（计算机科学与技术专业论文）基于课程知识的教学测验辅导系统研究与应用.pdf

c o u r s ek n o w l e d g eb a s e do nt h et e s ta n dc o u n s e l i n gs y s t e m r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y w a n gw e n j i a n ( c o m p u t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rl iy o n g j u n e2 0 1 1 伽3肌08 舢59舢8 舢唧丫 大连海事大学 本人郑重声明：本论 撰写成博硕士学位论文 论文中已经注明引用的内 在文中以明确方式标明。 经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：文隧 住 。 l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密彳( 请在以上方框内打“，) 论文作者签名： 名：孝旁 期：勿，年7 月日 中文摘要 摘要 随着计算机技术的进一步发展，信息产业已经渗透到当今社会的各行各业。 在教育领域，如何突破传统教学模式及考试模式，使教育信息化在当前教育教学 中发挥更大作用是我国当前教育改革面临的热点问题之一。 教育信息化，首先是教学过程和考试过程的信息化。将信息技术利用到教育 教学中来，大大节省了教育成本，提高了教学效率。目前，大多数的计算机网络 系统应用于教学领域时，主要关注于认证考试。鲜有系统在教育教学的过程中有 所突破，围绕教学策略、教育测量等方面的研究更是处于起步阶段。许多考试系 统由于是为认证考试而设计，因此往往只重视题库建设和平台开发，对于学生在 学习过程中的辅助作用不大。对于知识点构建，以及建立与以课程知识点为核心 的教学辅导系统更是处于探索阶段。本文就是在此背景下，研究教学规律及学习 规律，并开发基于课程知识本体的教学测验辅导系统的原型，对于学生学习过程 给予帮助。并探索、总结适合高校教学实际的测验辅导系统。 本文在总结以往教学系统基础上，提出基于课程知识的教学测验辅导系统。 研究课程领域知识库的构建方法和组织形式，以及测验题库、辅导题库的组织方 法。同时，完成系统原型开发，实现测验、辅导功能。以大学计算机课程( ( v i s u a l b a s i c 程序设计为实例，完成课程领域知识库建设，完成部分测验题库和辅导题 库建设。 应用本文研究的系统对学生进行了测试辅导，达到了基本的设计目标，可以 在今后的教学实践中不断完善，对学生学习有很大的帮助作用。 关键词：领域知识库；测验系统；辅导系统；教育信息化 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，i n f o r m a t i o ni n d u s t r yh a s p e n e t r a t e di n t o a l la r e a so fc u r r e n ts o c i e t y i nt h ef i e l do fe d u c a t i o n ，h o wt ob r e a kt h e t r a d i t i o n a lt e a c h i n gm o d ea n dt e s tm o d e ，o n eo ft h eh o t t e s ti s s u e so ft h ee d u c a t i o n r e f o r mi no u r c o u n t r yi sh o w t om a k ee d u c a t i o ni n f o r m a t i o n a lt op l a yab e t t e rr o l e e d u c a t i o ni n f o r m a t i o n a l ，f i r s t l ym e a n st e a c h i n gp r o c e s si n f o r m a t i o n a la n dt h e e x a m i n a t i o np r o c e s si n f o r m a t i o n a l t h eu s eo fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yt oe d u c a t i o n t e a c h i n gi na nb i ge f f o r tt og r e a