中學(xué)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室智能診斷平臺(tái)知識(shí)表示研究

齊悅含

摘 要:為了能夠讓中學(xué)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的診斷功能更好的得到應(yīng)用,本文給出了一種智能診斷的有限自動(dòng)機(jī)的模型。首先,從實(shí)驗(yàn)操作完整性的角度給出了實(shí)驗(yàn)知識(shí)庫的整體結(jié)構(gòu)圖。然后,根據(jù)實(shí)驗(yàn)的操作過程,分別給出了實(shí)驗(yàn)藥品選擇、實(shí)驗(yàn)儀器選擇、實(shí)驗(yàn)操作步驟幾方面的診斷規(guī)則及對(duì)應(yīng)的有限自動(dòng)機(jī)模型。最后搭建了統(tǒng)一模型,并給出有實(shí)際化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程的有限自動(dòng)機(jī)模型。為進(jìn)一步通用中學(xué)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)智能診斷平臺(tái)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:虛擬實(shí)驗(yàn)知識(shí)表示智能診斷有限自動(dòng)機(jī)

中圖分類號(hào):TP302.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:Ａ 文章編號(hào):1674-098X(2012)07(c)-0013-04

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的重要途徑,是學(xué)校教學(xué)的重要輔助手段,是學(xué)生真正理解理論知識(shí),并將其運(yùn)用于實(shí)踐的重要保證,是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的主要源泉,更是培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生思維能力和創(chuàng)新能力的重要方法和手段。但是面臨著學(xué)校招生人數(shù)增多,相對(duì)試驗(yàn)儀器少,已有的部分實(shí)驗(yàn)儀器破損嚴(yán)重或落后,與試驗(yàn)操作脫軌,試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)不足,試驗(yàn)的時(shí)間受限,教學(xué)形式單一,試驗(yàn)中存在大量危險(xiǎn)等各種因素的影響,目前試驗(yàn)教學(xué)不能得以很好的展開,制約著學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng),改變傳統(tǒng)的試驗(yàn)教學(xué)模式已迫在眉睫,采用計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建的各種虛擬實(shí)驗(yàn)室,為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一種新的解決方法。“虛擬試驗(yàn)”定義是指利用分散的信息和通信技術(shù)在科研及其他創(chuàng)新性活動(dòng)中進(jìn)行遠(yuǎn)距離合作和試驗(yàn)的一種電子協(xié)作。本文涉及的虛擬實(shí)驗(yàn),是建立在中學(xué)化學(xué)學(xué)科課本中真實(shí)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上,對(duì)實(shí)驗(yàn)的藥品、儀器進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬,實(shí)驗(yàn)者通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊與拖拽和鍵盤操作,可以像對(duì)真實(shí)的藥品、儀器一樣對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)中的設(shè)備進(jìn)行操作,從而完成整個(gè)虛擬試驗(yàn)的過程,并將對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行反饋和分析,定義出診斷規(guī)則對(duì)其結(jié)果進(jìn)行診斷[1-7]。

1 實(shí)驗(yàn)知識(shí)庫的建立

所謂知識(shí)表示(Knowledge Representation)也可以表示為知識(shí)表達(dá)或知識(shí)描述,是為了方便人們認(rèn)識(shí)和識(shí)別知識(shí),并對(duì)世界進(jìn)行描述而作的一組約定,把知識(shí)變成符號(hào)的過程。目前存在有多種不同的知識(shí)表示方法,來源于多種不同的形式化的知識(shí)模型。以下簡(jiǎn)單介紹常用知識(shí)表達(dá)方式[8]。

虛擬實(shí)驗(yàn)要想做到實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的真實(shí)再現(xiàn),并得到廣泛應(yīng)用,在搭建平臺(tái)時(shí)就要深入的研究實(shí)驗(yàn)過程中每個(gè)實(shí)驗(yàn)操作的環(huán)節(jié),如實(shí)驗(yàn)藥品和儀器的選取,實(shí)驗(yàn)的操作步驟等。

