教學答疑專家系統的設計

【摘要】本文對教學答疑專家系統的涵義和組成以及功能進行了分析，并從結構設計、工作過程設計及系統實現三方面對教學答疑專家系統的設計進行了探討。

【關鍵詞】教學 答疑 專家系統設計

目前多媒體教學在各大中專院校已經廣泛展開，受到了廣大教師和學生的普遍歡迎，但多媒體教學也帶來了新的問題，即學生課堂消化吸收的知識有限，要全面掌握所學知識必須課后復習鞏固，也就需要教師進行輔導答疑。為解決這一問題，國內許多高校已經采用了網上輔助教學系統。目前，網上輔助教學系統中的答疑系統主要存在兩種形式，一種是通過網上對話進行答疑。這種形式的不足在于教師時間有限，當教師不在時，學生的問題無法得到解答。另一種是問題與答案一對一的單一數據庫。這種形式的不足在于學生對同一問題的提問方式千變萬化，與數據庫中的題干完全對應的難度較大。而本文設計的教學答疑專家系統則可針對上述問題，整理專家的經驗知識，通過關鍵詞概率分析，搜索可能的問題及答案并顯示給學生。與其他網上輔助教學系統相比，該系統實現了自動推理答疑。

一、教學答疑專家系統的涵義、組成和功能

(一)教學答疑專家系統的涵義

專家系統(Es)是人工智能(AI)應用研究最活躍和最廣泛的課題之一，自從1965年第一個專家系統DENDRAL在美國斯坦福大學問世，經過20年的研究開發，到20世紀80年代中期，各種專家系統已遍布各個專業領域，取得很大的成功。目前，專家系統得到了更為廣泛的應用，并在應用開發中得到進一步發展。

專家系統是一個(或一組)能在某特定領域內，以專家水平解決領域中困難問題的計算機程序。其內部具有大量某個領域的專家水平的知識與經驗，能夠利用人類專家的知識和解決問題的方法來解決該領域的問題。而教學答疑專家系統是一種借助人工智能技術并具有大量專門知識與經驗的程序系統，同時也，是讓計算機扮演教師的角色實施個別化教學，向不同需求、不同特征的學習者傳授知識、提供指導的適應性教學系統。它根據教學領域中一個或者多個人類專家提供的知識和經驗進行推理和判斷，模擬人類專家的決策過程，以解決一類需要專家來解決的復雜問題：

(二)教學答疑專家系統的組成

一個結構完整的教學答疑專家系統通常由以下六部分組成：

一是知識庫。用以庫存領域專家提供的專門知識，并把獲取的知識進行形式化表達。如規劃表示、框架表示、邏輯表示和語義網絡表示等。

二是推理機。在一定的控制策略下，識別和選取知識庫中對當前問題的可用知識進行推理，也就是搜索尋找所需要的解。推理機的控制策略通常有數據驅動的向前推理和目標驅動的向后推理方式，及兩者混合型的推理方式。推理的組織方式有：循環逼近、聚焦結構、深表層結構、黑板結構、神經網絡推理和不精確推理。

三是知識獲取。教學答疑專家系統自動獲取知識的能力，稱為學習，即指系統通過一定方式把領域知識轉化為自己知識庫中的知識的機制。

四是解釋器。用于回答用戶對系統的提問，對系統的求解、作出結論的過程和系統當前狀態提供解釋、說明。它不僅能說服用戶相信系統的推理，也能幫助用戶改進知識庫。

五是界面。將設計者的輸入信息轉換成系統可以理解的內部形式，同時把系統的輸出信息轉換為用戶能理解的表達形式。

六是知識庫管理系統。該系統主要用于對輸入的知識進行語法檢查，檢查所輸入知識與已有知識的一致性；或是提供對知識的檢索，其靜態檢索功能類似于數據庫的功能，而動態檢索功能則能把推理過程中使用知識的情況顯示出來。

(三)教學答疑專家系統的功能

教學答疑專家系統的基本功能取決于它所包含的知識，因此，教學答疑專家系統也可稱為基于知識的系統。它通常具有以下功能：

一是實現教育教學的功能。它如同一位知識淵博的教師，不僅能幫助學生學習，還能對學生在課堂教學或自學中產生的問題一一進行答疑。

二是改進教師教學的功能。它改變傳統的教師和學生在課堂上面對面教學的模式，采用異步交互教學方式，教與學均不受時間、空間的限制，利于自主學習。

三是促進學生學習的功能。主要體現在激勵學生自我學習、幫助學生充分利用課余時間和促進學生課后復習幾方面。

四是自學習功能。它能根據知識庫中已有的知識和用戶對系統的提問動態應答進行推理以獲得新知識，總結新經驗，從而不斷擴充知識庫，這即所謂自學習新型機制。

二、教學答疑專家系統的設計

(一)教學答疑專家系統的結構設計

教學答疑專家系統也是一種計算機應用系統，因而其開發過程也要遵循軟件工程的步驟和原則。但又由于它是專家系統，而不是一般的軟件系統，因而又有其獨特的地方。教學答疑專家系統將專家系統開發過程和軟件開發過程的特點結合起來，主要分為總體分析、總體設計、知識獲取、編碼與測試四部分，以下主要分析前三部分。