t l yr e d u c et h ec o s to fe d u c a t i o n ，i m p r o v et e a c h i n g e f f i c i e n c y c u r r e n t l y ，t h em a i nf o c u sl i e s i nc e r t i f i c a t i o ne x a mw h e nw et a l ka b o u t n e t w o r ks y s t e mu s e di nt h ef i e l do ft e a c h i n g s y s t e m st h a ta r eu s e di ne d u c a t i o n t e a c h i n g a n dm a k i n gg r e a tb r e a k t h r o u g ha r e t a k i n gaq u i t el i m i t e dq u a n t i t y ，a n d r e s e a r c hf o c u s i n go nt h et e a c h i n gs t r a t e g i e sa n de d u c a t i o n a lm e a s u r e m e n ta r ea tv e r y f i r s ts t a g e b e c a u s em a n yt e s ts y s t e m sa r ed e s i g n e df o rt h ec e r t i f i c a t i o ne x a m ，b a n k b u i l d i n ga n dp l a t f o r md e v e l o p m e n ta r eo f t e nt o pa n do n l yc o n c e r n ，w h i c ht a k e sn o t m u c hf o rs t u d e n t si nt h el e a r n i n gp r o c e s s f o r k n o w l e d g eb u i l d i n ga n dc u r r i c u l u m e s t a b l i s h i n gf o rt h ec o r et e a c h i n gt u t o r i n gs y s t e mi sa tt h ee x p l o r a t o r ys t a g e t h i sa r t i c l e i sb a s e do nt h i s ，r e s e a r c hf o rt h es t u d yo ft e a c h i n ga n dl e a r nt h el a wo ft h el a w ，a n d d e v e l o pap r o t o t y p ei nat e a c h i n gt e s ts y s t e mb a s e do nk n o w l e d g e ，a i d ss t u d e n t sd u r i n g s t u d y i n gp r o c e s s a n de x p l o r e ，r e v i e wt e a c h i n gp r a c t i c et e s t s f o rc o l l e g ec o u n s e l i n g s y s t e m t h i sp a p e rs u m m a r i z i n gt h ep r e v i o u st e a c h i n gs y s t e m sp r o p o s e sab r a n dn e w t e a c h i n gs y s t e mb a s e do nk n o w l e d g eo fc u r r i c u l u m b u i l dm e t h o d sa n do r g a n i z a t i o n t y p eb o t hi nc u r r i c u l u mb a s e do nk n o w l e d g ea n dt e s tb a n k ，c o u n s e l i n ge x a mb a n k m e a n w h i l e ，c o m p l e t ep r o t o t y p ed e v e l o p m e n t ，i m p l e m e n t a t i o nt e s t s ，c