（计算机应用技术专业论文）基于知识点库的软件工程学习系统.pdf

中文摘要 智能化计算机辅助教学( i c a i ) 将计算机技术、多媒体技术、i n t e r n e t 技术 与传统教育相结合，通过教学模式、教学媒体、学生模型三方面的智能化设计， 创造出一种新的教学形式。基于知识点库的软件工程智能学习系统正是运用此技 术，将其应用于软件工程课程的教学开发中，实现本课程的远程、多样化学习等功 能。 本论文在关注i c a i 技术和知识点库知识基础上，主要对基于知识点库的软 件工程智能学习系统进行了较为深入的分析。 论文首先介绍了i c a i 技术的特点、应用领域及该领域发展现状，讨论了基于 该技术的智能学习系统的整体结构、数据结构组织以及相关的开发技术。提出了 软件工程学习系统的主要功能模块：管理模块、添加模块、导航模块和测试模块， 并针对功能实现对系统中模块的需求分析、数据库的设计进行了详细介绍：通过 对处于核心层的知识点库的分析，确定知识点间关系，从而实现知识网络导航功 能，用以提供适合于学生个体的个性化知识点库。对数据库的处理采取课件库一 知识点库两级存储结构，通过添加知识点页面使软件工程各知识点录入数据库 中。最后在系统实现部分分别对系统接口和界面的实现( 包括添加用户、添加知 识点、添加多媒体) 和导航模块功能实现中的关键算法、知识点库的分析进行了 详细介绍。 关键词：智能化计算机辅助教学软件工程知识点库 a b s t r a c t t h ei n t e l l i g e n c ec o m p u t e r - a i d e di n s t r u c t i o n ( i c a l ) i san e wi n s t r u c t i o n a lf o r m w h i c hi n t e g r a t ew i t h c o m p u t e rt e c h n i q u e ，m u l t i m e d i a ，i n t e r n e t a n dt r a d i t i o n a l e d u c a t i o n i td e s i g n e di ne d u c a t i o n a lm o d e ，d i d a c t i c a lm e d i aa n ds t u d e n t sf o r m e r w i t hi n t e l l i g e n c e b a s eo nt h ek n o w l e d g ep o i n t sd a t a b a s e ，i n t e l l i g e n ts o f t w a r e e n g i n e e r i n gs t u d ys y s t e m ( s e s s ) j u s tm a k eu s eo f t h i st e c h n i q u e a c c o r d i n gt ot h i s t e c h n i q u e ，w eh a v ea p p l i e di t i nd e v e l o p m e n to fs o f t w a r ee n g i n e e r i n gc o u r s ea n d a c h i e v e dv a r i o u sf u n c t i o nl i k el o n g - d i s t a n c ea n dm u l t i f o r m i t ys t u d ye t e t h i sp a p e rp a ya t t e n t i o nt ot h ei n t e l l i g e n c eo fc o m p u t e r - a i d e di n s t r u c t i o n ( i c a i ) a n dt h ek n o w l e d g ep o i n t sd a t a b a s e b a s eo nt h et w op o i n t s ，t h i sp a p e ra n a l y s ei n d e e pa b o u ti n t e l l i g e n t s o f t w a r e e n g i n e e r i n gs t u d ys y s t e m ( s e s s ) b a s eo nt h e k n o w l e d g ep o i n t sd a t a b a s e