（计算机应用技术专业论文）基于网络的外语学习系统平台的研究与实现.pdf

浙江理工大学硕十学位论文 摘要 基于网络的外语学习平台是目前网络技术研究的热点之一，它将改变现有的外语学习 环境和教学模式，极大地提高外语学习效率。现有的外语学习平台只能在客观题上给学生 标准答案，而无法在主观题( 如口语训练) 上给学生客观评价。声音处理和识别一直是现 有平台的瓶颈，使得网络外语学习平台的实现不够个性化和智能化。本论文的创新点就是 结合语音处理技术和神经网络技术来实现计算机对口语训练成绩的客观评价，并以此作为 人的主观评价的补充，实现机器客观评价。 本论文重点研究了口语训练语音波形、语音增强、语音特征参数的分析和提取以及基 于神经网络模型对口语训练成绩客观评价的方法，其具体内容如下： l 、介绍了网络外语学习平台设计的目标，在对其功能进行分析的基础上提出了一些 新的功能：系统组卷、学习监督、口语训练反馈，并详细介绍了这些功能的实现。 2 、分析了语音信号增强的基本原理，同时研究了基于小波变换算法、最小均方误差 估计法( m m s e ) 及改进的m m s e 方法。通过输出信噪i ：t ( s n r ) 、均方误差( m s e ) 及语谱图三 种客观评价指标对以上三种语音增强方法的效果进行评价，得出改进的m m s e 方法是最有 效的语音增强方法。 3 、研究了与口语训练相关的语音特征参数：有效语音段、短时能量、平均幅度、基 音频率、第一共振峰、m e l 频率倒谱系数( m f c c ) 的选择及各自的特征，分析了语音特征参 数与口语训练成绩的相关性及其具体提取算法。 4 、研究了b p 神经网络及e l m a n 神经网络的一般模型、学习规则及基本特征。讨论了 隐层神经元个数及训练函数的选取，设计训练网络，计算出待测语音的特征参数并进行大 量的防真实验，给出测评的结果及其分析。实验表明神经网络能对口语训练成绩进行客观 评价，并且e l m a n 神经网络评价方法较b p 神经网络评价方法更优。 本论文创造性地提出了口语训练客观评价的思想，很好地弥补了网络外语学习平台的 不足。实践证明，口语训练客观评价能很好地逼近人的主观评价，完全可以满足学生在口 语训练及口语考试中成绩的实时反馈，对促进学生外语口语水平及综合应用能力提高具有 积极的现实意义。 关键词：口语训练；语音处理：特征分析；神经网络：客观评价 浙江理丁大学硕士学位论文 a b s t r a e t t h er e s e a r c ho nt h en e t w o r k - b a s e df o r e i g nl a n g u a g el e a r n i n gp l a t f o r mi si n c r e a s i n g l yh o ti n r e c e n tn e t w o r kt e c h n o l o g yr e s e a r c h ，w h i c hw i l li m p r o v et h ec u r r e n tl e a r n i n ge n v i r o n m e n ta n d t e a c h i n gm o d e l ss i g n i f i c a n t l y ，t h u sm a k i n gi tm u c hm o r ee f f e c t i v e t h ec u r r e n tf o r e i g nl a n g u a g e p l a t f o r mh a sa ne v i d e n ts h o r t c o m i n g t h a ti s ，i tc a l lo n l yb eo b j e c t i v ea s s e s s m e n tt oo b j e c t i v e i t e m sb u tn o ts u b j e c t i v eo n e s s p e e c hp r o c e s s i n ga n dr e c o g n i t i o na r es t i l lt h ep r o b l e mf o rt h i s a r e aa n dm a k et h er e a l i z a t i o no ft h ew e b - b a s e df o r e i g n l a n g u a g el e a r n i n gp l a t f o r ml e s s i n d i v i d u a l i z e da n di n t e l l i g e n t t h ei n n o v a t i v e p o i n t o ft h ed i s s e r t a t i o ni sc o m b i n e dw i t h t e c h n o l o g i e si ns p e e c he n h a n c e m e n ta n dn e u r a ln e t w o r k ，i tw i l la c h i e v et h er e s u l to fh a v ea s u i t a b