o u n s e l i n gf u n c t i o n e x a m p l i n gu n i v e r s i t yc o m p u t e rc o u r s e s 【v i s u a lb a s i cp r o g r a m m i n g ，c o m p l e tt h e c o u r s ed o m a i nk n o w l e d g eb a s e dc o n s t r u c t i o n ，a n dp a r to ft h et e s ti t e mb a n ka n d c o u n s e l i n gb a n kb u i l d i n g t h i sd e s i g no ft h ee d u c a t i o ns y s t e mo ns t u d e n tl e a r n i n gi sv e r yh e l p f u lf o rs t u d e n t i np r a c t i c a l a tt h es a m et i m e ，t h r o u g ht h es y s t e mp e r f o r m a n c et e s t ，w ec a nm e e tt h e s y s t e mr e q u i r e m e n t k e yw o r d s - d o m a i nk n o w l e d g eb a n k ；t e s ts y s t e m ；c o u n s e l i n gs y s t e m ；e d u c a t i o n i n f o r m a t i o n a l 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 1 1 研究背景1 1 1 2 研究意义2 1 2 基于课程本体的教学测验辅导系统研究概述3 1 2 1 国内外研究现状。3 1 2 2 教学测验辅导系统的核心问题4 1 3 研究内容与论文结构5 第2 章相关理论和技术简介7 2 1 知识点二7 2 2 知识结构。7 2 3 课程资源的组织8 2 4 领域知识库9 2 4 1 领域词汇表9 2 4 2 领域特征词相似度表1 0 2 5 基于词义的句子相似度计算。1 1 第3 章系统核心问题研究及设计1 3 3 1 教学知识库构建1 3 3 1 1 领域知识库概述1 3 3 1 2 领域知识库的构建1 3 3 1 3 知识点类型及关系1 5 3 1 4 知识库的表达1 8 3 2 测验题库构建2 0 3 2 1 试题参数2 l 3 2 2 测验题库构建2 3 3 3 诊断题库构建2 6 3 4 辅导诊断路径的构建3 0 3 5 测验策略库构建3 8 3 5 1 测验策略库设计3 8 3 5 2 测验策略库构建4 0 第4 章系统设计与实现4 3 4 1 系统功能设计4 3 诊断题目前采用多选题和填空题两种形式。4 4 4 2 系统整体框架及设计“ 4 2 1 系统整体框架4 5 4 2 2 系统功能结构图。4 5 4 3 数据库设计4 6 4 3 1 数据库需求分析与实体关系4 7 4 3 2 数据库逻辑设计5 0 4 3 3 数据流图5 1 4 4 系统模块设计5 2 4 4 1 系统出卷模块设计。5 3 4 4 2 学生答题模块5 5 4 4 3 学生辅导模块。5 8 4 5 系统实现6 0 4 5 1 开发环境及工具6 0 4 5 2 系统实现6 l 第5 章系统应用及测试。6 2 5 1 教师出卷模块6 2 5 2 学生答题模块6 5 5 3 辅导诊断模块。6 6 5 4 系统测试6 8 第6 章总结和展望7 1 6 1 论文工作的总结7 l 6 2 进一步的研究工作7 2 参考文献7 3 致谢。7 5 研究生履历7 6 基于课程知识的教学测验辅导系统研究与应用 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 1 1 1 研究背景 自从1 9 4 5 年，世界上第一台电子计算机e n l a c 诞生以来，计算机技术在各 个方面深刻的影响着人类的生活方式。随着计算机技术的进一步发展，信息产业 已经渗透到当今社会的各行各业。在教育领域，如何突破传统教学模式及考试模 式，使教育信息化在当前教育教学中发挥更大作用是我国当前教育改革面临的热 点问题之一。 教育信息化，首先是教学过程和考试过程的信息化。将信息技术利用到教育 教学中来，大大节省了教育成本，提高了教学效率。