t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ec h a r a c t e r i s t i co fi c a i ，t h er e a l mo fa p p l i c a t i o na n dt h e p r e s e n td e v e l o p e dc o n d i t i o n ，d i s c u s s i n gt h ei n t e l l i g e n c es t u d ys y s t e m s h o l i s t i c s t r u c t u r e ，o r g a n i z a t i o no fd a t as t r u c t u r ea n dc o r r e l a t i v et e c h n i q u e ，p u tf o r w a r dt h e m a i nf u n c t i o nm o d u l eo ft h es e s sw h i c hi n c l u d em a n a g e m e n t ，a d d i t i v e ，n a v i g a t ea n d t e s t ，a n dp a r t i c u l a ri n t r o d u c e dt h ea n a l y s i so fr e q u i r e m e n t , d e s i g no fd a t a b a s ea b o u t f u n c t i o na c h i e v e m e n t w eh a v ea l s or e a l i z e dn a v i g a t i o no fk n o w l e d g en e t w o r kb y a n a l y z e dt h ep o i n to fc o r e ，c o n f i r m e dr e l a t i o n s h i po fk n o w l e d g ep o i n t ss u p p l i e dt h e p e r s o n a lk n o w l e d g ep o i n t s d a t a b a s es u i t e d e v e r ys t u d e n t a d o p t c o u r s e w a r e d a t a b a s ea n dk n o w l e d g ep o i n t sd a t a b a s et w ol e v e lm e m o r ys t r u c t u r e ，i n p u td a t et o d a t a b a s ea c c o r d i n gt oa d dp a g eo fk n o w l e d g ep o i n t s ，w ea c c o m p l i s h e dt h em a n a g eo f d a t a b a s e t h e r ei sap a r t i c u l a ri n t r o d u c t i o na b o u tt h es y s t e mi n t e r f a c ew h i c hi n c l u d e t h eu s e r ，t h ek n o w l e d g ep o i n t sa n dt h em u l t i m e d i a sa d d i t i o n ，k e ya r i t h m e t i ci n n a v i g a t i o na n da n a l y s i so fk n o w l e d g ep o i n t si nt h ep a r to fs y s t e ma c h i e v e m e n ta t l a s t k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tc o m p u t e ra s s i s t e di n s t r u c t i o n ，s o f t w a r ee n g i n e e r i n g ， k n o w l e d g ep o i n t sd a t a b a s e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：芬歇y 签字日期：7 