l eo b j e c t i v ee v a l u a t i o n so fp e r f o r m a n c eo no r a lp r a c t i c e b yc o m p u t e ri n s t e a do ft h e s u b j e c t i v eo n e sb yp e r s o n t h i sd i s s e r t a t i o nw i l lf o c u s eo nt h ea n a l y s i so fs p e e c h w a v e ，e n h a n c e m e n ta n df e a t u r e p a r a m e t e r s ，a n dt h em e t h o do ft h es u i t a b l eo b j e c t i v ee v a l u a t i o n so fp e r f o r m a n c eb a s e do nt h e n e u r a ln e t w o r ko no r a lp r a c t i c ef r o mt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： f i r s t l y ，i ti n t r o d u c e st h eg o a lo ft h ed e s i g nf o rw e b b a s e df o r e i g nl a n g u a g el e a r n i n g p l a t f o r m ，a n ds o m en e wf u n c t i o n ss u c ha ss y s t e mf o r mt e s t ，l e a r n i n gs u p e r v i s i o n ，o r a lt e s t f e e d b a c ka n dt h er e a l i z a t i o no ft h e s ef u n c t i o n s s e c o n d l y ，i td i s c u s s e sw a v e l e tt r a n s f o r ma l g o r i t h m ，m i n i m u mm e a ns q u a r e de r r o r ( m m s e ) a n dt h ei m p r o v e dm m s eb a s e do nt h ea n a l y s i so ft h eb a s i cp r i n c i p l e so fs p e e c hs i g n e n h a n c e m e n t a no b j e c t i v ee v a l u a t i o no ft h et h r e es p e e c he n h a n c e m e n tm e t h o d si sc o n c l u d e d a c c o r d i n gt oe v a l u a t i o ni n d i c a t o r so fs i g n a l - t o - n o i s er a t i o ( s n r ) ，m e a ns q u a r ee r r o r s ( m s e ) a n ds p e c t r o g r a m s i ts h o w st h a tt h ei m p r o v e dm m s ei st h em o s te f f e c t i v es p e e c he n h a n c e m e n t m e t h o d t h i r d l y ，i ts t u d i e ss p e e c hf e a t u r ep a r a m e t e r sr e l a t e dt oo r a lt r a i n i n g ：v o i c es e g m e n t ， s h o r t - t i m e e n e r g y ，a v e r a g em a g n i t u d e ，p i t c hf r e q u e n c y ，t h e f i r s tf o r m a n ta n d m e l - f r e q u e n c yc e p s t r a lc o e f f i c i e n t s ( m f c c ) ，a n di ta l s oa n a l y z e st h ec o r r e l a t i o nb e t w e e na n d s p e e c hf e a t u r ep a r a m e t e r sa n do r a lp r a c t i c ep e r f o r m a n c ea n di t ss p e c i f i cm e a s u r e m e n t l a s t l y ，i ts t u d i e st h ec o m m o nm o