基于深度學習中小學生錯題本的設(shè)計與實現(xiàn)

黃園媛 張鈺霖 梁滌青 肖紅光

（長沙理工大學計算機與通信工程學院 湖南長沙 410114）

在中小學生的日常練習中，經(jīng)常會產(chǎn)生各類的錯題，其是學生自主學習的重要資源，能夠幫助學生了解自己的學習情況，能較為有效地避免錯誤重復出現(xiàn)的可能［1］。不過，手寫整理錯題本其實是非常繁瑣的，會給學生增加額外的學習負擔［2］，手寫的錯題本還存在不便查找、易丟失、易弄臟的缺點，使得學生難以進行針對性的復習，也無法直觀地反映學生對錯題的掌握程度，使得錯題本的作用大打折扣。盡管目前市面上已有多款錯題本APP，但其缺乏對錯題的復習和鞏固練習的關(guān)注。因此，設(shè)計并實現(xiàn)既能夠方便學生管理錯題，又可以幫助他們復習鞏固錯題、強化訓練未完全掌握的知識點的錯題軟件，具有較強的現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計

分析研究其他相關(guān)的應用軟件，結(jié)合中小學生對錯題本的需求，該軟件系統(tǒng)設(shè)計了3個功能模塊，即管理用戶模塊、管理錯題本模塊、管理錯題模塊，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

（1）用戶模塊：用戶注冊與登錄功能。

（2）管理錯題本模塊：錯題本基本的創(chuàng)建、刪除和展示錯題本列表功能。

（3）管理錯題模塊：采用圖像文字識別技術(shù)，實現(xiàn)錄入錯題、查看錯題詳情、編輯錯題、搜索錯題、推薦相似錯題和組卷自測功能，以及記錄錯題的熟練度。

軟件特別設(shè)計的熟練度模塊、推薦相似錯題及組卷自測功能都旨在幫助學生鞏固錯題，更高效直觀地反映用戶對不同錯題的掌握情況，并對錯題本中的錯題進行針對性的強化訓練。

2 關(guān)鍵技術(shù)

本軟件的特色亮點是熟練度標識系統(tǒng)和相似錯題推薦，市面上的軟件未見類似功能。通過完成錯題自測、系統(tǒng)推薦的相似錯題和組卷自測，進行自主學習，增加錯題的熟練度，減少反復錯誤的出現(xiàn)。借助軟件，幫助缺少了再學習、再認識、再總結(jié)、再提高過程的學生［3］。

在錄入錯題時，為操作便捷、節(jié)約學生時間、更完整地記錄錯，除提供編輯文字外，還采用了百度AI 平臺的OCR（Optical Character Recognition，OCR）文字識別來識別錯題文本和存儲錯題圖片，提供多種形式自主記錄［4］。依托百度優(yōu)秀的深度學習算法和海量優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)，針對特殊情況，進行專項優(yōu)化，關(guān)鍵字段識別準確率高達99%，其提供高可靠性、彈性可伸縮、高并發(fā)承載的文字識別服務，服務可用性高達99.99%，軟件使用百度提供的SDK 實現(xiàn)對圖像的文字提取。此外，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù)，利用關(guān)鍵詞，從公網(wǎng)中挖掘相似的錯題，存入軟件系統(tǒng)的錯題數(shù)據(jù)庫中，豐富錯題數(shù)據(jù)庫的題量，提高系統(tǒng)的實用性。二者在軟件中的具體實現(xiàn)過程如圖2所示。

圖2 使用文字識別錄入錯題與相似錯題入庫

從性能方面考慮，若將圖片直接存儲于數(shù)據(jù)庫，將占據(jù)大量空間，嚴重降低軟件性能，故本軟件借助阿里云OSS（Object Storage Service）對象存儲技術(shù)來保存圖片。本軟件采用文本匹配相似度算法，從錯題數(shù)據(jù)庫中推薦相似的錯題供學生練習，實現(xiàn)舉一反三、以練促學的目的。

3 軟件實現(xiàn)

