（课程与教学论专业论文）wbits中知识库的设计与实现.pdf

嚣都师范大学硕士学位论文 珊l t s 牢知识陴的设计与实理 摘要 在目前我国教育软件特别是远程教育软件缺乏智能的现实下，对基于w 曲 的智能教学系统的研究与实现具有重要意义。智能教学系统的本质楚对学生因材 施教，而传统的计算机辅助教学系统( o 撕中计算机只是作为知识的传播工具， 不理解教学内褰、教学对象和教学方法，学生不能根据垂己的认知熊力、知识水 平、学习霈求和兴趣爱好等选择适合予自已的学习内容和学习过程。 本文研究了智能教学系统的建构主义学习理论和人工智能理论两大理论基 础，将神经计舞理论弓j 入到蟹能教学系统中，提出了海产生式知识表示方法与毒申 绶计算相结合的神经规则知识表示方法，弗提出了基于w e b 的智能教学系统的系 统结构，最后详细设计并实现了该系统中各个模块所涉及的知识库。 知识库、学生模型和教学策略作为智能教学系统豹黧要组成部分，对系统能 甭真正实现因材旅教起着决定性作用，因此本文的研究熏点是w b r r s 的知识库 设计。在进行w b i t s 的知识库设计时，主裳分为三块进行：领域知识岸设计、学 嗽模型中匏知识痒设计和教学策硌知识疼设计。在对领域知识库遴镗设计较重，将 领域知识划分为知识点，知识点之闻具有特定关系，而且这些关系可以进行传递 计算，最终将领域知识表达为张有向无环图。对每个知识点，本文设计了从入 门到高级不同程度的课程单元( 并e b 页) 展示给不闻程度的学生，这种知识蠢与演 示内容分离的方法降低了领域知识表达的复杂性。在设计学生模型时采用了综合 型学生模型，以使系统能够全两、准确地反映学生情况并进行动态调羰，为因材 施教打下最有效骢基础。瑟与教学专家经验寿关的知识均表示为神经藏贝| l ，著分 成五类，分配到学生模型和教学策略库中。规则库的分开存储有利于知识库的维 护，同时可以实现更高的空间效率和时间效率。 本文采蕊j s p q a v a b e a n + s q ls e e r 2 0 技术、戳建构主义学习理论为指导、 以人工智能课程为教学对象，结构上采用管理端与客户端分离的方法实现了 一个远程智能教学平台，目前运行情况良好。实践证明，本文对我国研究远程智 辘教学系统其鸯定豹理论和应用价值。 关键字：基于w e b 的智能教学系统；神经规则；知识表示；知识获取；知识库 首都师范大学磋士学位论文髓i 倦申翔识库的设计与实现 a b s t r a c t r e s c a 戚l 强d 坞8 l i z 娟o l lw c b - b 鹪。di l l t e l l i g e n t 枷耐n gs y s e m s ( w bn s ) a 糟o f u 缸n o s ti n 拼i n a l l c eo 、】l r i n gt ot h er e a l i t yt l l a to u rh o m e 耐l l c a t i o n a l f i 、v a r cl a c i 蕊i l l i m d l i g c e t h e 髂s 锄c eo fn 葛i st ot 血s t l l d e n t si l la c c o r d 觚c eo ft h e i r 印m u d e h 醐嘲氇e 妇d 撒雌a l锄p 落铭_ 镒e di n s 绯l 穗o n a c 担j 璐t豁l 【耋l o w l 稚g e 缸赳瑚虹t t j h gt 0 0 1 i td o 嚣n tu n d e f s t 姐d 曲l et e a c h i n gm a t e r i a l s ，m ed 协e c t so rt l l e m e t l l o d s f u r t h 锄o r e ，m es t i l d 锄t sc 蛐tc h c l o s es u i t a b l el e a m i ，唱m a t e r i a l sa 芏l d p f o c e s sa c o o f d i n g t ot h e ：i ro w n g f l i 蛀v ed b i l i 妨c o g n i 娃v el e v da n d 幽e i fi n l 髓螂惦 霹l i s 搿啦嚣r e s e 毫斟m e s 氇ec c 嗽s 觚l c t i v 主锄l e 薯i r | l 主n gt h e o r y 跹d 删矗d a 重 i 锄i g 铋c em e o r yw h i c ha r ei t s sl l l e o r yb 船i s 抽髓，n e u r a ln l l ew h i c hi st l l e c o m b i n 确o no fp m d l l c t i o nr u l e 锄d 删锄c o 瑚p u t i n gi si n 打o d t l c o dt os e 州e 醛t h e l m o w l e d g ef e p r 髓e f i 组曲堇lm e t h 醴。