通過對(duì)中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的深入了解與分析,可以將實(shí)驗(yàn)中的共同點(diǎn)進(jìn)行提取,不同點(diǎn)進(jìn)行區(qū)別,建立一套科學(xué)適用的虛擬試驗(yàn)平臺(tái),為師生使用帶來方便。

中學(xué)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)智能診斷平臺(tái)知識(shí)庫的是大量信息存貯的場(chǎng)所,同時(shí)也離不開大量信息的支撐。信息調(diào)用量大,信息交換頻繁都是知識(shí)庫應(yīng)用的特點(diǎn)。為了更加方便有效的對(duì)信息進(jìn)行管理,將知識(shí)庫根據(jù)化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程的需求進(jìn)行分類,劃分為若干個(gè)子知識(shí)庫,每個(gè)子知識(shí)庫對(duì)應(yīng)于實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)中的一部分。虛擬實(shí)驗(yàn)智能診斷平臺(tái)知識(shí)庫的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示:

2 實(shí)驗(yàn)儀器知識(shí)表示的研究

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器的診斷規(guī)則

根據(jù)虛擬實(shí)驗(yàn)的操作要求,對(duì)知識(shí)庫中給出的虛擬實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行選擇。設(shè)平臺(tái)知識(shí)庫中存入的實(shí)驗(yàn)儀器總個(gè)數(shù)為N,實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用到的實(shí)驗(yàn)儀器個(gè)數(shù)為i,分為別X1,X2,X3,…Xi。則對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的選擇給出如下的診斷規(guī)則:

(1)如果選擇儀器X1,X2,X3,…Xi中,沒有一種與所需的實(shí)驗(yàn)儀器相同,不進(jìn)行試驗(yàn);

(2)如果選擇儀器X1,X2,X3,…Xi中,只有一種與所需的實(shí)驗(yàn)儀器相同,不進(jìn)行試驗(yàn);

(3)如果選擇儀器X1,X2,X3,…Xi中,只有兩種與所需的實(shí)驗(yàn)儀器相同,不進(jìn)行試驗(yàn);

(4)如果選擇儀器X1,X2,X3,…Xi中,只有三種與所需的實(shí)驗(yàn)儀器相同,不進(jìn)行試驗(yàn);

…

(i)如果選擇儀器X1,X2,X3,…Xi中,全部與所需的實(shí)驗(yàn)儀器相同,則進(jìn)行下一步操作。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器的知識(shí)表示

設(shè)一個(gè)有限自動(dòng)機(jī)有以下幾部分組成:

其中Φ表示給一個(gè)狀態(tài)和符號(hào)就是唯一地確定一個(gè)狀態(tài)的映射。

設(shè)符號(hào)集Σ(n,y),其中n表示虛擬實(shí)驗(yàn)中用到的藥品總個(gè)數(shù),y表示虛擬實(shí)驗(yàn)診斷規(guī)則。狀態(tài)集合SS=(S0,S1,S2),其中S0表示開始狀態(tài),S1表示出現(xiàn)錯(cuò)誤,不能繼續(xù)做實(shí)驗(yàn),S2表示選擇正確,可以繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。終止?fàn)顟B(tài)集:{S1}轉(zhuǎn)換函數(shù)如下:

3 實(shí)驗(yàn)藥品知識(shí)表示的研究

3.1 實(shí)驗(yàn)藥品的診斷規(guī)則

根據(jù)虛擬試驗(yàn)的操作要求,對(duì)知識(shí)庫中給出的虛擬試驗(yàn)藥品進(jìn)行選擇。設(shè)平臺(tái)知識(shí)庫中存入的實(shí)驗(yàn)藥品總個(gè)數(shù)為M,實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用到的實(shí)驗(yàn)藥品個(gè)數(shù)為n,分為別I1,I2,I3,…In。則對(duì)試驗(yàn)藥品的選擇給出如下的診斷規(guī)則:

(1)如果選擇藥品I1,I2,I3,…In中,沒有一種與所需的實(shí)驗(yàn)藥品相同,不進(jìn)行試驗(yàn);