对于计算机辅助教学、考试 方面的研究，国外从很早就开始了，并在题库建设、知识点本体构建、系统平台 开发等方面取得了很多成果。同时对计算机教学、考试方面的系统开发制定了很 多标准，如i e e el t s c 的l o m 、o c l cd u b l i nc o r e 的d u b l i nc o r e 元数据标准， i m s 的l e a r n i n gr e s o u r c em e t a d a t a 等。国内对于这方面的研究起步较晚，我国在 2 0 0 0 年5 月推出现代远程教育资源建设技术规范( 试行本) ，对网络题库、 考试系统的建设规范进行了定义。2 0 0 0 年1 1 月，教育部又组织人员对网络教育 技术标准进行研究，制订了中国现代远程教育技术标准( c e l t s ) ，进一步 规范题库表达、平台开发标准等【。 利用计算机网络进行教育教学源自于美国，经过近3 0 年的探索和实践，该技 术已经逐步完善并得到了广泛的应用。1 9 9 6 年底，国外开始出现网上教学平台， 如美国的n t u 、英国的o p e n c o l l e g e 都是比较典型的网络教育示例【2 1 。国外的考试 平台系统则一般采用委托的形式进行工作。例如：美国思而文学习系统有限公司 在1 4 0 多个国家设有2 2 0 0 多个考试中心，提供2 5 种语言、近百个不同类型的上 千种考试，每年组织全球近4 0 0 万考生通过计算机网络进行各类认证考试。 m i c r o s o f t 认证考试、c i s c o 认证考试、o r a c l e 认证考试等都是委托该公司，利用其 平台进行考试的。美国教育考试服务中心( e t s ) 作为世界上最大的私营非盈利教 第1 章绪论 育考试评估机构利用计算机网络的手段每年组织世界各地近1 2 0 0 万人进行各种考 试，如我们所熟悉的t o e f l 、g r e 、g m a t 等【3 1 。总的来看，国外的计算机网络 考试技术已经相对成熟，各类考试尤其是资格认证、能力考查等方面的考试，都 逐步采用了计算机辅助测验的手段，而且这种形式也已经广泛运用。正是这种技 术的存在和发展，使得全世界的人才进行全球化竞争的局面逐步形成。 我国目前也正尝试将计算机网络考试系统应用于各类考试，以提高考试效率 和公平性。如由国家人事部门组织的计算机应用能力考试，由公安交通管理部门 组织的交通法规考试，由教育部考试中心组织的计算机等级考试等1 4 】。教育部考试 中心日前表示，备受瞩目的大学英语四六级考试也将采取计算机网络考试的形式 进行。作者所在的大连海事大学对于计算机网络考试也非常重视，目前已把大 学计算机基础、( ( v i s u a lb a s i c 程序设计基础等大学计算机类基础课程的考试 形式变为计算机网络考试，并进行了一些有益的探索和尝试。可见，计算机网络 考试系统的开发与应用在我国正处于推广和实践阶段，各项研究和研发工作正在 紧张进行，未来计算机网络考试必将成为社会关注的热点。 我们也看到，大多数的计算机网络系统应用于教学领域时，仍关注于认证考 试。鲜有系统在教育教学的过程中有所突破，围绕教学策略、教育测量等方面的 研究更是处于起步阶段。许多考试系统由于是为认证考试而设计，因此往往只重 视题库建设和平台开发，对于学生在学习过程中的辅助作用不大。对于知识点构 建，以及建立以课程知识点为核心的教学辅导系统更是处于探索阶段。 本文就是在此背景下，研究教学规律及学习规律，并开发基于课程知识的教 学测验辅导系统的原型，对于学生学习过程给予帮助。并探索、总结适合高校教 学实际的测验辅导系统。 1 1 2 研究意义 计算机技术应用于教育领域后，给教育教学活动带来了深刻的变革。教学测 验辅导系统可以大大减轻教师负担，帮助教师及时掌握、分析学生学习情况，同 时也适合学生多次、反复的测验自己对于知识点学习情况。无纸化的测验辅导过 程，也可以大大降低教学成本。 基于课程知识的教学测验辅导系统研究与应用 我们知道，教学测验是教学活动中重要的环节之一。通过测验，能够及时、 准确的使教师掌握学生的学习情况，并相应的调整教学计划。然而，传统的教学 实践中，教学测验存在三方面的不足： ( 1 ) 空间的局限性。教师为了得到准确的测量结果，不得不在指定的地点进 行测验。而且，在教学过程中，教师出卷子、发卷、监考、收卷、批改、统计等 一系列工作都作为测验的副产品，为教师进行测验增加了很多无用却必须的工作 量。 ( 2 ) 时问的局限性。在大多数情况下，教师组织学生进行的测验会安排在固 定时间进行。这一方面可能会影响课程的正常进度，另一方面，学生也只能在有 限的测验次数内对自己学习情况进行测验，无法及时掌握自己学习情况。 ( 3 ) 统计的局限性。