年f 月么日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞墨堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞苤堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：荡饫，适歹 导师签名： 签字日期：p 哆年f 月廖日 签字嗍砷年5 月日 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 1 1 1 问题的提出 第一章绪论 自二十世纪九十年代起，以多媒体和i n t e m e t 为标志的信息技术革命，正以惊 人的速度改变着人们的工作、学习、生产和生活方式。信息技术的发展在教育领 域也进行着深刻变革，使教育技术、教育体制与教学模式产生新的重大飞跃。换 句话说，在基于i n t e m e t 的教育网络的基础上进一步与多媒体相结合，将发展出一 种能够适应2 l 世纪教育需求的全新的教育体制与教学模式i l 】。而信息技术的发 展对传统的教育技术、教育体制与教学模式必将产生重大的影响，计算机辅助教 学所用的技术、方法和计算机辅助教学的观念都将随信息技术的发展而发生变 革。 传统的计算机辅助教学系统是运行在单机下环境下的，在知识的更新上面缺 乏便捷性，教学安排是事先制定的，并不能完全满足不同学生的不同要求，对学 生学习效果的检查手段也是不完善的。 智能计算机辅助教学系统( i n t e l l i g e n c ec o m p u t e r - a i d e di n s t r u c t i o n i c a i ) 是 目前顺应教育理论与教育改革发展趋势的一种新型计算机辅助教学系统。自从 2 0 世纪7 0 年代第一个i c a i 系统产生以来，世界各国纷纷拉开了i c a i 系统研究的 序幕。在运用此系统进行学习的过程中，学生不需按照系统设计者在设计时所规 定的教学序列学习，教学序列是由程序在运行时产生的，比运用传统的计算机辅 助教学系统效果更好1 2 j 。 智能计算机辅助教学是以认知学为理论基础，将人工智能技术应用于c a i ， 是智能化的c a i t 列【引。它将教学内容与教学策略分开，根据学生的认知模型提供 的信息，通过智能系统的搜索与推理，动态生成适合于个别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、以及进一步学习内容的建议：通过对全体学生出现的错误分布统 计，智能诊断机制将向教师提供教学重点、方式、测试重点、题型的建议；为教 师提供友好的教学内容、测试内容维护界面，无需改变软件的结构即可调整教学 第章绪论 策略；通过对学生认知模型、教学内容、测试结果的智能分析，向教学督导人员 提供对任课教师教学业绩评价的参考意见。可以说，一个理想、完美的i c a i 系统 就是一个自主、优秀的“教师”1 5 。 i c a i 具有如下的一些特，征1 6 j ： ( 1 ) 能自动生成各种问题与练习； ( 2 ) 根据学生的学习水平与学习情况选择与调整学习的内容和进度； ( 3 ) 在了解教学内容的基础上自动解决问题，生成解答； ( 4 ) 具有自然语言生成与理解能力，以便实现比较自由的教学问答系统以提 高人机交互的主动性； ( 5 ) 对教学内容有解释咨询能力； ( 6 ) 能诊断学生错误，分析原因并采取纠正措施； ( 7 ) 能评价学生的学习行为； ( 8 ) 能评价教师的教学行为。 具备上述全部特征的i c a i 系统是完美的，但实现是困难的。一般认为只要 具备上列一个或几个特征，就可以称之为i c a i 。 i c a i 将计算机技术、多媒体技术、i n t e m e t 技术与教育、教学改革相结合， 通过在教学模式、教学媒体、学生模型三方面的智能化设计，创造一种新的教学 形式，有利于培养学生较强的信息获取、信息分析和信息加工能力，发挥主动性、 创造性，培养能适应二十一世纪激烈竞争的新型人才；同时i c a i 也反映了信息社 会的客观需要，是教育技术发展的历史必然。不难看出，i c a i 与传统的c a i 相比， 更加符合教育教学的规律，切合学生的认知习惯，具有明显的优越性【刀。 1 1 2 该领域发展及现状 教育软件的发展过程可以明显的划分为三代，如表1 1 所示。以“题库”、“习 题训练”为核心内容的教育软件基本上是第一代教育软件。