a 是晖t 圭l a t ，f h e 蒯t 氍协f eo f w 西_ b a s e di 疵l l i 窖l 姒o f i r 唱s y s t 锄i s 昏啪f i l l l y ，也e 妇w l e d g ed a t a b 蹴i nt h i sw b i t si sd e s i 弘e d 鼬d r e a l i z o d m d e t a i l 1 髓8p a p 贸l a y s 嘣巾h 粥i s m ed i 舻o fk n o w l 。d g ed a t a b 黜ei nw b r r s 飘埒 d 稍 g ni 躺l u d e s ：出琳& 讯h 踟l 对g e 出豳电勰ed e s i g n 曲培髓m o d dh 婚w l 穗辨 d a t 曲鹅ed 龉i 即a n dt c a c h i n gs 缸锨e g i 鹊l l o w l e d g ed a t a b 船ed e s i 舶姗n gd e s i g 曲l g m ed o m a 抽h l o w l e d g ed a t d b 嬲e h l o w l e d g en o d ei sd i s c 惦s c d t h e r ei ss o m e f e l a t i o n 幽pb e w e e nt w o 麴o d 鸥强d 氆er e l a t i o 璐箍pc a nb e 仨鼬s 是献1 o 国e 髓d ，旺l e d o m a 主n 虹o w l e d g ei sf c p r e s a l t 。df 畹u 龋ad a gd 删n gd e s i 鲥n g 墩e 咖d 髓tm o d e l ， a c o m p r c h 蝴s i v c m o d c l i s l 坞e d i n o r d 科m a t i t sc 粕u n d 蹦；t a n d 如es t u d 衄t s i nd e t a i l a i l dm o d i 移m em o d e ld y n 嬲i c a l l yw 艇c hl a y sab a s i sf o rt e a c h i n gs t i l d t si n a c 磁a h c eo fm e 堙a 州抛d e f i 髓l 致t h e 豳w l 磁g er e l a t 鼯t ot e 畦血ge x 辨娃s e x p e r i e i l c ei sr 印r 髂e n t e dm r o u g h 玳棚锄n 1 1 e sw l i c ha r es p l i ti n t o f i v et y p e sa 1 1 d s t o r c di nt l l es t u d c i l tm o d e l 姐d t e a c b j n gs 仃a t e 百e sb 昭er e s p e c t i v e ly - 确es y s t 锄i s ”e a l i z e du t i l z i n gj s p + j a v 招e a n + s q ls e f v e r 2 o 慨h n o l o g y 蛆d n o wi se x 姗姐t a l l yn 黼i n gw 弛h i 曲p e 哟h n a n c e i t p r o v e st | l a t 喊sp a p e ri so f b o mt h e o r c t i ca i l da p p l i c a d o n a lv a l u et ot l l er e s e c hf o ri t s k e y w o r 趣：w 办b a s 稚l 珏t c l l g e n tm o n gs 舛嘲s ；n 即嘲姗e ；k n o w i e d g e r 印r e s e n t a t i o n ；k m o w l e d g ca c q u i s i t i o n ；确1 0 w l e d g ed a t a b a s e 2 y 8 6 9 6 王6 首都师范大学学位论文原例性声婀 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取褥的成暴。除文申已经注明弓l 耀豹内容外，本论文不台任何其他个人或集体己经发表 或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要赏献的个人和集体，均已在文中以明砩方 式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 锄 l r 期：2 0 0 6 年r 月“日 首都帮楚大学掌位论文授投使粥声明 本人完全了解首都师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论 文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学航论文用予非 赢利霸瓣的少量复躺并允许论文进入学校图书馆被查翔。有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后 适用本规定。 