d e l ，l e a r n i n gr u l e sa n db a s i cf e a t u r e so ff e e df o r w a r d n e u r a ln e t w o r k ，b pn e u r a ln e t w o r k ，f e e d b a c kn e u r a ln e t w o r ka n de l m a nn e u r a ln e t w o r k b e s i d e s ， 浙江理工大学硕士学位论文 i td i s c u s s e sh o wt oc h o o s ed g h tp r a c t i c ep o i n t sa n dp r a c t i c ef u n c t i o n s ，h o wt od e s i g np r a c t i c e n e t w o r k ，h o wt og e tf e a t u r ep a r a m e t e r st h r o u g hs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa n dh o wt oa n a l y z et h e r e s u l t s t h er e s u l ts h o w st h a tn e u r a ln e t w o r kc a ng i v eo b j e c t i v ee v a l u a t i o n st oo r a lp r a c t i c ea n d t h em e a s u r eo fe l m a nn e u r a ln e t w o r ki sb e t t e rt h a nt h a to fb pn e u r a ln e t w o r k i n n o v a t i v e l y ，t h i sd i s s e r t a t i o nr a i s e sac o n c e p t i o no fo b j e c t i v ee v a l u a t i o nf o ro r a lp r a c t i c e w h i c hc a nr e m e d yt h es h o r t c o m i n g so fw e b b a s e df o r e i g nl a n g u a g el e a r n i n gp l a t f o r m p r a c t i c e h a sp r o v e dt h a to b j e c t i v ee v a l u a t i o n sf o ro r a lp r a c t i c ec a ng r e a t l ya p p r o a c ht h es u b j e c t i v eo n e s b yp e r s o n i tc a r lc o m p l e t e l ym e e tt h en e e do fr e a lt i m ef e e d b a c kd u r i n gs t u d e n t s o r a lp r a c t i c e a n dt e s t ，a n dh a sg r e a tp o s i t i v ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et oe n h a n c es t u d e n t s c a p a b i l i t yo fs p e a k i n g a n di n t e g r a t e da p p l i c a t i o ni nl e a r n i n gf o r e i g nl a n g u a g e s k e yw o r d s ：o r a lp r a c t i c e ；s p e e c hp r o c e s s i n g ；f e a t u r ea n a l y s i s ；n e u r a ln e t w o r k ；o b j e c t i v e e v a l u a t i o n s 浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。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得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰 写，我对所写的内容负责，并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：余建j a 日期：血。净5 月c 日 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工 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，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密i z l，在 不保密 。 