1，系統總體分析與設計。教學答疑專家系統包含智能推理的過程，學生的工作僅是輸入問題，系統通過自身的推理機制，演化為自己能夠理解的方式，再將合理的答案輸出。教學答疑專家系統必須既使學生與教師之間可以實時地進行問題解答，同時又能在沒有教師的情況下，由系統自動解答問題，并且保證系統具有可擴充性。該系統的數據流程如下圖所示：

2，系統知識的獲取。知識獲取是建設教學答疑專家系統的關鍵一步，此處采用人工整理專家知識的方法獲取專家知識，將課程中可能出現的問題按章給出，由專家給出相應的標準答案，并分析給出該問題的關鍵詞以及出現該關鍵詞的概率，然后將知識存入知識庫中。教學答疑專家系統中的知識庫主要由三張表組成，即存放問題知識的數據庫表QUESTION、存放問題與關鍵詞匹配知識的數據庫表QUESTION KEY-WORD和關鍵詞知識數據庫表KEY-WORD，各表的數據庫字段卣專家錄入相應的知識。

(二)教學答疑專家系統的工作過程設計

存放問題知識的數據庫表中的字段“QUESTION”是問題編號，“ANSWER”是問題對應的答案，“PROBILITY”表示是該問題的概率；存放問題與關鍵詞匹配知識的數據庫表QUESTION KEY-WORD中的“KEYWORD”表示問題中包含的關鍵詞，“PROBILITY”表示該問題與該關鍵詞匹配的概率。在建設知識庫的過程中，由專家為QUESTION KEY-WORD表中的“PROBILITY”賦一個數值。在系統啟動后，自動將QUESTION表中的“PROBILITY”置為“O”，將STATUS的項全置為“N”。用戶輸入問題，按下“輸出問題”按鈕后，推理機的工作過程如下圖所示：

最終，根據QUESTION表中概率大小進行排序，輸出可能的問題列表，點擊選中問題即可顯示問題的答案。對于同一個知識點，不同的學生表述的問題可能不完全相同，但只要所表述的問題含有相應的關鍵詞，即可得到基本相同的答案。

(三)系統的實現

教學答疑專家系統是采用B／S結構模式進行開發和設計的，具有以下特點：

一是服務器端配置要求較高。服務器包括Web服務器和數據庫服務器，Web服務器要提供大量的信息服務；數據庫服務器不僅要存儲所有的媒體數據，還要提供對數據庫操作的響應，因而服務器端不管是軟件配置還是硬件配置都有較高的要求。當然，Web服務器與數據庫服務器可以在同一臺機器上，也可以在不同的機器上。

二是用戶端配置要求較低。用戶端只要安裝Web瀏覽器，即可運行課件，而無需在用戶端再安裝課件系統，這就大大降低了用戶端的配置要求，且決定了課件的通用性及與平臺無關性。

三是以數據庫作為數據存儲的核心。數據庫中可存放大量的多媒體數據，且數據庫系統支持并發操作，適應網絡應用的特點；同時對數據庫的操作具有統一的格式，利于在結構不變的情況下進行二次開發。

因此，教學答疑專家系統是用VB6.0開發的，因為VBSCPdPT容易掌握，開發速度較快；服務器端的腳本執行環境為ASP；由于數據量不大，因而數據庫采用ACCESS2000。

三、教學答疑專家系統的現實意義

教學答疑專家系統的開發具有明顯的現實意義：能及時有效地利用專家知識和經驗，為學生提供較準確的答案，可解決教師因個人知識有限而無法提供準確答案的困難，易于普及課程知識；可避免教師重復回答，使教師能夠集中精力從事新的創新研究。教學答疑專家系統的開發是一個長期的過程，是系統不斷修改、不斷完善的進化過程，因為知識獲取是一項長期而艱苦的工作，而知識庫的內容又需要隨著科技的發展而不斷進行更新和補充。可以展望，將來的教學答疑專家系統應具有先進的智能人機接口，能夠理解自然語言，實現語聲、文字’、圖形和圖像的直接輸入輸出。而自動排錯和自我完善功能是教學答疑專家系統的又一個追求的目標。有了這種功能后，系統就會隨著時間的推移通過反復的運行不斷地修正錯誤，不斷完善自身，并使知識越來越豐富。