学位论文作者签名；嚏怕 日期：2 0 0 6 年c ，月乩日 首都师蓖大学硬士学位论文 鹊l 镐幸豫识率的设计麓寰现 第一章引言 1 1 智能教学系统概述 智能教学系统( i | l t e l l i g e n tt u t o 血gs 埘e m ，i t s ，又称为智能计算机辅助教学， e l l i 静建c 伽哮啦盯a s s i s 托d 触舡l 娟o n ，i c a i ) 是基于计算机的教学系统，它利 用了将知识和技能传递给学生的多种技术。智能教学系统产生于计算机辅助教学 ( c o m p u t e r - a i d e di f l s 虮l c t i o l l c a i ) 与人工智能( 圳i a li i i t c l l i g c l l c e a 1 ) 的结合。 迄今为止，对智能教学系统仍没有统一的定义【”，一般认为；智能教学系统是 个涉及计算机科学、教育学、心理学，认知科学和行为科学等的复杂系统，其研 究目的是由计算机系统担负起人类教育的责任，即赋予计算机系统以智能，由计 算机系统在一定程度上代替人类教师实现最佳教学。智能教学系统代表了一种叛 的教学思想_ 糨教学方式，模拟的是人类优秀教师，服务的是特质备异的学嫩，它 综合了现代教育理论和认知科学理论，基于学生特性和状态并跟踪其变化，自动 地生成有针对性的教学信息，适时调整教学过程和教学策略。智能教学系统可以 使学生更方便、高效地利用计簿机来学习各种专业知识，可以使教师更方便、高 效地利用智能化的计算机辅助教学系统来辅助教学工作。智能教学系统中展示的 教学内容是加工处理过的知识，可以方便、容易地重新进行分类和进行二次组合 加以应用。 1 1 1 计算机辅助教学的发展 诗算枫辘助教学楚把教育举、心瑗学和计算枧技术融为体豹项具有开拓 性的谍题，它利用计算机来模拟教师行为，通过学生和计算机之间的交互活动来 达到教学霆髂。c a i 作为狰向学生提供自动的、个性纯教学的教学手段，其研 究始于2 0 世纪5 0 年代。最早开始c a i 研究的是美国i b m 公司，它于1 9 5 8 年设计了一 个淘小学生教授二进铡算术的c a i 系统。此后，斯垣福大学、伊理诺大学也郎各 自开发了自己的c a i 系统。计算机技术和计算机工业的迅遥发展，给c a i 系统的发 展剖造了蹇好的条件。 首都师范大学硕士学位论文 粕i t s 中知识库的设计与实现 然而，早期的c a i 系统只是等待学生的响应，然后向学生提供已封装好的文 本内容。随着c a i 的发展，教学系统在整个教学过程中利用了学生的各种响应来 决定在以后的教学过程中向学生呈现的教学内容。后来，c a i 技术的发展使得系 统能够自动生成教学内容。但是，即使c a i 技术取得了进步，复杂的计算机程序 也不能实现人类教师的教学技能。其中一个原因是这些c a i 系统不能准确地对有 关学生的知识进行建模，如：它们不能对学生的认知过程建立模型，因而不能提 供一个个性化的学习环境。传统的c a i 要求学生按照系统设计者所规定的教学序 列进行学习，无法顾及学习者个体之间学习能力和知识水平的差别。它强调的是 个别化的教学模式，在其c a i 软件中仅提供人机之间的交互。学习者的主动 性和创造性受到限制。 为了解决c a i 的上述不足，智能教学系统于2 0 世纪7 0 年代诞生了，它属于人 工智能的一个分支领域。人工智能理论和技术从7 0 年代开始用于c a i ，它与c a i 的结合使得学习过程更加灵活、更加智能化。利用在人工智能学科上取得的研究 成果，i t s 能够采取多种知识表示策略来模拟学生的认知过程。由于使用了准确 的关于学生知识和关于教师知识的模型，i t s 能够以合适的进度和知识抽象水平 对学生进行教学。人工智能技术的引入使得计算机辅助教学充分利用了计算机的 潜力并考虑到了学习者的水平，更加讲究教学策略和友好的人机对话。学习者可 以根据自己的兴趣和知识水平，选择不同的学习内容和学习方式，调整学习进度。 计算机还能动态地跟踪学习者的知识状态和学习背景，分析学生产生错误的原 因，判断学生对知识的掌握程度，提供丰富的指导信息，自动选择教学策略，修 改学习者的学习内容，调整学习者的学习进度，因此能够实现因材施教和教学过 程的个性化。 随着多媒体超媒体技术和网络技术的发展，提供网络学习环境、进行远程 教学成为智能教学系统的研究热点，于是出现了基于w e b 的智能教学系统 ( w 曲一b a s e di n t e l l i g e n tt u t o r i r 喀s y s t e r i l ，w b i t s ) 。w b i t s 能够方便地提供给学生 不受时间限制、不受地点限制的学习环境和学习内容，能为学生建构知识提供丰 富的信息，满足学生的个性化要求，为合作学习创造更多的条件，为交互式学习 提供有力的支持，能够更有效地实施个性化教学，从而提高教学效率。基于w e b 的智能教学系统与单机环境下的智能教学系统有很大不同。在基于w 曲的智能 2 首都j i i | l 范大学硬士学位论文 邪i t s 中朔识库的设计与实现 教学系统中，学生豹学习是通过与远程镏戆教学系统的交甄、与远程弼伴豹协作 和会话来实现的；学生的学习是自主的、积极的，是真正意义上的学习的主体。 学生在学习过程中可以弼对从阏络上获取丰富豹学习资源，搜得学生豹个性纯、 自主性得到充分发挥。 