学位论文作者签名：奈建蹲a 日期：竹3 月弓日 年解密后使用本版权书。 指导教师签名 日期：夕 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 课题的背景和意义 第一章引言 科学、技术、经济发展的全球化，使国家之间的联系日益密切。特别是在中国加入 w t o 和成功举办2 0 0 8 年奥运会后，人们对外交流同趋频繁，社会对外语人才的需求也非 常旺盛。英语成为对外经济和科技交流的主要语言。据统计，在二十世纪八十年代，世界 上的文字出版物中有7 5 是用英语出版。进入九十年代中期，文字出版物和音像出版物大 约有8 5 是用英语出版。英国文化委员会于1 9 9 4 1 9 9 5 年对世界各地的英语教学专家进行 了一项名为e n g l i s h 2 0 0 0 的调查。结果显示9 6 3 的人认为在今后2 5 年内，英语将仍然是 用于国际交流的世界语言，有7 9 2 的人认为到二十一世纪中期之前，不会有其它语言与 英语抗争世界主要语言的地位，有9 5 2 的人认为，在今后2 5 年内，英语将是提供高科技 交流和信息的主要手段。因此，在相当长的时期内，英语的世界地位只会加强，不会削弱。 由于英语学习的重要性，国内对英语教育也一直非常重视。教学方式和授课水平是影 响外语教学效果的重要因素。目前我国高校公共英语教学中主要存在如下问题：( 1 ) 授课教 师严重缺乏。自从1 9 9 8 年大学实行扩招以来，大学本科人数正以每年7 - 8 速度迅速发展 【l j 。到2 0 0 6 年已经突破2 0 0 0 万，按教育部发展规划，到2 0 2 0 年我国本科人数将达到4 0 0 0 万规模，学生的数量在成倍增加但是教师队伍在短时间内不可能以同等速度增长。在这种 情况下外语教育的师资不足是不可避免的，因此出现了大班授课以处理好有限的师资与繁 重的教学任务之间关系的新模式。但大班授课模式导致师生之间缺乏沟通和联系机会，这 将直接导致了教学质量的下降。( 2 ) 学生英语水平的参差不齐。边远地区受到教育的限制英 语水平相对滞后，而沿海地区大城市的中小学加大了英语教学的力度，加之近年的扩招， 现在大学新生的英语水平相差很大，如果继续采用以黑板、书本、教师讲授为主的传统教 学模式，教师教起来会有很大困难【2 1 。( 3 ) 应试教学现象普遍，导致了学生英语综合应用能 力较低【3 】。用人单位对近几年来毕业的大学生英语综合能力普遍感到不满意，对口语及写 作能力则更为不满。据调查显示有7 3 的大学毕业生的口语水平不能达到及格标准，只有 0 8 的大学毕业生的口语能够达到优秀水平f 4 】。现行英语教育模式培养出来的学生，其英 语水平己经不能适应社会发展的需求。学生们也意识到这一问题的严重性，强烈要求提高 自己口语水平来满足用人单位的要求。但是，这些要求在现行英语教育模式中显然得不到 基于网络的外语学习系统平台的研究与实现 解决。我国外语教学的现状表明传统的教学模式已经成了束缚高等教育规模进一步发展、 影响大学英语教学质量提高的主要因素。要解决这些问题，就只有采用基于网络和多媒体 的教学模式对现有教学模式进行改革【5 堋。 中央领导就大学英语教学改革做了多次专门的批示，教育部领导也指示要大力推进以 计算机和网络技术进行英语教学的公共英语教学改革。在这一背景下，教育部高等教育司 发出了关于实施大学英语教学改革试点工作的通知。教育模式的改革是此次改革的核 心，要从课本、黑板、教师讲学生听的模式改变为计算机网络、教学软件、课堂综合运用 的个性化、主动式学习模式，其中计算机软件主要解决听说的问题。从此，近几年各大高 校都在不断寻求能体现学校教学理念、操作简便、功能强大、费用更省的网络外语学习平 厶 口。 网络外语学习平台就是以计算机网络为依托发展起来的，是新教学模式的一部分。北 京理工大学是大学英语教学改革比较成功的一所大学，它在设计新课程体系的时候保证学 生每周两小时的网络外语学习时间，再加之教师面授辅导，学生综合应用能力取得了很大 飞跃：经调查显示1 0 0 的学生表示采用新模式教学提高了学习英语的兴趣，8 5 2 的学生 表示采用新模式教学提供了一个真实的英语语言环境，7 1 2 的学生表示采用新模式教学 提高了英语交际能力，7 4 6 的学生表示采用新模式教学对授课方式十分感兴趣，7 4 的学 生表示采用新模式教学英语应用能力有明显提高，只有4 8 的学生担忧采用新模式教学教 师对词汇讲的不够，担心过不了四、六级考试。在采用新模式教学一年后，2 0 0 4 级大学英 语四级考试一次性通过率有很大提高【7 1 。可见，网络下外语学习平台在教学中发挥着越来 越重要的作用。 研究基于网络外语学习平台具有实际意义和实用价值：网络外语学习平台允许学生随 时随地选择适合自己需要的材料进行学习，能够充分发挥计算机可反复单独地进行听说训 练、完成传统课堂上无法完成的听说训练，能随时记录、了解、检测学生的学习情况及教 师的教学辅导情况，从而能督促学生积极学习，促使学生的英语听说能力与其它实用能力 有一个较快的提高。