目前，一些以认知学 习理论为指导的教育软件( 如大量的以辅导练习为主要内容的软件) 属于第二代 教育软件，是教育软件的主流和各个教育软件开发实体努力的方向，第一、第二 代教育软件己不能适应时代变革的需要，不能满足教育软件开发的新形势。 表i - l 敦n 软f 1 帕垃旌 一羔裂篆。瑟麓篝瓣“”此：_ 】 霍鬻$ j “鬻”淼1 1 k , i t 慧i i 粼 一：4 ￥二e j z 4 ：。“ 【 4i ：! ：；：； 由于多媒体和网络通信技术r 以作为建构卡义学爿环境f 的理想认知t 县， 能有效地促进学牛的认知发展，所l l 随，| ：j = 多媒体训算机和i n t e r n e t 嘲络教育应州 的飞速发展，建构卡义学爿理论将愈米愈罹不出其强大的7 卜命力，并在世界范围 内日益扩大其影响。 i c a i 系统正足以建构土义学爿础论和教学理论为理论基础，发计系统时不仅 考虑学生的学习过程即认知过程，同时考虑学习资源；注重教学媒体和教学模式 的选择和设计，使教学过程得到优化、使学生能够取得域佳的学习效果【8 i 。 i c a i 的历史可l 溯至上世纪7 0 年代当时有人提出了白适应c a i 系统的概 念( 这些系统能使c a i ! t 材旌教地适应小矧学生的不同水平要求) 并开发建立了 一系列能够训练学习者进行计算和词汇记忆的系统。由于这类系统能够自动选出 难度与学生能力相适应的问题供学习者选用，此称为自适应教学系统，它是 i c a i 系统的萌芽。到了7 0 年代i c a i 的研究才真正开展起米。1 9 7 0 年c a r b o m e l l 研制成功了第一个i c a i 系统一h j 来教授南黄地理的s c h o l a r 教学系统。1 9 7 7 年，s t e v e n s 和c o l l i n s 开发了w h y 系统，b r o w n 和b u r t o n 研制成功了s o p h i e 系统， g o l d s t e i n 和c a n 设计了w u m p u s 程序。1 9 7 9 年g o l d s t e i n ) r 发了w u s o r 系统。 以上这几个系统都是i c a i 领域中比较具有代表性和开拓性意义的系统。这阶段 前期的研究蕈点是建立譬家模块，后j i 】的础究重点逐渐转为建赢学生模型模块。 8 0 年代，教学策略问题开始受到重视。凼此i c a i 系统的研究土要集中在如何 使川人工智能技术确切地表示学生模型和教师模型i ：，以使教学系统具有更高层 第章绪论 次的应答敏感和全局观念。1 9 8 1 年，c l a n c e y 开发了g u i d o n 系统，b u r t o n 开发 了w e s t 系统，b r o w n 开发了b u g g y 系统，b u r t o n 和v a n l e h n 开发了d e 一b u g g y 系统；1 9 8 3 年，s t e v e n s 和h o i l a n 开发了s t e a m e r 系统；1 9 8 4 年，s i e e m a n 齐 发了l m s 系统，w o o l f - t f 发了m e n o 系统，j o h n s o n 开发了p r o u s t 系统，a n d e r s o n 开发了a c t p 系统；1 9 8 7 年，v a n l e h n 开发了s i e r r a 系统。进入9 0 年代以后， 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 c a i 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 e r l o c k 系统。另外，由于对专家系统 外壳( e x p e r t s y s t e m s h e l l ) 的研究日益受到重视，i c a i 在这方面也取得了一些成果， 如著名的p i x i e 系统。除此之外，还有人提出了智能超媒体教学系统的概念。所 谓智能超媒体，就是将人工智能技术与超媒体的信息组织、管理方式结合在一起 而形成的智能型知识( 或信息) 处理技术。在智能超媒体教学系统中，i c a i 模块可 以利用超媒体提供的友好界面来激发学生的学习兴趣和学习动机，同时还可以利 用超媒体向学生提供图文声像并茂的解释信息；而超媒体模块则可利用知识推 理技术实现教学内容和教学策略的适应性控制，对学生进行有针对性地指导。因 此，智能超媒体教学系统不仅综合了i c a i 系统和超媒体系统各自的优点，还有效 地弥补了它们各自的不足。