1 1 2智能教学系统的基本结构 鬣然不是所有的i t s 都采掰标准他的体系结构，儇传统的i t s 般具有如下 四个组成部分 2 】：专家模型，学生模型，课程管理器和学习环境。如图卜l 所示。 而鞴i t s 的一般体系结构如图l 一2 所示。 象人类专家一样，i t s 中的专家模型掌握关于某特定领域的知识，包含程专 家横裂中的知谖也可叫作领域知识或课程内容知识。一般来说它包括事实健知识 和过程性知识，而且是由专家系统存放在多个数攒库中的。事实性知识数据库存 储关予问题颁域的各种信息，面过程侄知识数据库存储专家用来解决该领域内闯 题的过程知识和规则。嚣然事实性知识数据库和过程性知识数据库足以模拟专家 系统中的知识，但一种被称作认知建模或定性建模的知识编码方法w 以更精确地 模拟专家推理过程。i t s 中的专家模型通过使用类似于人的推理机制的结构化知 识乘使用认知模型。 学生 圈卜l 传统的i f s 系统结构 首都师范大学硕士学位论文 髓i t s 中知识库的设计与实现 专家模型掌握的是在问题解决过程中专家使用的知识，而学生模型包含的是 该问题领域中对学生知识的测量方法。学生模型是对学生轮廓的高级描述，这个 轮廓的准确性和详细程度由学生模型的带宽即学生模型输入的质量和数量所决 定，学生模型的带宽决定了可以跟踪的学生行为的粒度。精细的粒度可以为学模 型提供更多的信息来推断学生对该问题领域知识的理解情况。 一个i t s 只有包含用来教学的模块，它才是教学系统。问题或训练是i t s 用 来指导学生的工具。通过解决问题，学生在已掌握的概念的基础上构建知识。在 i t s 中用来对问题进行选择和排序的机制就叫做课程管理器。为了给学生选择适 当的问题，课程管理器要从学生模型中存储的轮廓中抽取出成绩测量方法。 教学过程不仅仅是把教学内容展示给学生，一个教学效果好的教师要监控学 生的进步情况，当学生需要帮助或遇到困难时能够提供指导。就象人类教师一样， i t s 通过教学环境模块来指导学生。教学环境模块是学生在一次教学过程中继续 学习和获得帮助的工具。教学环境模块还决定了何时主动对学生提出学习建议。 这四个模块通过相互协作来对学生提供个性化的教学，而个性化教学正是 i t s 的初衷。目前i t s 的工作原理如下：将教学内容与教学策略分开，根据学生 资料库提供的学生模型，通过智能系统的搜索与推理，动态生成适合于个性化教 学的内容与策略；通过智能诊断机制判断学生的学习水平，分析学生产生错误的 原因，同时向学生提出更改建议以及下一步需学习内容的建议；通过对学生个性 的分析向学生提供个性化的学习建议和学习环境。 1 1 3智能教学系统国内外研究现状 自2 0 世纪7 0 年代i t s 诞生以来，国外对智能教学系统研究较多。早期比较著 名的有是用来指导学生学习南美地理的s c h o l a r 系统( 美国b b n 公司，1 9 7 0 ) ，它应 用人工智能的语义网络知识表达方式，其知识库由事实、概念和过程组成，采用 加权覆盖型的学生模型，教学方式采用苏格拉底对话式，根据学生的回答，通过 推理机制产生更多提问并评价学生的回答，系统能够诊断学生的一些错误概念并 引导学生思考后自己纠正错误。同时期的其它典型智能教学系统还有：w h y ( s t e v 吼s & c 0 1 1 i n s ， 1 9 7 7 ) 、s o p h i e ( b m w n b u r t o n ，1 9 7 7 ) 、w u s o r ( g 0 1 d s t e i n ， 1 9 7 9 ) 等。 首都师范大学硕士学位论文 耶i t s 中知识库的设计与实现 进入2 0 世纪8 0 年代后，认知心理学、教学设计理论给i t s 的研究带来了深远 的影响，教学策略问题开始受到重视，i i s 的研究主要集中在如何使用人工智能 技术确切地表示学生模型和教师模型上，以使教学系统具有更高层次的应答敏感 和全局观念，使得i t s 得到进一步发展。c l a n o e y 等开发的教授医学知识的智能教 学系统g u i d o n 与专家系统m 1 f c i n 相结合，代表了i t s 研究中的一个重大进步 ( c l a n c e v ，1 9 8 2 ) 。它采用产生式规则的知识表示方法，建立了覆盖型的学生模 型，采用主动式教练法，提供一个交互式的学习环境。但是，g u i d 洲系统在使用 m y c i n 的知识库时缺乏解释和组织教学过程的教学知识，即缺乏教学策略，使系 统的个性化程度受到了限制。同时期的其它典型智能教学系统还有：w e s t ( b l t o n ，1 9 8 1 ) 、b u g g y ( b f o w n ，1 9 8 2 ) 、s t 啪r ( s t e v e 璐h 0 1 1 a n ，1 9 8 3 ) 、 l m s ( s l e e m 趾，1 9 8 4 ) 、m e n o ( w b o l f ，1 9 8 4 ) 、p r o u s t ( j o b n 9 0 n ，1 9 8 4 ) 、a c t p ( a i l d e r s o n ，1 9 8 4 ) 、s i e r r a ( i l l l c h n ，1 9 8 7 ) 等。