此外，网络外语学习平台还使得英语教学朝着个性化学习、不受时间 和地点限制的学习、主动式学习的方向发展，这将有利于发挥学生作为学习主体的作用， 培养学生的主动性和创新性，从而彻底改革传统的教学结构和教育本质，以达到培养大批 创新人才的目的。 2 浙江理t 大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 计算机技术的迅速发展促进了大量网络外语学习平台陆续出现，比如国外的有加拿大 b r i t i s hc o l u m b i a 计算机科学系开发的w e bc t t 引、i m b 公司开发的l e a r n i n ss p a c e 、加拿大的 s i m o nf r a s e r 大学开发的v i r t u a l u t 9 1 、c o m e l l 大学开发的b l a c k b o a r dc o u r s e l n f o 、美国 p e n n s y l v a n i a ) l l 立大学开发的w i s h 等。这些平台都占有很高的市场份额，他们支持百万级用 户，为教师及学习者提供强大的功能诸如：学生学习过程跟踪、学生自我评价、课堂讨论 和展示、建立虚拟的办公室、完善评测体系、管理和统计功能，这些国外网络外语学习平 台技术具有相当高的水平，功能强大，界面效果好，平台稳定性高。 近几年，国内的网络教育发展较快，出现比较知名的网络外语学习平台：上海外国语 大学网络教育学院研发的大学英语网络学习平台，浙江大学有关专家和教师编著的新编大 学英语网络平台以及上海外语教育出版社出版的新理念大学英语网络平台等。这些平台能 充分考虑我国幅员广阔，各地区高校情况差异及学生个体差异较大的特点，将课程分为多 个级别，供学生自由选择。平台中包含丰富的学习内容，主要是培养学生读、写、听、说、 译五方面的能力，同时在大学英语四、六级考试改革后及时增加新的题型供学生训练。此 外平台还具有完善的监督体制：能记录下学生学习情况方便教师监督【10 1 。 虽然世界各国的研究人员在网络外语学习平台研究领域都取得了许多的研究成果，然 而还是未能完全满足教师教学及学生学习要求。现阶段存在的问题有： 国外的网络外语学习平台因国内外学生学习方式及教师教学理念不同而存在一定的 差异，很难设计符合国内学生学习网络平台的要求，同时国外软件在国内应用也存在没有 汉化界面问题，价格昂贵，出现问题则维护困难，二次开发难度较大，这些困难给国内用 户带来诸多不便。 在外语的口语和书面语两种形式中，口语是第一性的，口语能力被视为外语能力中最 根本的能力，是外语交际能力的基本表现形式【1 1 】。而国内外的网络外语学习平台中都没有 很好结合语音信号处理技术，无法为口语训练及口语考试提供客观评价取而代之的是一个 参考答案，这非常不利于学生认识到自己口语表达方面不足，很难达到提高学生口语表达 水平。 再次，国内外的网络外语学习平台在进行口语考试的时候，都没有实现对学生口语录 音进行语音增强的功能。这导致教师通过学生录音进行主观评价的时候，往往受背景噪声 影响严重，难以得出主观评价的准确性，从而对口语考试采用机考的模式丧失信心。 基于网络的外语学习系统平台的研究与实现 1 3 论文的主要工作及结构 针对国内外现状的研究以及所存在的问题，本文的主要工作如下： l 、重点编写网络外语学习平台中的口语训练及考试模块：学生可以自主选择其中一种 或者多种题型：( 1 ) 开放试题型：屏幕显示一个问题或话题，考生在规定时间内根据问题或 话题自由发挥进行回答。( 2 ) 看图说话：考生在平台模拟的考场中，就一幅图进行人机对话； ( 3 ) 看视频说话：考生在平台模拟的考场中，就一段视频进行人机对话；( 4 ) 复述：计算机朗 读一篇文章，然后学生根据自己的理解进行讲述：( 5 ) 二人对话：就某个话题与旁边的同学 进行对话。 2 、录制口语考试语音数据库。采集了一个班级3 5 位学生口语考试录音，每位学生完 成一套试卷的9 个问答题目。通过主观的感知和评价，选择出实验用的有效性数据，共2 1 个人的1 8 9 个问题回答语音用做成绩客观评价的训练样本，1 4 个人的1 2 6 个问题回答录音 用做成绩客观评价的测试样本。 3 、对选择出的语音进行语音增强处理，分别通过小波变换算法、最小均方误差估计法 ( m m s e ) 、改进m m s e 法。针对这三种算法分别输入信噪比1 0 d b 到1 0 d b 的带噪语音，通 过主观评价( m o s ) 、输出信噪比( s n r ) 、均方误差( m s e ) 及语谱图四种评价方法对语音增强 效果进行评价。试验证明，改进m m s e 法的语音增强效果最好。 4 、对选择出的语音进行语音信号处理，分析出与口语训练成绩有关的语音特征参数， 提取出基音频率、共振峰等短时特征，以及有效语音段等全局特征。 5 、将实验用的语音数据根据主观评价划分为优秀、良好、中等、及格、不及格五个等 级，并详细分析5 个等级下共1 8 9 段语音的特征参数变化规律，研究了与成绩相关的特征 信息，确定了用于口语训练成绩客观评价的参数特征，包括：有效语音段、平均短时能量 及变化率、平均幅度及变化率、m e l 频率倒谱系数( m f c c ) 、基频的均值及变化率、第一共 振峰的均值及变化率特征。 