当前，智能超媒体教学系统的研制和开发已成为人工 智能和多媒体教育应用领域中一个重要的前沿课题1 9 。 i c a i 在中国的发展虽然起步较晚，但已有了一定的进步，利用计算机自动 推理研究成果开发了一些i c a i 教学软件，如理科教学软件：几何专家、数学 实验室一立体几何等。这些软件对我国的i c a i 的发展起到明显的促进作用。 传统的c a i 课件系统是在单机上将全部教学内容，以编程的方式预置于课件 中。学生学习时，教学过程是按课件规定的路径和内容展开的。由于缺乏必要的 通信手段和智能特性，无法实现任课教师与学生之间的交互，和按学生的不同认 知能力准备教案的因材施教教学。随着计算机网络技术的日臻成熟，人工智能在 专家系统领域取得的成功，它们为c a i 的发展提供了新的空间【l o 】。我们认为c a i 的发展方向在于网络化、智能化j 。 1 2 全文安排 正如本论文题目，本系统是基于知识点库的软件工程i c a i 学习系统，论文 将从系统整体设计入手，先介绍系统结构设计、系统开发环境，接下来着重阐述 系统设计关键技术、详细功能设计，包括功能模块设计和数据库设计，然后展示 系统实现的关键技术，最后总结本i c a i 系统。内容概要如下： 第一一章绪论 第一章绪论 第二章系统整体结构设计 第三章系统功能与设计 第四章系统实现 第五章结论与展望 最后是附录、参考书目以及致谢。 第_ 章系统整体设计 第二章系统整体结构设计 2 1 系统开发技术介绍 2 1 1j s p 。j s p 是j a v a s e r v e rp a g e s 的简写。j s p 技术能让w 曲开发员和网页设计员快 速地开发容易维护的动态w e b 主页。j s p 技术使用j a v a 编程语言编写类x m l 的t a g s 和s c d p t l e t s ，来封装产生动态网页的处理逻辑。网页还能通过t a g s 和 s c r i p t l e t s 访问存在于服务端的资源( 例如j a v a b e s n s ) 的应用逻辑。j s p 将网页逻 辑与网页设计和显示分离，支持可重用的基于组件的设计，使基于w e b 的应用 程序的开发变得迅速和容易。 j s p 技术是s e r v l e t 技术的扩展。s e r v l e t 是平台无关的，1 0 0 纯j a v a 的j a v a h 艮务 端组件i l2 。j s p 页面由h t m l 代码和嵌入其中的j a v a 代码所组成。服务器在页面 被客户端请求以后对这些j a v a 代码进行处理，然后将生成的h t m l 页面返回给客 户端的浏览器。j a v as e r v l e t 是j s p 技术的基础，而且大型的w e b 应用程序的开发 需要j a v as e r v l e t 和j s p 配合才能完成。j s p 具备了j a v a 技术的简单易用、完全面 向对象、具有平台无关性且安全可靠、主要面向i n t e m e t 的所有特点。j s p 已经成 为开发w e b 动态网站的重要而快速、有效的工具，它是全新的网络服务器端编程 环境。j s p 充分利用了j a v a 的强大功能， 随着j a v a 技术的日益成熟和流行， 是一种优秀的服务器端技术。 j s p 技术在网络编程中也变得越来越重 要。由于j s p 基于强大的j a v a 语言，具有极强的扩展能力，良好的收缩性，以 及与平台无关的开发特性，在根据j a v a 平台构建动态商务网站成为主流的今天， j s p 有着其他技术所不具备的优势： 1 一次编写，到处运行。在这一点上，j a v a 比p h p 更出色，除了系统之外， 代码不用做任何更改。 2 系统的多平台支持。基本上可以在所有平台上的任意环境中开发，在任意 环境中进行系统部署，在任意环境中扩展。相比a s p p h p 的局限性是显而易见 的。强大的呵伸缩性。从只有一个小的j a r 文件就可以运行s e r v l e t j s p ，到由多 台服务器进行集群和附在均衡，到多台a p p l i c a t i o n 进行事物处理、消息处理， 一台服务器到无数台服务器，j a v a 显示了一个巨大的生命力。 3 多样化和功能强大的开发工具支持。这一点与a s p 很像，j a 、，a 已经有了许 第幸系统整体设计 多非常优秀的开发工具，而且有许多可以免费得到，并且其中许多已经可以顺利 地运行于多种平台之下1 1 3 】。 