a n d 啪o n 通过对人类思维和特征 的研究，应用人类认知的 c t ( a d a 鲥v ec 0 n 血d lo f m u g h t ) 建立了认知模型，在 实现智能教学方面取得了较好的效果。 进入2 0 世纪9 0 年代后，合作教学模式、认知学生模型构造和智能超媒体辅助 教学系统成为i t s 新的发展方向。1 9 9 1 年，l e s g o l d 和k a t z 开发了s h 职l o c k 系统。 另外，由于对专家系统外壳( e x p c ns y s t e ms h e l l ) 的研究日益受到重视，i t s 在这 方面也取得了一些成果，如著名的p i x i e 系统。m e m 曲i s 大学开发研究了1 5 年的 t u t o r 系统。通过a i 、认知科学和复杂系统的研究，该系统能够进行不同学科的 教学，系统能够对学生的问题适当反应，由计算机进行提示和暗示。国外影响比 较大的智能教学系统是由教学研究集团 3 1 恤e1 嘶n gr e s e r c hg r 0 1 】p ) 开发的 a u t o t u t o r ，这是一个由来自心理学、计算机科学、语言学、物理学、工程学和教 育学等多个学科的约三十五名研究人员共同参与开发的复杂系统。目前a u t o t u t o r 有用于教授计算机文化和用于教授经典物理两个版本。a u t o t l l t o r 系统不仅在用户 界面、教学内容和教学过程等方面设计得比较全面而且在多媒体教学方面也做得 较好，考虑了语音合成、图象显示，形象的a g e n t 还能够模拟面部动作。m e m d h s 大学开发研究了1 5 年的t u t o r 系统。通过a i 、认知科学和复杂系统的研究，该系 统能够进行不同学科的教学，系统能够对学生的问题适当反应，由计算机进行提 示和暗示。t u t o r 不通过多项选择就能够根据对问题的键入和口头反应进行决策， 首都师范太学磺士学位论文 冁i 稻中稚识痒的设计与实琨 对可能产生的语法或谱义不班确酶语富进行鼹转等【4 】。 近年提出的基于网络的i t s 已成为目前研究的热点，典型的如p e l 嚣 b 那s i l o v 出v ，e h 缸s 穗w a 托，g 融l 础吼开发的e l 妒a r t 系统瓯同时，翼前 许多国家正在进行i t s 系统的深层次研究，主要基于建或更好的学生模型、教师 教学策略建摸、会穆式交互学习、对学生学习霸恚魏挖掘，毅及被会和1 毒感智裁 在l t s 系统中的应用等【6 1 ，旨在进一步提高系统的智能性，更能发挥i t s 系统的“优 秀教颊”这特性。 国内对i t s 的研究落后于国外，少量的研究工作主要集中在少数大学和研究 枫构断续进行，只鸯极少数系统在现实人类教静中得到运用。其中，z + z 餐能教 育平台是中科院院士张景中先生与广州大学软件所联合研制开发的一个面向中 学数学学辩的知识平台。该平食以人工磐能、熟识工程等拽术为蒸础，具有强大 的自动推理和自动解题功能，支持知识查询和计算机辅助解题等，是我国目前唯 一豹西自基础教育豹智能教育平台。最近尼年我国豹i t s 研究发麟较恹，宥猴多 科研机构开始进行智能教学系统的研究开发工作。一些计算机公司也投入列教育 软件的开发中来。强家教委成立了专门的机构鞋推动诗辣枫在教肖中的瘦糯。其 中由我国大学独立研制并已投入使用、较为著名的i t s 系统有清华大学的“计算 机线瞧代数教学软律( l a c a i ) ”；广东工业大学豹计算机瓣络课程教 学课件。各大学、科研机构的实验室中还有一些智能化程度很高的i t s 实验系统。 如，善都髓范大学王陵教授等掰开发的“蕃舞i 大廉搬学j 蔷享土区智能弼络教学支撑 平台”将工作流技术、计算机协同工作技术、数据挖掘技术和错能代理技术综 合运溺于智能教学系统，实现鑫动推理，主动报送令性纯学习信息、具有教学决 策支持和多种教学工作流等。系统采用基于关系模型的知识表示，利用关系数据 瘁管理系统昀功能进纷知识管理，篱亿了推理算法，缩短了智能教学系统的开发 周期，降低了开发成本，使智能教学系统迈向实用化【7 1 。北京工波大学人工智能 与戋辟识工程研究室新开发的“鬻e b 鲥a t h 个性化智能教学系统”，是中学数学的智 能教学系统【8 】。假定学生正常地随堂听课，就可以用该系统做练习以达到提高自 身解蘧能力并掌握相关知识的萄的。系统模拟教筛对学生进行个别辅导的经验、 方法，为学生提供一个灵活的、个性化的、交互式的、智能化的练习和作j k 完成 环境，裙当于个电子辅导老师。目前该系统已完成单机版本的纂本模块，正在 首都师范大学硕士学位论文 耶i t s 中知识库的设计砧实现 大力开发网络版本。辍然已有懿上系统投入馒用，健总体来说，出予弱蔻蟹能教 学系统的发展与入们的期望还存在较大差距以及i t s 的研究开发楣对滞嚣，我国 教育软件仍然贫乏，成规模的教育软件厂商很少，真正意义上的i l s 则更少，对 人们的现实影响还很小。我国的i t s 研究应该多从国外的i t s 研究中汲取经验。 1 1 4现有智能教学系统存在的不足 一个理想豹智镌教学系统系统就是一个钱秀豹入类教努，它熟悉教育心理 学；熟悉教学内容：糟通教学设计理论和实践，能够很好她根据学生特点因材旌 教。