时间构造 时间构造分析主要着眼于不同等级语音发话有效语音段的差别。统计了语音数据库中 所有的人，在五个不同成绩等级下对同样一个问题回答的有效语音段，结果表明：良好等 级有效语音段最长，优秀等级次之，中等、及格等级都要比不及格等级的有效语音段长。 振幅构造 短时能量和平均幅度都是能反映语音振幅构造的特征参数。对语音数据库中语句的短 4 浙江理工大学硕士学位论文 时能量和平均幅度特征进行统计：优秀和良好等级的短时能量及平均幅度高，其次是中等， 不及格等级的短时能量及平均幅度最低。 基频构造 不同等级状态下，基频构造特征是不同的，我们观察不同等级语句的基音频率变化率 发现：优秀良好等级的语句基频变化分布密集、变化频繁且基频均值大，而及格和不及格 等级的语句基频变化分布稀疏、变化少且基频均值小，另外5 种等级下的基音频率的最大 值和最小值相差不多没有可比性，基于这些我们选取了基频变化率特征。 共振峰构造 我们对语音数据库中语句的第一共振峰进行统计分析，得知：同一语句，不同等级状 态下的共振峰值及变化率都不同。优秀等级最高，第一共振峰均值为3 3 1 h z ，变化率为2 1 4 勉，其次是良好等级，不及格等级最低，第一共振峰均值为8 5 h z ，变化率不到6 0h z 。 m f c c 构造 m f c c 参数是基于人耳听觉域特性提取的特征参数，通过对语音库中语音分析我们发 现低频带中各种等级的对数能量差别不大，但在高频带中的对数能量差别较大。优秀跟良 好等级高频能量高，中等跟及格等级高频能量次之，不及格等级高频能量最低。 6 、研究b p 和e l m a n 两种神经网络的基本原理、参数训练方法及识别算法。输入语音 特征参数及主观评价，确定最佳的隐层神经元个数及训练函数，并在特征相同的待测语音 上进行客观评价实验。实验结果为：不同组特征参数对成绩客观评价的结果影响很大：两 种神经网络都能对口语考试进行客观评价，e l m a n 神经网络评价性能更优；同时语音信号 经语音增强处理后客观评价更接近于主观听感评价。 本文共分六章，重点为第三、四、五章。各章节具体内容安排如下： 第一章为引言，介绍了课题的背景和意义，以及国内外的研究现状。 第二章分析网络外语学习平台，以及口语训练等模块的实现。 第三章介绍了语音和噪音特性，语音增强常用的三种方法以及增强效果的评价体系。 第四章介绍了与口语训练成绩相关的语音信号特征，分析了不同成绩等级下语音特征 变化规律，具体介绍了每种特征参数的提取方法，并选择了有效的语音信号特征集。 第五章介绍了b p 神经网络和e l m a n ：神经网络的客观评价方法，并分别进行了评价实验。 第六章工作总结和下一步展望。 基丁网络的外语学习系统平台的研究与实现 2 1 平台设计目标 第二章平台的分析与设计 学生是平台使用的主体，在具体的平台设计中，首先考虑学生的个体情况彼此不同， 他们在学习背景、学习风格、学习目标、学习策略等各个方面的情况千差万别，不可能统 一，那么在平台的设计中要针对学生个别的需要，帮助其达到最优化的学习效果。其次考 虑到教师角色对学生的隐性功能是强大而无形的，教师对学生学习过程的各个方面都施加 不同程度的影响。只要教师对学生的学习过程进行跟踪，学生就能感受到教师的注意力， 学习兴趣和学习动力都会提高。一个能满足学生智能化、个性化学习的网络外语学习平台 必须实现如下目标： ( 1 ) 平台设计要在计算机控制与学生控制之间取得动态平衡 平台不是让学生自由学习，而是要起到指引、指导和反馈的作用，帮助学生更好、更 快地掌握学科内容，达到学习目标。理想的外语学习平台应该在计算机控制与学生控制之 间找到平衡点：计算机根据具体学习目标、特定学生的具体情况为其提供必要的控制和指 导，同时将恰当的控制和选择权力交给学生。对于同一个学生来说，随着学习的展开，他 的知识水平会不断提升，学习的各种情况也在不断改变，计算机应当随机进行调整，将更 多的控制权交给学生；也可能在学生比较薄弱的环节加强控制。使平台能够根据学生的具 体情况进行随机恰当的调整，使学生能得到必要的学习引导和帮助。 ( 2 ) 平台设计要增加主观活动的有效反馈 平台设计的目的是提高学生外语综合能力。有调查显示：8 6 2 的学生认为平台中主 观学习活动( 口语训练等) 缺乏有效的反馈【1 2 1 。这使得学生在很大程度上对进行主观活动感 到束缚和乏味，而真正面对主观活动又会显得无所是从，其实主观活动能力才是真正能衡 量学生外语综合能力的关键。所以增加主观活动的有效反馈可以弥补现有网络外语学习平 台的不足，提高学生对主观活动的兴趣，增加平台的智能化，为解决“聋子英语 和“哑 巴英语”的现状提供有利的手段。 ( 3 ) 平台设计要完善教师监控策略 学生学习往往缺乏自主性、独立性和自我控制能力。他们更习惯于有监控的学习方式， 他们认为这对保证他们的学习质量很重要，甚至比平台本身内容还重要。所以完善教师监 控是平台设计所必不可少的，它可以了解学生学习的具体情况，从而对不同的学生分别实 6 浙江理工大学硕+ 学位论文 施正确的指导，分别控制和调节不同学生的学习，以完成他们各自的学习目标；它能提高 学生的自主学习能力，对学生学习过程分别进行监控，对各位学生学习情况做出评价，并 给予有针对性的恰当指导，使他们逐步提高和完善自主学习的能力：它还能发挥自身主动 性、积极性和创新精神，提高学习效果，完成学习任务。 