2 1 2c l o u d s c a p e c l o u d s c a p e 是一个以j a v a 类库形式提供的、轻量级的、可嵌入的关系引擎。 它的本机接口是带有j a v a 关系扩展的j a v ad a t a b a s ec o n n e c t i v i t y ( j d b c ) 。它 实现了s q l 9 2 e 标准和许多s q l9 9 扩展。该引擎提供了事务和崩溃恢复，支 持多个连接，而且支持使用一个连接的多个线程。因为c l o u d s c a p e 是一个j a v a 类库，可以很容易地将它嵌入到任何j a v a 应用程序或服务器架构中，同时还不 会损害该应用程序的j a v a 特性。当需要扩充数据库时，c l o u d s c a p e 支持复杂 s q l 事务和j d b c ，该特性允许它将应用程序迁移到其他s q l 数据库。例如 i b md b 2u n i v e r s a ld a t a b a s e ( u d b ) 1 1 4 1 。 c l o u d s c a p e 网络服务器( n e t w o r ks e r v e r ) 为c i o u d s c a p e 数据库提供了单个 系统或一个网络中的多用户连通性。c l o u d s c a p e 网络服务器通过标准的分布式 数据库架构( d r d a ) 协议接收并响应来自客户机的查询。您可以利用c l o u d s c a p e 网络服务器，使用i b mj d b c 驱动程序和d b 2u d bj d b c 通用驱动程序来访问 数据库。但在使用网络服务器时，并非所有的c i o u d s c a p e 功能都受支持1 1 5 j 。 c l o u d s c a p e 和其他数据库系统区别： 1 c l o u d s c a p e 易于管理。当嵌入到客户机应用程序中时，c l o u d s c a p e 系统不 需要任何管理干预。 2 c l o u d s c a p e 是可嵌入的。应用程序可以将数据库管理系统( d a t a b a s e m a n a g e m e n ts y s t e m ，d b m s ) 引擎嵌入应用程序进程中，从而无需管理单独的 数据库进程或服务。 3 通过网络服务器( n e t w o r ks e r v e r ) 架构或您选择的服务器架构，可以将 c l o u d s c a p e 作为单独的进程来运行。 4 c l o u d s c a p e 是一个纯j a v a 的类库：对于j a v a 开发人员，这点十分重要， 因为他们正试图维护j a v a 技术的优点，例如平台无关性、易于配置以及易于安 装。 5 c l o u d s c a p e 不需要专有的j a v a 虚拟机( j a v av i r t u a lm a c h i n e ，j v m ) 。因 为完全是用j a v a 语言编写的，所以它适应所有合格的j v m 。 6 c l o u d s c a p ed b m s 引擎是轻量级的。类文件大小大约是2 m b ，并且只使 用了4 m b 的j a v a 堆。 7 c l o u d s c a p e 支持使用j a v a 编写存储过程和函数，这些存储过程和函数可 以在应用程序的任何层上运行。c l o u d s c a p e 没有专用的存储过程语言，它使用 第二章系统整体设计 j d b c l l6 1 。 2 1 3t 0 m e a t t o m c a t j 王务器是一个免费的开放源代码的w e b 应用服务器，它是a p a c h e 软件 基金会( a p a c h es o f t w a r ef o u n d a t i o n ) 的j a k a r t a 项目中的一个核心项目，f h a p a c h e 、 s u n 和其他一些公司及个人共同开发而成。由于有了s u n 的参与和支持，最新的 s e r v l e t 和j s p 规范总是能在t o m c a t 中得到体现，t o m c a t 5 支持最新的s e r v l e t2 4 和 j s p 2 0 规范。因为t o m c a t 技术先进、性能稳定，而且免费，因而深受j a v a 爱好者 的喜爱并得到了部分软件开发商的认可，成为目前比较流行的w e b 应用服务器 【l 刀。 