但是，尽管对智熊教学系统的研究已有几十年的历史，也有一些优秀的成品 投入使用，但这个目标在相当长的历史时期内迸无法达到。因为智能教学系统是 一个涉及计算机科学、教育学、心理学、认知科学和行为科学等的复杂专家系统。 心理学、认知科学期行为科学是智能教学系统的瑷论基础；教寅学是蟹鼹教学系 统设谤豹撞导葱想：计雾机辩学是智能教学系统实现翡技术保薄。其中馁俺一个 学科发展的相对滞届，都会给智能教学系统的研究工作带来负面影响。 综合起来，现有智能教学系统存在如下不足： ( 1 ) 缺乏科学的教育教学理论指导。教学过程是一个十分复杂的过程，许多 系统没有坚实的教育教学理论作基础，缺乏对教育教学实践活动深入的研究、总 结，把教育教学过程筠单亿，不能真正傲到因零孝施教。屋前缀多教学系统仍然是 萋予行为主义学习理论的c a l 软件，学生作为焉户只能被动飕接受知识。 ( 2 ) 缺乏网络支持。现有的绝大多数智能教学系统是在单机环境下开发运行 的，失去了利用网络来方便快捷地更新知识这巨大优势。由于这样的系统不能 对教学内容进行及时的更新和维护，因而生命力很差。 ( 3 ) 教学内容设计不合理。很多系统只是简单地把教材内容原样搬到网络上， 可重用性、可操j 乍性翻规范性差，不幂习于教学过程中的智能呈现，结果系统只是 起爨了窀子书豹馋用，对学生毫无教学指导作粥。 ( 4 ) 缺乏智能性。有的教学系统虽然运行在网络环境下，但由于建立的学生 模型太简单，学生的认知特征和学习状态等难以准确获得，教学策略和推理机制 不够丰富，系统缺乏足够的自适应性，因此不能按照学生的个性化要求为艇提供 最适合的学习内容和学习过程，所有登录到该系统的学生，接受的都是一样的学 首都师范大学硕士学位论文 阳i t s 中知识库的设计与实现 习内容和学习顺序。不能根据学生的自身条件为其提供适当的学习内容、安排适 当的学习进度，也就无法达到教育学所要求的个性化教学和启发式教学。 ( 5 ) 缺乏好的智能组卷模块和科学的评价过程，因此对学生的学习效果测试 不能反映真实情况。 ( 6 ) 资源浪费。在基于网络的教学系统中积累了大量有用信息，如用户的注 册信息、访问日志、考试信息、协作信息和学习进度等，大多系统都弃之不用， 造成了资源的极大浪费。 ( 7 ) 可维护性差，升级困难。目前的大多教学软件通常以一种或几种固定的 教学策略展示教学内容，一旦需要变动其中的某个部分，整个系统需要重新编译 和配置，造成大量科研经费及人力的浪费。 1 2 本课题研究的理论及现实意义 网络化与智能化是计算机辅助教学发展的两大趋势【l 】，也是我国教育信息化 的必然趋势。智能教学系统的研究开发运用了相关学科的最新研究成果并对相关 学科的学科发展提出特殊要求。因此，在对这一课题进行研究的同时，必将深入 对计算机科学、教育学、心理学、认知科学和行为科学等理论的基础和应用研究。 同时，基于w e b 的智能教学系统的发展，也必将有力地促进教育教学内容体系的 改革，推动教学方法、教学手段和教学模式的革新，尤其对相关学科的发展起到 有力的促进作用，因此对基于w e b 的智能教学系统的研究具有深刻的理论意义。 在目前我国教育软件特别是远程教育软件缺乏智能的现实下，对基于w e b 的 智能教学系统的研究与实现具有重要的现实意义。智能教学系统的最主要特点是 能对学生因材施教，而传统的计算机辅助教学系统中计算机只是作为知识的传播 工具，不理解教学内容、教学对象和教学方法，只能盲目地向学生传播知识，而 学生不能根据自己的认知能力、知识水平、学习需求和兴趣爱好等选择适合于自 己的学习内容和学习过程。将智能教学系统和远程网络结合更能发挥计算机智能 与网络的巨大作用，使教育教学真正实现广域化、低成本化、无人化和个别化。 1 3 本课题研究的主要内容 本文主要研究内容有如下三个方面： 篱都师鞲太学硕士学位论文 髓i t s 中知识库的设计与实现 第一，研究智能教学系统的理论基础 第= ，研究一种新的知识表示方法神经规则表示法，并在此基础上对 w b h s 中的知识痒进行设计； 第三，使用先进的w 曲应用开发臻境和数据库技术对w b r 瑙中的知识霹进 行实现和开发。 1 。4 本文的章节结构 本文共分六章，各章生要内容为： 第一章引言，对智能教学系统进行橛述，说明其研究意义，并概括本文主 要研究内容。 第二章玎s 的理论基础，主要套缓撵导、支持翘能教学系统磷究约建构兰 义学习理论和人工智能理论基础。 第三章基予神经规剡的知谈表示与获取，重点介绍本文知识库设计中采用 的一静毅的知识表示方法：享枣经规则表示法。 第四章w b r r s 中知识库的设计，重点介绍基于w 曲的智能教学系统中各 个模块涉及到的知识库的设计。 第五章w b l t s 中觳识库约实现，在第四章的设计基础上剩用计算提技术对 w b i t s 中的知识库进行实现。 第六章总结与展望，总结本文研究的经验，并对本课题的深入研究作出展 颦。 首都师藏大学硕士学位论文 鹳i 任孛知识库豹设计与实现 第二章i t s 的理论基础 2 1 学习理论基础 教育工作者都是在定的理论指导下，以一定的教育思想、教学观念指导囊 己的教学设计与教学实践的。随着计算机技术的普及和推广，c a i 已经成为现代 教育技术领域中广大教育正作者教学实践豹一个重要方面。