由于是纸质化考试，同时，高校教师在授课时往往面对 近百名学生，教师很难及时对大量的测量数据进行处理和统计。 针对这些问题，产生了教学测验辅导系统。一个智能化的教学测验辅导系统 能够很好的解决传统教学的不足，是传统教学方法一个很好的补充。 教学测验辅导系统的开发，需要构建知识库，以及与知识库相一致的试题库。 在学生实际测验时，可以针对学生答错的题目进行有针对性的解答和辅导，大大 减轻教师教学压力，同时提高了学生的学习效率。 1 2 基于课程本体的教学测验辅导系统研究概述 1 2 1 国内外研究现状 国外研究机构对于智能教学测验系统的研究已经取得了一定的成果。很多教 学网站都具备教学测验和辅导功能。c a r b o n e l l 于1 9 7 0 年开发的s c h o l a r 系统【5 1 ， 是智能教学系统的最早探索。文献【6 】描述了一个采用语义网技术的决策系统。介 绍了该系统包含的各种本体，包括用户本体，课程和学习资源本体，学习服务提 供者本体，学习平台本体等等。e l e n a i s 7 】是i s t ( i n t e l l i g e n c e s c i e n c ea n d t e c h n o l o g y ) 计划中的一部分，由h a n n o v e r 大学开发。它提出了智能学习空间的概 念，在分布式学习空间中通过制定各种学习服务，为学习者提供个性化的可交互 第1 章绪论 的学习平台。j e l e n aj o v a n o v i c l 8 l 等人开发的t a n g r a m 系统是一个基于本体的学 习系统。他们定义了学习资源本体，用户本体，领域本体等等。1 9 9 6 年，国外一 些支持网络教学的教学系统和平台相继问世。如：美国国家技术大学( n a t i o n a l t e c h n o l o g yu n i v e r s i t y ) 利用网络教学系统进行大学课程授课、英国 u l h ( u n i v e r s i t yo f l i n c o l u s h i r ea n dh u m b e r s i d e ) 丌发的基于计算机网络教学的 l e a r n i n gs y s t e m 、加拿大研究机构开发的v i r t u a l u 系到9 l 等，都已在实践中得到 教师及学生的认可。 我国对于教学系统方面的研究尚处于起步阶段。h o w n e t 知网是当前中国国内 研究者建立的一个重要中文常识知识库，以英汉双语所代表的概念及其属性作为 描述对象，包含中文词典中概念与概念间的关系。文献【1 0 】则阐述了本体建模在知 识库建设方面的应用。k m s p h e r 是由中国科学院计算技术研究所智能科学实验室 研制的知识管理系统【1 1 l 。它以辅助用户创建、管理领域本体，并提供通用的知识 查询语言和知识服务机制支持面向应用的语义级知识服务。我国在1 9 9 8 年前后， 随着信息技术尤其是网络技术的进一步深入，各高校纷纷涉足计算机网络教学方 面的研究，如北京师范大学的网络考试平台、上海交通大学的网络考试平台f 2 】等。 1 2 2 教学测验辅导系统的核心问题 教学测验辅导系统属于智能计算机辅助教学( i c a i ) 的研究范畴。智能计算 机辅助教学是以认知科学和思维科学为理论基础，综合人工智能技术、教育心理 学等多门学科研究方法，对学生进行高效教育的一种教育技术【1 2 l 。本系统在设计、 开发中涉及的核心问题包括领域知识库构建、测验题库构建、辅导诊断题库构建、 策略库构建等。 ( 1 ) 领域知识库构建。 领域知识库是教学测验辅导系统的核心。系统的功能模块、题库建设等方面 都是围绕领域知识库组织起来的。领域知识库将课程知识科学、合理、有效的组 织起来，便于知识的提取、重构、复用。本系统的领域知识库构建既需要开发设 计人员总结目前现有技术和模式，探索出适合网络测验、网络辅导的领域知识库 组织形式，也要加强与领域专家的沟通，咨询专家意见。 基于课程知识的教学测验辅导系统研究与应用 ( 2 ) 测验题库构建。 测验功能模块是本系统的重要模块之一，也是i c a i 系统必备的功能1 1 3 】。测验 题库的构建质量将直接影响系统性能。如何合理、有效的组织测验题库，把测验 题库与领域知识库科学的联系起来，是本系统研究的核心内容之一。 ( 3 ) 辅导诊断题库构建。 本系统在辅导诊断模块中，学生可在系统中自行选择需要辅导或诊断的知识 点，系统辅导诊断功能会根据预先设定对学生进行辅导和诊断。辅导诊断题库与 领域知识库相连接，学生选择欲辅导知识点后，系统返回相应诊断题，通过学生 对诊断题目的回答情况，判断学生对知识点的掌握程度，并给予相应辅导。 ( 4 ) 策略库构建。 本系统充分考虑教师授课进度、授课情况、教师授课习惯、学生接受能力、 学生专业背景，以及涉及测验的相关属性等方面内容。教师可通过使用预设策略 或新建策略对学生学习情况进行测验、考试，满足教师分层次教学需要，也使系 统更为灵活。 1 3 研究内容与论文结构 本文主要包括六部分内容，安排如下： 第一章绪论。阐述课题研究背景、研究意义，以及目前教学测验辅导系统相 关领域的研究成果和国内外研究现状，分析系统开发设计过程中研究的核心问题。 最后介绍本论文的主要研究工作。 第二章相关理论和技术简介。介绍论文研究中的理论基础和技术背景，并对 相关理论问题进行简要概述。 第三章系统核心问题研究及设计。本章就领域知识库构建、测验题库构建、 辅导诊断题库构建、策略库构建等系统研究的核心问题进行了讨论；详细阐述了 各核心问题的设计思路及数据库结构；分析了各功能模块的实现思路。 第1 章绪论 第四章系统设计与实现。本章对系统实现进行了需求分析和业务分析；详细 介绍了系统框架；通过对各模块数据流图的分析，阐述了系统各模块的业务流程； 介绍了系统开发环境，利用a j a x 技术中的d w r 框架实现了学生答题的异步传输。 第五章系统应用及测验。展示了系统的运行界面及运行效果，同时结合教师 授课实际，在大连海事大学航海类专业( ( v i s u a lb a s i c 程序设计授课过程中进行 了适用，并对系统进行了测试；最后在测试的基础上，分析了测验结果及系统性 能。 第六章总结与展望。本章总结了论文主要研究和开发工作，并结合系统性能 分析及测验结果分析，对今后的工作进行了展望。 测 粗粒度 查学生 细节情况，针对学生的答题错误给予直接的提示和指导，就需要考虑如何细分课 程知识点，如何表达课程知识结构，如何按照课程知识点组织教学资源，如何按 照课程知识点组织测验题库，如何按照课程知识点组织诊断题库，如何按照知识 结构对学生进行测验，如何处理学生的提问，如何匹配学生的答案，如何按照知 识结构对学生进行学习导航等。另外，以上问题涉及到知识点、知识结构、课程 资源组织、知识库构建、基于词义的句子相似度计算等相关的理论和技术的学习 和应用。 2 1 知识点 对于“知识点 概念，本论文参考文献 1 4 1 使用如下定义：知识点( k n o w l e d g e p o i n t ) 是指在教学活动过程当中教学信息的基本组织单元和基本传递单元。按照 组织单元的大小，知识点可分为元知识点和复合知识点。元知识点是不可再分割 的知识点，是知识的最小单元。复合知识点是由若干元知识点、其它复合知识点 组成的知识点。本文按照教学内容的组织结构也就是教材的章节来确定复合知识 点，一章可作为为一个大的复合知识点，一节可作为为一个小一点的复合知识点， 节内还可以再划分小节作为更小的复合知识点，小节中的基本概念通常作为元知 识点。 2 2 知识结构 知识结构也就是知识点之间的逻辑关系，基本的知识结构是反映知识点之间 包含关系的树形结构，但是知识点之间还有前驱、后继、关联等其它关系，因而 可以构成复杂的网状结构。树形知识结构对应的最简单信息集合为三元组集合 ) ，其中知识点层次编码反映了知识 第2 章相关理论和技术简介 点之间的父子关系或者说包含关系。知识点层次编码的实用的构成规则为：根节 点的层次编码为空字符串，如果一个知识点的编码为x ( 偶数位字符型数字) ，则 其下层知识点( 子知识点) 的编码依次为x 0 1 、x 0 2 、x 0 3 等。本文另外用三元组 集合 ) 表示知识点之问的其它关系。 图2 1 表明了知识点树型结构。 图2 1 知识点的树型结构 f i g 2 1t h et r e es t r u c t u r eo fk n o w l e d g ep o i n t s 2 3 课程资源的组织 课程知识资源划分为逻辑资源( l o g i c a lr e s o u r c e ) 和物理资源( p h y s i c a l r e s o u r c e ) 。逻辑资源是指知识点资源，逻辑资源层描述了知识点及知识点之间的 关系，物理资源是指课件等教学资源，如图2 2 所示。图中圆形代表的是各个知识 点，可以是元知识点，也可以是复合知识点。实箭头表示各个知识点之间的关系， 虚箭头表示知识点资源与教学资源的映射关系。本文在系统设计实现时将逻辑资 源层的知识网络简化成知识树并在树上的结点挂接课件等教学资源。 