2 2i c a i 系统体系结构 i c a i 代表了一种新的教学思想，模拟是教师，服务对象是学生，综合教育心 理学和认知科学理论，基于学习者特性、状态，跟踪学习者特性与状态的变化， 自动生成教学信息，调整教学过程和教学策略f 1 8 】。i c a i 的形式很多，图2 1 为网 络i c a i 结构刚1 9 1 ，从图中我们可以看出，它和基本的i c a l 一样，由四部分组成： 领域知识库、教师模型、学生模型、人机接i z ii t 。 图2 1i c a i 系统结构图 2 3 系统整体功能架构设计 概括的讲，“软件工程 智能学习系统所要完成的功能是运用计算机辅助学 生进行“软件工程”课程的学习。之所以称为“智能”，一方面是因为学习系统 第章系统整体设计 将教学内容与教学策略分开，学生不是按照事先制定好的不可改变的教学序列的 顺序学习，而是按照在程序运行过程中和学生交互而产生的教学序列的顺序进行 学习；另一方面是因为智能学习系统在学生学习的过程中，能够对学生的学习情 况进行测试，以检测学生的学习效果，从而可以根据学生的学习水平来进行教学 安排1 2 0 1 。 基于以上考虑，“软件工程”智能学习系统采用i c a i ( i n t e l l i g e n tc o m p u t e r a s s i s t e di n s t r u c t i o n ) 系统的基本结构来实现是比较合适的。智能学习系统在逻辑 数据结构上是基于知识点库( k n o w l e d g ep o i n td a t a b a s e ) 的。 基于以上分析，本系统教学设计部分主要包括以下几个模块，分别为管理模 块，课件教学信息添加模块，学习测试导航模块，分析测试模块。各模块的工作 流程如图2 2 所示。 图2 - 2 教学系统结构示意图 2 3 1 教师对智能学习助理的管理功能 采用交互式界面，教师通过浏览器登录到“软件工程 智能学习系统后， 具有管理权限的老师用户可以输入用户基本信息以增加用户( 亦可删除、修改) ， 无管理权限的老师用户可以： 1 查看、添加、删除、编辑和修改知识点。 2 编辑知识点之间的逻辑结构。 3 对于每个知识点，教师可以添加和删除它的测试题。 2 3 2 智能学习系统的学生学习功能 1 ，学生首先进行注册，在注册之后，数据库中即保存了学生的用户名和密码。 2 在数据库中保存每个学生的已经通过了测试的知识点编号。每个学生的已 第_ 章系统整体设计 经通过测试的知识点将作为生成其知识点学习序列的重要信息。 3 登录后，学生选择要学习的知识点，学习助理检测该学生是否有权学习该 知识点。 4 如果尚且不能学习某个知识点，学习助理向学生询问，学生可以选择： ( 1 ) 学习这个知识点的支持知识点；或： ( 2 ) 进行测试，通过测试后直接进入这个知识点的学习。 5 如果学生选择的知识点是可以直接学习的，并且是实节点，则直接显示出 该知识点的内容，示例，图标说明等，学生进行学习。 6 如果学生选择的知识点是可以直接学习的，但它是虚节点，则列出它的组 成知识点集合中的各个知识点供学生选择。 。 7 学生测试其正在学习的单独的知识点或其他某个单独的知识点。 8 当学生选择“进行测试以直接进入这个知识点的学习”时，从该知识点的 各层支持知识点以及各层支持知识点的组成知识点中选择并生成测试题，当学生 提交答案后，判断该学生是否通过了测试。如果通过测试则可以直接进入这个知 识点的学习。 2 3 3 教学测试功能 教学决策的设计。一个系统要有智能仅仅拥有领域知识是不够的，还应该能 够很好地利用这些知识，即应用知识进行自动推理和求解问题。自动推理是人工 智能中极其重要的一部分，是人工智能的主要研究内容之一，是实现智能性的基 本技术。我们研究软件工程教学i c a i 系统，对自动推理的研究是必不可少的。 本系统的自动推理主要体现在教学决策方面。 系统在教学决策方面实现的主要功能有1 2 l 】： 1 根据学生的学习水平与学习情况选择与调整学习的内容和进度； 2 对学生进行测试，诊断学生错误，分析原因并采取纠正措施； 3 评价学生的学习行为； 系统的教学决策模型如图2 3 所示。 2 4 智能学习系统的数据结构组织 智能学习系统的逻辑数据结构是基于知识点库( k n o w l e d g ep o i n td a t a b a s e ) 的，并在c l o u d s c a p e 的d e r b y 数据库中用表( t a b l e ) 来实现。 第_ 章系统辂体设计 图2 3 教学测试图 2 4 1 知识点库在智能学习系统中所处的层次 在讨论所用的知识点库的结构和其在d e r b y 数据库中的具体实现之前有必 要对i c a i 系统进行说明，这样知识点库在采用i c a i 基本结构的“软件工程”智 能学习系统中所处的层次和地位就明白了。 