总之要将平台设计为一个自主性的课件学习库，集合数个优秀的外语学习课件，供不 同水平的学习者进行自主学习、自我监督、获得客观反馈的外语学习平台。 2 2 平台功能分析 依据以上平台设计目标，平台设计具有传统的一些功能模块如：分级学习、实用口语、 轻松听力、看影视学英语、听说加油站、英语翻译、词汇扩展、英美概况、英语写作、美 国文学等功能模块。其学习流程如图2 1 所示： 进入平台h 开始前测 获得学习建议 和推荐课程 选择课程h 浏览课程 继续学习h 阶段测试 h 讨论交流h 提问答疑 图2 1 学习漉程 按照课程难易将学生的学习分4 个等级，每个等级都包含实用口语、轻松听力、听说 加油站等等功能模块，当第一次登陆学习平台时，建议先进行水平测试，然后根据测试的 结果和学习建议选择课程，制定计划，开始学习。当然学生也可以根据自身情况，自由选 择课程及级别，并进行适当组合。 此外平台还具有新的功能模块：系统组卷、学习监控、口语反馈训练。现分别对新的 功能模块做详细的介绍。 2 3 系统组卷 系统组卷【1 3 】是在题库的基础上，利用一定的选题策略，从试题库中选取一组试题，使 得它们所有的属性满足性能指标。在实际组卷的过程中一道试题具有多种性能指标，每一 种性能指标实际上是针对一个约束条件，例如题型、知识点、分值等都是试题的性能指标。 而对于题型而言，就有相应的一个或多个题型约束条件进行约束。通过对成卷因素的对比 与分析确定：题分为a l ，难度系数为眈，教学要求为口3 ，题型为t 4 ，估计时间为口5 ，知识点 为a 6 ，试题编号为a 7 等作为试题的成卷属性分别对应编号1 7 组成一个n x 7 的矩阵，其中甩是 7 基于网络的外语学习系统平台的研究与实现 一份试卷中试题的数量【1 4 1 5 1 。 l q l口1 2 l 弘r 1 g 人2 2 i 口月l 口h 2 a 口1 7 a q 2 7 m 人 人 口。7 按照组卷的要求，目标矩阵应满足以下基本约束条件： 乃。乃：= 1 0 0 i = j 乃，巳：乃。= d ( 试卷的难度) 巳。q ：= g ；l 2 - ( 1 ) 2 - ( 2 ) 2 - ( 3 ) 2 - ( 4 ) 其中9 为第f 题型的题分，当旷i 时，勖= 1 ：否则g 2 = 0 。 完成第，道试题估计所需要的时间设为“m 则全卷的估计时间： 歹：y f ( n 2 - ( 5 ) 符 系统组卷的基本思想是通过使用随机函数随机地从试题库中提取试题，一般采用随机 选取方法，在自动组卷过程中依据当前各种约束指标分量，随机地从试题库中挑选一个试 题，检查该试题是否满足当前指标约束的限制，若满足则将该试题加入当前的试卷中作为 试卷的一个固定的试题。设斯l ，若不满足则设x 尸o 挑选下一个目标进行新的试探，当可 选择的试题经过试探能满足当前试卷的约束条件，则试卷组卷成功，否则为失败。因此， 求解问题的实质是一个具有多个约束条件的0 1 背包问题。随机组卷算法的可行解对应可满 足约束条件的0 1 背包问题的一个解。而对于0 1 背包问题可抽象为如下的模型： a 2 l a i l j i i + 口2 2 a 1 2 x ，2 + a + 口2 册口l 肿x 加= 包 2 。( 6 ) 上式中m 是对应试题库中f 种难度系统随机抽取试题的数量m ，a o 是第，道试题的题分属 性所对应的数值。劬是笫，道试题的难度系数属性所对应的数值，b i 对应于用户针对f 种难度 系数确定的分值，f l ，协a x 一对应着第i 组难度系数组卷算法的一个解，其d e x o 的取值为0 或l ，当x o = l 时，表示在组卷过程中第，道试题入选；为o 则表示在组卷中没有选择该道试题。 在应用中，试卷提供3 种难度选择分别为易、中、难。难度系数对应为0 1 o 4 、0 4 0 6 、 0 6 0 9 而在试题录入的时候为试题准备了5 种难度选择，分别为0 1 、o 3 、0 5 、0 7 、0 9 。 五种难度的试卷分布服从正态分布，已知正态分布函数： 8 浙江理工大学硕十学位论文 ( z ) = 古多2 一，工( 棚，佃) 2 - ( 7 ) z 冗。 其中：为均值，盯为正态分布方差，当在区间内移动时，j 下态分布函数的概率为1 0 0 。 将 0 ，1 0 0 区间分为5 个区间分别对应5 种难度，则它们对应的概率为： z = e = 厂( x ) d x ( i = 0 1 ，0 3 ，0 5 ，0 7 ，0 9 ) 僻为f 种难度的试题出现的概率) 2 - ( 8 ) 计算得：p o i = p o 9 = 0 o1 ；p o 3 = p o 7 = 0 15 ；p o 5 = 0 6 8 为了能有效控制试卷的难度，对整份试卷中的每种难度的试题的总分占试卷总分的最 大比例进行设置：s i = r o u n d ( p i s ) ，其中s 为试卷的总分，s 为f 种难度试题的分值。在具体 抽取试题时，首先将试题库中记录的总条数作为随机函数r a n d ( ) 要产生的伪随机数的上界， 由系统随机产生一个随机数，以该随机数作为选定试题的题号。