(2)如果選擇藥品I1,I2,I3,…In中,只有一種與所需的實(shí)驗(yàn)藥品相同,不進(jìn)行試驗(yàn);

(3)如果選擇藥品I1,I2,I3,…In中,只有兩種與所需的實(shí)驗(yàn)藥品相同,不進(jìn)行試驗(yàn);

(4)如果選擇藥品I1,I2,I3,…In中,只有三種與所需的實(shí)驗(yàn)藥品相同,不進(jìn)行試驗(yàn);

…

(x)如果選擇藥品I1,I2,I3,…In中,全部與所需的實(shí)驗(yàn)藥品相同,則進(jìn)行實(shí)驗(yàn)具體操作。

3.2 實(shí)驗(yàn)藥品的知識(shí)表示

設(shè)符號(hào)集Σ(x,q),其中n表示虛擬實(shí)驗(yàn)中用到的藥品總個(gè)數(shù),q表示虛擬實(shí)驗(yàn)診斷的規(guī)則。狀態(tài)集合SS=(S0,S1,S2),其中S0,表示開始開始狀態(tài),S1表示出現(xiàn)錯(cuò)誤,不能繼續(xù)做實(shí)驗(yàn),S2表示選擇正確,可以繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。終止?fàn)顟B(tài):｛S1｝。轉(zhuǎn)換函數(shù)如下:

4 實(shí)驗(yàn)操作步驟知識(shí)表示的研究

4.1 實(shí)驗(yàn)操作步驟的分類

平臺(tái)主要研究對(duì)象是中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn),針對(duì)教學(xué)大綱實(shí)驗(yàn)要求的分析與研究,將實(shí)驗(yàn)過程細(xì)劃分為若干個(gè)實(shí)驗(yàn)子動(dòng)作,并進(jìn)行如下分類:

(1)對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作分析,最基本的操作動(dòng)作有拿起、放下、取出、傾倒、打開、移動(dòng)、連接、刪除、修改、添加等,將這些不可拆分的基本操作定義為知識(shí)庫中的原子操作。

(2)對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作過程中實(shí)驗(yàn)儀器的使用方法分析,將使用情況相同的儀器分為一類,并將這些操作定義為知識(shí)庫中的基本操作。例如:大試管、小試管的使用可分為一類。

(3)針對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中儀器的使用分類,建立一套連貫的操作動(dòng)作,并將此定義為知識(shí)庫中的基本操作。例如:點(diǎn)燃酒精燈、用試管夾夾住試管等。

4.2 實(shí)驗(yàn)操作步的診斷規(guī)則

根據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)操作過程中動(dòng)作細(xì)致劃分后得到的原子操作、基本操作、固定操作再做深入分析,可以發(fā)現(xiàn)在固定操作是將原子操作和基本操作合并起來后得到的操作。對(duì)固定操作進(jìn)行診斷規(guī)則的制定同時(shí),也給出了原子操作和基本操作的診斷規(guī)則。

4.2.1 實(shí)驗(yàn)原子操作和基本操作

在知識(shí)庫中錄入專業(yè)的實(shí)驗(yàn)原子操作和基本操作的動(dòng)作后,對(duì)基本操作給出判定規(guī)則。以下給出幾個(gè)簡(jiǎn)單的例子:

試管:試管有大試管和小試管兩種。試管的主要用途是盛放少許固體或者液體,主要用作少量物質(zhì)的反應(yīng)的儀器。

對(duì)試管操作給出使用規(guī)范的診斷規(guī)則:試管可以直接加熱但外壁不能有水,試管內(nèi)裝液體時(shí)不能超過試管容積的1/2,加熱時(shí)不能超過1/3,加熱時(shí)先使試管均勻加熱,然后在試管有藥品的部位集中加熱,加熱時(shí)試管應(yīng)與水平面成45°,固體加熱時(shí),關(guān)口應(yīng)向下傾斜。