基于课程知识的教学测验辅导系统研究与应用 逻辑资源层 物理资源层 图2 2 领域知识的组织模型 f i g 2 2t h ed o m a i nk n o w l e d g eo r g a n i z a t i o nm o d e l 2 4 领域知识库 领域知识f 1 5 】，即属于某一领域范围内的特定知识，这里的“领域”范围可以 根据实际的应用需求来确定，它可以是一个学科领域，可以是某几个学科领域的 结合，也可以是某个领域中的一个小范围【1 6 1 。领域知识表示是指根据实际应用对 领域知识的抽象，它专注于分析领域知识本身，发掘重要的领域概念，并建立领 域概念之间的关系。 在教学测验辅导系统中需要建立基本的领域知识库，来归类理解学生提出的 问题，归类理解学生对问题的回答。在未来设计中，领域限定为教育领域的计算 机学科，在目前的设计中限定为v b 课程。在目前的设计中基本的领域知识库的构 建主要体现在领域词汇表、领域特征词相似度表的构建。 2 4 1 领域词汇表 领域词汇表中主要记录着领域专有词汇，或者称为领域特征词，所以领域词 汇表又可以称为领域特征词表。构建领域词汇表主要靠专业人员来完成，领域专 第2 章相关理论和技术简介 家在构建过程中起了重要的作用。本论文所设计的系统的领域词汇表包含 v b 程 序设计教材中出现的专业词汇，例如“窗体 、“窗口 、“文本框 、 “变 量”、“整型变量”、“整数类型变量 、“过程调用”、“程序调用”、“函 数调用 ，如表2 1 所示。 表2 1 领域词汇表 t a b 2 1t h ed o m a i no fv o c a b u l a r y 领域词汇号领域词汇 窗体 窗口 文本框 变量 整形变量 整数类型变量 过程调用 程序调用 函数调用 2 4 2 领域特征词相似度表 领域特征词相似度表描述了领域特征词之间的同义关系和近义关系等，在本 文中统称为相似关系。例如对于 v i s u a lb a s i c 程序设计课程，领域特征词“窗 体 又可以称为“窗口”，它们是同义词关系；“变量 ，“过程调用、“程 序调用、和“函数调用 等是近义词关系。本文中，领域特征词之间的相似度 是指在学科领域中，领域特征词之间可相互替代的程度，用一个o 到1 之间的实数 描述，数值越高代表两个词的意思越接近，越可以互相替代。领域特征词相似度 表的表结构及部分实例见下表2 2 。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 基于课程知识的教学测验辅导系统研究与应用 表2 2 领域特征词相似度表 t a b l e2 2t h et a b l eo ft h es i m i l a r i t yb e t w e e nd o m a i ni t e m s 领域特征词的同义词和近义词在本论文中统称为领域特征词的相似词，用一 个0 到1 的数字表示相似词间的相似程度。目前，领域特征词是由领域专家给出 的，领域特征词的相似词也是由领域专家在实际应用中根据经验给出，将来研究 如何根据语料库通过算法计算得出。 2 5 基于词义的句子相似度计算 测验辅导系统需要问题理解，问题理解的一种可行方式是把用户提出的问题 和系统预置的问题进行语义距离计算，也就是基于词义的句子相似度计算。基于 词义的句子相似度计算是以领域特征词的相似度为基础的，其方法需要一定的词 义资源为基础1 1 7 1 ，如同义词词林、h o w n e t 等。句子相似度计算建立在句子中的词 在句中所表达的词义的基础上。设句子a 与b ，a 的特征词为a 1 ，a 2 ，a m ， b 的特征词为b 1 ，b 2 ，b n ，记特征词a i ( 1 i m ) 、b j ( 1 j n ) 的相 似度为s ( a i ，b j ) ，则句子a 与b 的语义相似度为： 艺口；乏6 ， s i m ( 彳，b ) 一( l + 上l 一) 2 mn ( 2 1 ) 其中 a i = m a x ( s ( a i ，b 1 ) ，s ( a i ，b 2 ) ， ，s ( 赴，b n ) ) ， b j = m a x ( s ( b j ，a 1 ) ，s ( b j ，a 也) ，s ( b j ，a n ) ) ， s i m ( a ，b ) 表示句子a 、b 的语义相似 度。该计算方法充分考虑到每一个词的深层信息，使表面不同，而深层意义相同 第2 章相关理论和技术简介 的词被挖掘出来。但是由于词典的不全面和一些未登录词的缺失，也给计算带来 了一定的误差。 基于课程知识的教学测验辅导系统研究与应用 第3 章系统核心问题研究及设计 基于课程本体的教学测验辅导系统开发设计时遇到的核心问题包括：教学知 识库的建立、测验题库建设、辅导诊断题库建设、辅导诊断路径、策略库建设等。 其中，知识库建设与题库建设是本系统的核心问题。