然后将该试题的相关信息 作为一条新的记录存入相应试卷表中。不过在存入试卷表之前要对试题的相关信息与组卷 要求进行比较，只有符合条件的试题才能存入试卷表。采用这种方法，保证每次生成的试 卷都不一样，真正能起到检测自己学习成果的目的。 2 4 学习监控 对学生个体学习情况进行监控是网络学习的一个重要环节，在学生学习中执行着一个 特殊的反馈机制，它贯穿于学生开始参与学习到最后学习评测的完整过程是克服网络学习 对目标的偏差，使网络学习保持稳定健康发展的手段。网络外语学习平台上学生个体学习 情况的基本信息主要包括历次实施学习活动的时间、历次实施活动的内容、学生发言交互 次数、学生测试的成绩等等，因此对学生的监控主要集中在时间、内容、交互、效果四个 方面。 2 4 1 学习时间监控 对学生进行学习时间监控是为了提高时间的利用率和有效性，而对时间进行合理的计 划和控制、有效安排与运用。平台主要通过学生在网上学习必修内容的时间，了解学生的 学习情况，如图2 2 所示： 9 基r 网络的外语学习系统平台的研究与实现 a 日帽由啪女啊娜_ 曛 v v 日删女聊恤洲wl一3 棚m i 一 i i3 j b i | 2 n， 1 口 t 洲?l t i? “g 撕女i州日1 3 1 1 1 4i 辅a i h t 1 5 n 州1 1 口1 9 日 3 “ 赫t 嘣，i - ，”一i ；i x ，臻 l h 帅i h i驯1 - 4 “”l 。删嘲t h ，- ， i删1 | ti 一 抽口0 1l | - ，”4 5fq 1 6 i l u锅口ic r l 8 l l 图2 0 学生学习时间记录 从图22 可以看至平台能对学生的随机进入学习情况进行详细记录。从学生注册登录该 平台起，记录学生在平台中停留的时间，每个课程从学习者浏览几秒钟后开始计时。为了 防止个别学生应付检查而被动学习的现象发生，平台对页面进行限时处理：一旦页面超过 1 5 分钟没有响应就判断学生已经结束学习，记录此次学习时间。通过查看学生学习记录模 块可咀看到学生学习情况记录：学生学习的知识点、学习时间、持续时间及学习次数。如 以实用口语为例，共1 2 章，每周学习两个单元，当学生在一周时间内上网学习时间超过4 小时以上的时候说明学习者在学习这门课程的时候是认真的。可见网络外语学习平台要 求学生注重平时学习的全过程，这使得学生要加大平时学习的力度，增加学习次数尽量 不要单靠集中几天时间柬突击完成所有学习任务敦促学生注重平时的学习。 2 4 2 学习内容监控 对学生进行学习内容监控是为了监控学生在规定时叫内网上学习的章节或知识点数 来了解学生学习本课程的认真程度，如图23 所示： t t 铺t 钵* 州，日帽皤”t 舛抽 x x拥口 也h n*1 5i e 。拥口* 11 q i 2酬 o ”1 “1 拥口* “h 佃斯l p 2 l | | 2 - 日i “胡口* 卜肌 j l i 3 vy胡口* i l i l n o 1 l _ 2 i e i 捌l 口 - _ i口“ 2删1 1 n “t “ 捐口i _ 删眦洲”m 1 1 “艚t z 圈2 , 3 学生学习内容记录 图23 可以查看到某个等级下特定课程全班或个人的学习记录，这里记录学生学习该知 识点的时间、学习次数。以实用口语为例，按照学习者学习的知识点数作为学习监控的量 化指标划分为3 6 个知识点，每周至少应学习2 个知识点。 2 4 3 学习交互监控 学习交互监控主要是为了提高学习效果和质量、达到学习的目的。有效的学习活动离 1 0 浙江理工大学硕士学位论文 不开学生、教师与信息资源的互动。网络学习中，必要的交互也是必不可少的。既有教师 与学生间的交互，也有学生与学生之间的交互。教师与学生的交互体现在学生向教师提出 问题与教师进行讨论，学生与学生之间的交互体现在学生之间进行交流和探讨问题。为此 平台为学生和教师设计师生互动功能，就某个课程学生可以留言提问，教师在线答疑。 2 4 4 学习效果监控 学习效果的监控主要是为了保证学习成功。学习效果是学习的目的和归宿，也是监控 的主要内容，设计好学习效果的监控是非常重要的，学习效果的监控应该侧重每周一次的 形成性测试，它能客观准确地反映学生学习的效果，这是网络外语学习系统质量控制的一 个重要途径。平台为学生设计有阶段性测试，每次进行测评平台主动反馈测评成绩和答案 解析，并将成绩进行记录，如图2 4 所示： 耖 4 学生成壤记繁 糟尸名蕊雏g 耘；湘嘲转 ， 翻障麓瓤目曩 h l _ _ l ll1 8埔1 1 11 5 ：3 ：3 8 叛h吡i1 2 2 0 2 0 0 8 - 1 1 - 31 6 ：j 1 5 翳 溉l_dl“飘瓣i l q1 9 ：2 9 ：铸 n m lll3 ，l 争翻1 3 ：h n “krtl ifl s瓣伽越1 3 ：2 8 ：5 4 n t 越l访靠皇0 0 0 - 1 0 - 3 1i , , i ：3 0 ：0 0 图2 4 学生学习效果记录 通过查看学生成绩记录模块能让教师和学生都了解阶段性学习效果，以便于教师更有 针对性地进行学习指导。 2 5 口语训练成绩反馈 2 。5 1 功能及模块 口语训练主要涉及开放试题型、复述、看图叙述、看视频叙述、二人对讲等类型的训 练内容。