为了提高学生豹学习 质量和效率，必须首先了解人类学习活动的内在规律，学习理论即是对这一内在 舰律的深刻搦示与阐述。教学设计是运用系统方法分析教学问题和确定教学目 标、建立解决方案、评价试行结果和对方案进行修改的过程【9 】。不同的学习理论 对应着不同的教学设计。学习理论和教学设计理论是计算机辘助教学的理论基 础。自从1 9 5 8 年美国i b m 公司研制成功第一个c a i 系统，从而窟告人类进入计算机 教育应用时代以来，计算机辅劲教学的学习理论基础曾有三次演变i 瑚。 2 1 1行为主义学习理论 第一次是以行为主义学习理论作为理论基础，时间是从2 0 世纪6 0 年代初至2 0 墼纪7 0 年代米。这是计算魂辅动教学的初级阶段。 行为主义心理学派( 主要代表人物是斯金纳) 认为，幸亍为是人类生活的一个基 本方面，通过对行为的研究，可以获得对各种环境刺激的功缝进行分析的方法， 从而可以影响和预测有机体( 包插入和动物) 的行为。斯金纳( b f s 1 ( i 衄神通过实 验研究后认为，机体并不一定需要接受骥显的刺激才能形成反应。他把极体由于 刺激而被动引发的反应称为“应激性反应”，机体自身主动发出的反应称为“操 作牲反应”。操作性反应可以用束解释基于操作性行为的学习，如人们读书或写 字的行为。为了促进操作性行为的发生，必须翁步骤缝给予一定的条彳孛作壤，这 是一种“强化类的条件作用”，强化包括正强化和负强化两种类型，正强化可以 理解为机体希望增加的刺激，负强化刘怒机体力图避开的刺激。增加j 下强化物或 减少负强亿物都能促进机体行为爱应的概率增加。这一发瑶被提炼为“剌激一复 应强化”理论。在此基础上，斯会纳提出了程序教学的概念，并总结了一系列 的教学原则，如小步调教学原则、强化学习原则、及时反馈原则等，形成了程序 堕叠墅整盔堂堡主堂垡熊塞 婴! ! ! 主垫墨塞塑塑盐兰壅墨 教学理论，并在实践基础上提出了直线式程序教学的摸式，其基本模式是：显示 问题( 第一小步) 学生解答对网答给予确认谶展到第二小步a 即 学生学了第一步蘑作出蹭答，不管答案正确与否，机器接着呈现正确答案，然后 进入下一步，依此类推，嘉到学完一个程序。 由于举期的c a i 是由“程序教学”发展而来，因此在计算机辅助教学发展的 初期，其理论基础也就不可避免建打上了行为主义学习理论的深刻烙印。基予框 面的、小步骤的分支式程序设计，多年来一粪成为c a i 谋佟嚣发的主要模式，并 且沿用至今，就是行为主义影响的明显例证。 2 1 2认知主义学习理论 第二次是以认知主义学习理论俸为理论基础，融阉是从2 0 避纪7 0 年代末至 2 0 世纪8 0 年代末，这是计算机辅助教学的发展阶段。 行为主义学习理论在研究中不考虑人们的意识问题，只是强调行为，把人的 所有恩维都番作是由“刺激一反应”间的联结形成的，这弓| 起7 认知主义理论学 派的不满。到7 0 年代末8 0 年代初，认知心理学已开始占据统治地位，计算机教育 应用的理论基础也顺理成章地由行为主义学习理论转向认知学习理论。 在认知主义学习理论学派蓊来，是学习个体本身炸用于环境，入豹大脑的活 动过程可以转化为具体的信息加工过程。生活在世界上的人既然要生存，必然要 与所处的环境进行信息交抉，入作为认知主体相互之间也会不断交换信息。人总 是以信息的寻求者、传递者甚至信患的形成者的身份出现。人们的认知过程实际 上就是一个信息加工过程。人们在对信息进绁处理时，必须根据自身的需求进行 转换和加工。认知主义学习理论主张学习的发生要同时依赖外部条件和内部条 孛，教学就是要逶过安封 适当的井帮条件来影响和促进学习者的内部心理过程， 使之达到更理想的学习效果。 在c a i 课件设计中，人们开始注意学习者的内部心理过程，f 始研究并强调 学习嚣豹心理特缝与认知规律；不再把学习看作对外部剃激被动作出豹逡瘦往反 应，而把学习看作学习者根据自己的态度、需要、兴趣、爱好，利用自己的原寄 认知结构，对当前外部刺激所提供的信息主动作出的、有选择的信息加工过程。 这一对絮将认熟学习理论应用于c a l 的著名学者是安德逊( 缸岖e r s o 稿。他于8 0 曾都师辕大学硕士学位论文 聘l 幅中知识库的设计与实现 年代初期根据认知学习理论提出一穗慝维适应控制方法( a d 蚶如ec o n 昀lo f1 h o u g 灿，a c t ) ，强调高级思维的撩制过稷，试图揭示思维定向与思维转移的控制 机制和控制缀刚，安德逊将这种方法应用于建造认知型学生模型，以实现对学生 求解几何闻题思维过程的自动跟黥与控制，并取得缀大成功。他羼研卷的“裹中 几何智能辅助教学系统”也就成为这一时期运用认知学习理论指导橱能教学系统 的杰出代表。 2 1 3建构主义学习理论 第三次怒以建构主义作为理论基础，时间是从2 0 世纪9 0 年代初至今，这是计 算机辅助教学的成熟阶段。 行为主义和认知主义这两种理论虽然存在着冲突，握都是以客观主义认识论 为基础，在c a i 中的表现是以知识传递为中心，计算机扮演教师的角色作为知识 的传授者，学生作为知识接受者进入2 0 世纪9 0 年代以后，客观主义认识论遭到 来囊建构主义认识论豹挑战。挖外，近年来多媒体技术和基于b l 钮蜮的网络逶信 技术的发展为建构童义学习环境提供了技术支持，使得建构主义学习理论影响日 益扩大。如果说客观主义偏重于教的方面，则建构主义偏重于学的方面。 