4.2.2 實(shí)驗(yàn)固定操作

實(shí)驗(yàn)的固定操作這里定義為實(shí)驗(yàn)者在實(shí)驗(yàn)藥品、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)藥品和實(shí)驗(yàn)儀器使用時(shí)所有的操作動(dòng)作。例如,實(shí)驗(yàn)者給出這樣的動(dòng)作指令:將大理石塊放入到錐形瓶中。這個(gè)動(dòng)作指令就由幾個(gè)原子操作和幾個(gè)基本操作共同組成,將其拆分為選擇藥品為大理石塊、選擇儀器為錐形瓶、用鑷子夾取少量大理石塊放入到錐形瓶?jī)?nèi)。

對(duì)固定操作給出診斷規(guī)則如下:

a如果實(shí)驗(yàn)藥品的選擇和操作有一種錯(cuò)誤,則不能繼續(xù)實(shí)驗(yàn);

b如果實(shí)驗(yàn)儀器的選擇和實(shí)驗(yàn)儀器的操作有一種不正確,則不能繼續(xù)實(shí)驗(yàn);

c如果實(shí)驗(yàn)藥品的選擇、操作,實(shí)驗(yàn)儀器的選擇、操作均正確,則繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。

4.3 實(shí)驗(yàn)操作步的知識(shí)表示

根絕對(duì)實(shí)驗(yàn)固定操作的分析和已給出的診斷規(guī)則,建立實(shí)驗(yàn)操作步驟知識(shí)表示如下:

設(shè)符號(hào)集Σ(x),x=｛x1,x2,x3,x4｝其中x1,x2,x3,x4表示固定操作給出的規(guī)則。狀態(tài)集合SS=(S0,S1,S2),其中S0表示開始開始狀態(tài),S1表示操作出現(xiàn)錯(cuò)誤,不能繼續(xù)實(shí)驗(yàn),S2表示操作正確,可以繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。終止?fàn)顟B(tài):的下一個(gè)階段。轉(zhuǎn)換函數(shù)如下:

根據(jù)真實(shí)的化學(xué)實(shí)驗(yàn),將實(shí)驗(yàn)的操作整體的步驟進(jìn)行分解,并錄入到平臺(tái)的知識(shí)庫中,給出操作步驟的診斷規(guī)則。

設(shè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)有N個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟,分別表示為N1,N2,N3,…Ni則在操作過程中給出如下診斷規(guī)則:

(1)如果實(shí)驗(yàn)操作步驟N1正確,則進(jìn)行下一個(gè)實(shí)驗(yàn)操作步驟N2;如果不正確,則返回開始狀態(tài)。

(2)如果實(shí)驗(yàn)操作步驟N2正確,則進(jìn)行下一個(gè)實(shí)驗(yàn)操作步驟N3;如果不正確,則返回上一步操作N1。

…

(i)如果實(shí)驗(yàn)操作步驟Ni-1正確,則進(jìn)行下一個(gè)實(shí)驗(yàn)操作步驟Ni;如果不正確,則返回上一步操作Ni-2。

設(shè)符號(hào)集Σ=(x,YES,NO),x=｛x1,x2,x3,…xi｝其中x表示已給定規(guī)則的診斷順序,YES,NO分別表示診斷結(jié)果為繼續(xù)執(zhí)行和返回上一步。狀態(tài)集SS={s1,s2,s3,…sn},so表示開始狀態(tài),s1,s2,s3,…sn分別表示不同診斷步驟的結(jié)果狀態(tài),si*表示最終的結(jié)束狀態(tài)。表格表示和狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖分別如表3,圖5:

4.4 實(shí)驗(yàn)完整操作的建模

設(shè)有限自動(dòng)機(jī)字符集Σ=(y,x,q,YES,NO),其中y表示在虛擬實(shí)驗(yàn)操作中,實(shí)驗(yàn)藥品選擇的診斷規(guī)則,q表示實(shí)驗(yàn)儀器選擇的診斷規(guī)則,x表示實(shí)驗(yàn)固定操作的診斷規(guī)則,YES表示當(dāng)前階段的操作執(zhí)行正確,可以繼續(xù)操作,NO表示當(dāng)前階段的執(zhí)行操作不正確,不能繼續(xù)操作,需要返回到上一步重新操作。狀態(tài)集合SS={S0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,…Si},其中S0指虛擬實(shí)驗(yàn)操作的開始狀態(tài),S1表示藥品選擇不正確,操作自動(dòng)終止的停止?fàn)顟B(tài)。S2表示虛擬實(shí)驗(yàn)中,藥品選擇正確,繼續(xù)進(jìn)行儀器選擇,S3表示器選擇操作不正確,不能繼續(xù)操作的停止?fàn)顟B(tài),S4表示操作儀器選擇正確,可以繼續(xù)操作。S5表示虛擬實(shí)驗(yàn)操作步驟中第一個(gè)固定操作不正確,不能繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),即實(shí)驗(yàn)停止?fàn)顟B(tài)。S6表示虛擬實(shí)驗(yàn)操作中的第一個(gè)固定操作正確,可以繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn),即第二個(gè)固定操作開始的狀態(tài),…,Si-1表示虛擬實(shí)驗(yàn)操作過程中,第i-1個(gè)實(shí)驗(yàn)固定操作出現(xiàn)錯(cuò)誤,實(shí)驗(yàn)不能正常進(jìn)行,即實(shí)驗(yàn)停止?fàn)顟B(tài),Si表示實(shí)驗(yàn)操作的最后一個(gè)固定操作正確,即整個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作完全結(jié)束,狀態(tài)停止,用Si*表示。用表格和狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖表示如表4,圖6:

4.5 實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳實(shí)例

設(shè)有限自動(dòng)機(jī)的字符集為Σ=(X,Y,Q,YES,NO)。其中X表示實(shí)驗(yàn)藥品選擇的診斷規(guī)則,Y表示實(shí)驗(yàn)儀器選擇的診斷規(guī)則,Q表示實(shí)驗(yàn)操作步驟的診斷規(guī)則,YES表示診斷匹配正確,繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),NO表示診斷匹配不正確,不能繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并返回上一步操作步驟。狀態(tài)集合SS=[S0,S1,S2,S3,S4,S5,…S14],其中S0表示實(shí)驗(yàn)開始,選擇實(shí)驗(yàn)藥品的狀態(tài),S1表示經(jīng)過診斷規(guī)則X2的判定后,得到實(shí)驗(yàn)停止的狀態(tài),S2表示經(jīng)過診斷規(guī)則X1判定后,繼續(xù)進(jìn)行下一步驟的狀態(tài),S3表示經(jīng)過診斷規(guī)則Y2判定后,到實(shí)驗(yàn)停止的狀態(tài),S4表示經(jīng)過診斷規(guī)則Y1判定后,繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)下一步驟的狀態(tài),即實(shí)驗(yàn)步驟開始操作狀態(tài),S5表示表示經(jīng)過診斷規(guī)則Q1判定后,到實(shí)驗(yàn)停止的狀態(tài),S6表示經(jīng)過診斷規(guī)則Q1判斷,繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),即開始實(shí)驗(yàn)操作步驟第二步,…依次類推,直到實(shí)驗(yàn)操作步驟經(jīng)過Q5判定,操作過程全部匹配,實(shí)驗(yàn)結(jié)束,用狀態(tài)S14*表示。表格表示和狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖表示如圖7所示:

5 結(jié)語

結(jié)合中學(xué)化學(xué)學(xué)科實(shí)驗(yàn)特點(diǎn),將中學(xué)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)藥品選取、實(shí)驗(yàn)藥品儀器的選取、實(shí)驗(yàn)操作步驟進(jìn)行形式化描述,給出智能診斷規(guī)則,建立知識(shí)表示的自動(dòng)機(jī)模型。可為以后解決實(shí)驗(yàn)中學(xué)生操作的隨意性、反復(fù)性多帶來的實(shí)驗(yàn)學(xué)列性和歸并性等問題的研究奠定基礎(chǔ)。

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