3.1 用戶模塊

用戶模塊包含注冊和登錄。注冊與登錄都需要用戶提供手機號（或用戶名）和密碼，其中，用戶設(shè)置密碼時需要進行有效性校驗，保證密碼具有較高的復雜性，使其不易被攻擊。當用戶設(shè)置的密碼通過校驗后，系統(tǒng)將對其進行MD5加密，使用得到的密文進行傳輸與存儲。登錄時，校驗密碼則通過密文匹配將用戶輸入的密碼經(jīng)過相同的MD5加密過程后進行密文匹配。

3.2 錯題本管理

錯題本模包含3個主要功能：查看錯題本列表、創(chuàng)建錯題本及刪除錯題本。查看錯題本列表：在錯題本管理界面可查看所有錯題本，此外，為了方便用戶使用，在首頁也設(shè)置有常用錯題本一欄（顯示最常用的4個錯題本）。創(chuàng)建錯題本：需要用戶填寫錯題本的名稱及所屬學科，這會方便錯題本的分類和管理，幫助學生歸納總結(jié)。刪除錯題本：通過長按錯題本進行操作。

3.3 錯題管理

錯題管理模塊包含錯題錄入、查看詳情和關(guān)鍵詞搜索功能。特別設(shè)計有相似錯題推薦及組卷自測功能，針對性解決傳統(tǒng)錯題本不方便進行錯題的鞏固復習和自查是否已掌握的痛點，加強學生對錯題的練習。根據(jù)美國心里學家桑代克提出的學習理論，練習次數(shù)越多，則聯(lián)結(jié)越穩(wěn)定；練習次數(shù)越少，則聯(lián)結(jié)越薄弱［5］。

（1）錄入錯題。錄入錯題需要填寫的信息：題目文本、題目圖片、題目的答案、題目標簽（如不懂、模糊、做錯）及題目分類（自定義分類關(guān)鍵詞），其中，題目標簽關(guān)系到復習提醒，題目分類關(guān)系到相似錯題推薦。為了使得錄入錯題方便，采用圖像提取文本，直接通過上傳題目圖片進行文字識別來完成［6］。

（2）相似題目。軟件系統(tǒng)會推薦至多5 個相似錯題，完成相似錯題也會增加熟練度推薦的相似錯題。首先會隱藏題目的答案，點擊可查看，這是為了激發(fā)用戶對錯題的思考，達到鞏固強化的目的，并且錯題和相似錯題都可進行自測，自測的完成情況將和錯題的熟練度相關(guān)。

（3）關(guān)鍵詞搜索：根據(jù)關(guān)鍵詞檢測搜索錯題，與關(guān)鍵詞相關(guān)的錯題將會顯示在搜索結(jié)果列表中，并且會顯示題干、來源于哪個錯題本、熟練度及錯題的標簽等信息。

（4）組卷自測：選擇組卷測試，系統(tǒng)根據(jù)該用戶的錯題庫選擇高相似度題目組成試卷，對用戶進行綜合測試。用戶可以從測試結(jié)果得到反饋，從而得到真實情況，以便真正理解錯題。組卷自測有兩種模式，一種為復習模式，另一種為測驗模式，如圖3所示。

圖3 組卷自測界面

復習模式按錯題本中熟練度從小到大來自測復習。當用戶提交每道題的答案后，系統(tǒng)后臺將自動批閱，如果某道題目回答錯誤，則該題目對應的用戶錯題的糾錯結(jié)果反饋為未通過檢查，并提醒用戶繼續(xù)糾正。測驗模式根據(jù)錯題本中的錯題在題庫中找相似錯題來練習，測驗模式答對，可增加原錯題熟練度［7］。

此外，用戶通過每日瀏覽、自測推薦相似錯題、完成組卷測驗（答對熟練度增加反之減少）的錯題測驗改變相應錯題的熟練度。

4 結(jié)語

錯題本的利用在中小學生的學習當中具有相當重要的地位。利用圖像文字識別等深度學習技術(shù)，設(shè)計實現(xiàn)一款電子錯題本軟件，幫助中小學生進行高效的錯題管理，協(xié)助中小學科學使用錯題本，培養(yǎng)復習鞏固錯題的良好習慣。同時，本軟件在后續(xù)也需要進行優(yōu)化，收集更多的易錯題數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)推薦相似錯題的選擇更多、更準確；推薦相似錯題算法也可以進行改進，研究進一步提高匹配效率與質(zhì)量。