建构主义( c o n s 拥c t i 、，i 髓) 叫酌最早提出翥是瑞士的皮翌杰( j 班a 鸳畦) 。链从 内因和外因相互作用的观点来研究儿童的认知发展。他认为，儿童是在与周围环 境相互作用的过程中，逐步建构起关于外部世界的知识，从而使自身认知结构得 到发震。 建构主义学习理论的基本观点是，知识不是通过教师传授得到，而是学习者 在一定的情境即社会文化背景下，借助他人( 教师和学习伙伴) 的帮助，利用必要 豹学习资料，遥过建构意义的方式面获得。建构主义学习理论认为情境、协作、 会话和意义建构是学习环境中的四大要索或四大属性。情境：学习环境中的情境 必须有利于学生对所学内容的意义建构。教学设计不仅要考虑教学目标分析，还 要考虑有利予学生建构意义豹情境豹创设闻题，并把情境剑设看律是教学设计的 最重要内容之一。协作：协作发生在学习过程购始终。协作对学习资料的搜集与 分析、假设的提出与验证、学习成果的评价直歪意义的最终建构均有重要作用。 会话：会话是协作过程中的不可缺少环节。学习小组成员之闻必须通过会话商讨 首都师范大学硪士学位论文 髓i t s 申知识痒的设计与实现 如何完成规定的学习任务的计划；此外，协作学习过程也是会话过程，在此过程 中，每个学习者的思维成果( 智慧) 为整个学习群体所共享。因此会话是达到意义 建构豹重要手段乏一。意义建构：是蘩个学习过程的最终舀标。所要建构的意义 是指事物的性质、援律以及事物之闻的内在联系。在学习过程中帮助学生建捣意 义就是要帮助学生对当前学习内容所反映的事物的性质、规律以及该事物与其它 事物之间的内在联系达到较深刻的理解。 建构主义提织在教髑指导下的以学习者为中心的学习，也就是说，既强调学 习者的认知主体作用，又不忽视教师的主导作用，教师是意义建构的帮助者和促 进者，而不是知识的传授者与灌输者。学生是信息加工的主体、是意义的主动建 构者，两不是铃部刺激的被动接受者_ 穰被灌埝者。 建构主义成为计算机辅助教学的主要理论基础这个事实，标恚着人们对计算 机辅助教育的认识已日益深化、全面、成熟。 2 1 4 建构主义理论对智能教学系统的指导作用 在建构主义学习和教学理论的指导下，可以通过教育环境、教学内容和学习 工具的数字化，将计算机和网络作为教师的教学辅助正具和学生学习情感激励工 具及认知工哭，以实现一种全新的学习与教学方式，实瑗大幅提高教育教学效 率，培养具备创新精神与实践能力、适应信息时代知识经济要求的素质性人才。 对智能教学系统的研究就是为实现这一日的而进行的。因此在研究和开发智能教 学系统时，就要遵獯建构主义学习环境下鲍瓤下教学设计驭剩f l l l ： 一、明确以学生为中心：这一点对于智能教学系统设计有至关重要的指导意 义，因为从以学生为中心出发，还是从以教师为中心出发，将得出两种全然不同 的设计结果。可以从三个方_ 蟊努力：要在学习过程中充分发挥学生的主动往， 要能体现出学生的首创精神；要让学生有多种机会在不同的情境下去应用他 们所学的知识：要让学生能根据自身行魂的反馈信息来形成对客观事物的认 识和懿决实躲翊题的方案。 二、强调情境对意义建构的蹩要作用：建构主义认为，学习总是与定的社 会文化背景即情境相联系的，在实际情境下进行学习，可以激发学生的联想思维， 首都师范大学硕士学位论文 髓i t s 中知识库的设计与实现 使学习者能利用自己原有认知结构中的有关经验，去同化和索引当前学习到的新 知识，从雨在新潮知识之间建藏起联系，并赋予新知识戳某种意义。 三、强调协作学习对意义建构的关键作用：建构主义以为，协作学习环境以 及学习者与周围环境的交互作用，对于学习内容的理解( 即对知识意义的建构) 起着关键性的作用。透过协作学习，学习者群体( 教师和每个学擞) 的稳维与智慧 就可以被整个群体所共享，即撬个学习群体共露完成对所学知识的意义建构，丽 不是其中的某一位或某几位学嫩完成意义建构。 疆、强调对学习环境的设计：建构主义认为，学习环境是学习者送行自斑探 索和自主学习豹场所。学生可以利用各种王具和信息资源来达到自己的学习嚣 标。在以学生为中心思想指导下的智能教学系统设计应是针对学潮环境而非教学 环境的设计。 五、强调利用各种信息资源来支持学生学习：为了支持学习者豹主动掇索和 完成意义建构，在学习过程中耍为学习者提供各种信息资源( 如媒体和资料) ，用 于支持学生的自豪学习和协作式探索。选择、使用与控制媒体的税力交给了学生； 如何获取及有效利用信息资源等闯题，贝| j 成为圭动探索过程中迫切需要教烬提供 帮助的内容。 六、强调学习过程的最终目的是完成意义建构：在传统课伟设计中，教学目 标是离于一切的，台既是教学过程的出发点，又是教学过程豹归宿。但是在以“学” 为中心的建构主义学习环境中，是把学生对知识的意义建构作为整个学习过程的 最终目的。智能教学系统设计通常不是单单从分析教学目标开始，而是从如何刨 设有利于学生意义建构的情境开始，熬个智熊教学系统设计过程紧紧围绕意义建 构这个中心而展开，在进行教学目标分析的基础上选出当前所学知识中的基本概 念、基本原理、基本方法和基本过程作为当前所学知识的主题或基本内容，然后 再围绕这个主题进行意义建构。这样建梅的“意义”才是真正有塞义的，才楚符 合教学要求的。 4 首都师范大学硕士学位论义 髓l 幅中知识库的设计与实现 2 2