科知識的總結，使系統具備全面且系統的領域知識，采用基于知識的推理技術，實現對用戶的服務。

b)智能化。系統采用專家系統和知識工程的思想建立，用先進知識推理技術和智能技術實現知識服務各個流程。尤其是內容加工和開發的智能化，能夠對用戶提出的大部分初中理科問題自動提供即時的專業輔導；再結合少許高水平的專業人員，能夠對用戶提出的所有初中理科問題提供專業的解答。

c)共享化。通過網絡，能夠對全國各地乃至全球用戶同時提供快捷高效的中學理科知識服務，使各地的用戶能夠共享知識服務。

d)保密化。采用服務器和智能解題機分離機制，知識處理模塊在服務器后臺運行，使系統的核心技術容易受到保護，有利于保護知識產權。

e)個性化。按用戶需求提供定制服務，針對具體用戶的不同具體需求提供有針對性和連續性的知識服務。為保證用戶使用過程的跟蹤和全面信息服務，開發信息服務系統的個人化處理功能。根據用戶知識和使用情況分析，實現了基于知識的差異性服務。

f)增值化。在一個全新的領域實現了一種全新的增值服務模式。通過為用戶提供知識服務，收取一定的服務費用，實現了新型網絡知識服務的價值，從而達到增值服務效果，為企業生存和系統完善提供資金支持。

6結束語

本文通過對基于網絡的智能輔導系統的介紹，使讀者了解了系統實現及其系統服務模式。目前網絡智能自動輔導系統已開始試驗服務。其中：初中代數的解題成功率在98％以上，解題正確率為100％，解題時間約30 s；平面幾何的解題成功率在90％以上，解題正確率為100％，解題時間約90 s；初中物理和化學模塊也正在完善中。通過對用戶意見反饋的收集，以及對系統運行出現問題的修正，系統將日益完善。

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