帮助教学人员合理、清晰地 进行知识库、题库建设是本系统要完成的首要任务。 3 1 教学知识库构建 教学知识库是本系统的核心部分。系统所用功能模块、题库组织等都是围绕 知识库展丌的。本系统的最大特点是将测验题、诊断题、学生学习情况、教师出 题等都以知识点为单位进行划分。因此，知识库的建设、知识点的表达对于本系 统极为重要。 教学知识库应分为领域知识库和测验策略。所谓领域知识，在本系统中就是 课程知识的知识点系统表达。其中存储的是课程知识点和各知识点问的层次结构。 本系统在开发和应用中以大学( ( v i s u a lb a s i c 程序设计课程为例，进行课程知识 库建设。测验策略，就是指教师在组织教学、测验时所采取的方法，是协助教师 在教学计划内高效完成教学任务的手段【1 剐。 3 1 1 领域知识库概述 “领域知识 概念来源于人工智能学科的研究成果，是针对描述某一特定领 域知识而建立的知识库。其中包括某一领域内的概念、概念之间相互关系，以及 有关概念的约束等1 1 9 l 。领域知识库应是全面的、结构化的、易于操作的、有组织 的知识点集合。 3 1 2 领域知识库的构建 从目前人工智能学科的研究来看，构建领域知识库主要还是需要人工来完成。 领域知识库的构建是一项长期的、系统的工作。总体来说，大概需要5 个步骤， 如图3 1 所示。即知识库范围界定，概念抽取，概念关联，组织数据，形式存储。 第3 章系统核心问题研究及设计 阶段进程 图3 1 领域知识库构建步骤 f i g 3 1t h ed o m a i nk n o w l e d g et ob u i l ds t e p 知识库范围界定：即确定领域知识库的表达范围及研究对象。如本系统的知 识库界定范围是课程v i s u a lb a s i c 程序设计教学知识库。 概念抽取：是指领域范围内，将知识进行归纳、总结、分类，并形成知识点。 对知识归纳的是否完善、知识分类是否合理等是领域知识库性能的重要因素。 概念关联：是指在领域专家的协助下，对抽取出的概念进行比较、分析，并 对之问的关系进行关联。 组织数据：也n t t 矢n 识表达。是指使用一定方法对客观知识进行概括、抽象。 知识的表达方法主要包括况明性的知识表示、直接式的知识表示、过程式的知识 表示、可视化的知识表示和综合性的知识表示1 2 0 l 。 领域知识库构建需遵循一定的原则1 2 1 1 。主要包括： ( 1 ) 自上而下原则。在构建领域知识库时，首先确定知识库总体架构，在此 基础上将框架上的主要结构进行层层分解。 ( 2 ) 由外而内原则。在构建领域知识库时，要明确知识库的边界，在边界范 围内对领域知识进行研究。这样可以保证构建的领域知识库具有一定独立性。 ( 3 ) 专家参与原则。领域知识库的构建，离不开领域专家的参与。在对知识 的分类、知识的表达等方面，领域专家的建议尤为重要。领域专家的适度参与可 保证领域知识库的权威性和可靠性。 基于课程知识的教学测验辅导系统研究与应用 3 1 3 知识点类型及关系 本系统的领域知识库构建主要是对知识点进行有效、便捷的组织。所谓教学 知识点，可以看作是阐述某一问题、某一方面、某一课程的完整教学单元【2 2 1 。对 于知识点的划分，从结构上来看，某一课程、某一章节、某一定理，甚至是某个 函数中的参数，都可以看作是知识点。知识点划分的越小、越细，其表达的内容 越具体，越详细1 2 3 1 。因此，对知识点本身做如下定义： ( 1 ) 元知识点：即不可再分知识点。该类知识点单纯描述了某一教学单元的 全部内容，具有原子性，在领域边界范围内不可再分，或没有再划分的必要。例 如：在( ( v i s u a lb a s i c 程序设计中，“算数运算符 就可作为元知识点单独划分。 ( 2 ) 知识侧面：是指对于元知识点内容的描述。元知识点作为领域边界范围 内不可再分的知识点，其所属内容往往不宜单独作为知识点来进行划分，此时， 这部分内容可作为该知识点的知识侧面来考虑。例如：“算数运算符 作为元知 识点，包括了乘方、负号、乘法、除法、整除、取余、加法、减法、优先级等知 识侧面。考虑到知识库的有效性和便捷性，这些知识侧面不宜单独作为知识点考 虑。 ( 3 ) 复合知识点：是指由两个或两个以上的知识点，按照某种关系序列组合 而形成的知识点。这里的知识点可以是元知识点或复合知识点，且知识点的个数 和关系序列的种类是有限个。例如：“运算符”是由“算数运算符 、“字符运 算符 、“关系运算符 、“逻辑运算符”等4 个元知识点组成的复合知识点； “v b 语言基础”是由“数据类型 、“常量与变量 、“运算符与表达式”、“常 用内部函数 等4 个复合知识点组成的复合知识点。 元知识点问、复合知识点间、元