i c a i ( i n t e l l i g e n tc o m p u t e ra s s i s t e di n s t r u c t i o n ) 可以翻译为智能计算机辅助教 学系统。i c a i 系统主要由三部分构成：核心层、接口层、应用层。知识点库在智 能学习助理中处于核心层，是核心层的中心。在核心层的基础上搭建“软件工程” 智能学习系统的实际应用。学生、教师作为核心层和应用层的接口。“软件工程 智能学习系统即是在核心层基础上搭建的实际应用1 2 引，见图2 - 4 所示。 图2 4 系统架构图 通过知识点维护模块、例示集、测试集模块、知识点链接模块、子图维护模 块、矩阵预运算模块及发布模块实现对知识点库的维护，它们存储在c l o u d s c a p e d e r b y 数据库中。用户通过h t m l 网页访问这些数据，h t m l 是系统的外层应用层。 把应用层和核心层联系起来的是接口层，本系统采用i d b c 访问数据库。 众所周知，教学过程是教、学两个方面的有机结合。对教的一方来说，一位 优秀教师能根据教学要求及学生的实际情况来组织、实施教学，并通过采用科学 第二章系统整体设计 合理的考核方式和选择来及时校验和综合评价阶段性教学效果，为改进其后续教 学过程提供依据；对学的一方来说，学生按照教师所实施的教学过程进行，并通 过练习等实践活动发现存在的问题，巩固学习效果。一个完善的i c a i 应能向优秀 教师那样，具有丰富的专业知识和问题求解技术、自己的诊断或模拟学生的能力、 以及解决有关问题的能力，并根据学生实际情况动态的教学过程，以及根据学生 的错误情况，按教师和专家的方式，提出具有建设性的学习建议睇川。 系统为教师提供一个可视化的编辑环境，用于课件的管理和编辑、试题的编 辑、试卷的生成、以及导航图的编辑。教师也可以了解学生的学习情况及学生对 课件的建议。该教师编辑环境是面向多用户的，将其作为一个独立的安装程序实 现的。只要是合法注册过的教师就可以从任何地域登录数据库服务器，进行课件 与试题的编辑。该部分的实现与知识库的联系非常紧密，是用j s p 来制作的。 2 5 软件工程课程知识点体系分析 在教学的实际过程，知识点间的联系层次是复杂的，要掌握一个知识点的内 容可能需要先掌握若干个其它知识点的内容，而这个知识点又可能是另外若干个 知识点的前提，可见知识点间的联系不是完全线性的，而是一种网状结构，也就 是所说的网络超文本结构【2 4 1 。但教学过程也不完全是类似超文本，因为在教授某 一个问题时，必须有一条明确的主线，频繁地跳转，会出现心理上的“认知失调”。 因此，根据所述讨论，必须建立一个类似树状结构而又不完全局限于树状结构的 知识库，即一个网络状的知识树，以满足实际教学的需要。为此，必须先考虑知 识点间的联系层次，以满足领域知识树1 2 5 1 。经过分析，软件工程知识点及各章知 识点之间关系情况如以下各图所示。 第一章软件工程概述 1 软件2 软件特点3 软件分类4 软件发展5 软件工程6 软 件工程过程7 软件工程项目基本目标8 软件生存期l i f ec y c l e 9 软件 生存期( 开发) 模型1 0 瀑布模型1 1 演化模型1 2 螺旋模型1 3 喷泉 模型1 4 智能模型见图2 5 所示。 第二章系统整体设计 图2 - 5 第一章知识点关系图 第二章软件计划 1 6 软件计划内容1 7 软件项目计划目标1 8 软件的范围1 9 软件 开发中的资源2 0 软件项目估算2 1 l o c 和f p ( 功能点) 估算2 2 工作 量估算2 3 软件开发成本估算2 4 专家判定技术2 5 进度安排2 6 软件 计划文件与复审。如图2 - 6 所示。 图2 - 6 第二章知识点关系图 第三章软件需求分析 2 8 软件需求分析任务2 9 需求分析过程3 0 软件需求分析的原则 第_ 章系统整体设计 3 1 软件需求分析方法3 2 结构化分析方法3 3 原型化方法3 4 软件复 用技术3 5 系统动态分析。如图2 7 所示。 图2 7 第三章知识点关系图 第四章软件设计 3 7 软件设计的目标和任务3 8 软件设计过程( 概要设计) 3 9 软件 设计基础4 0 模块独立性4 1 结构化设计方法4 2 数据设计4 3 文件设 计4 4 过程设计4 5 程序流程图4 6 n - s 图4 7 问题分析图( p a d ) 4 8 判 定表4 9 p d l ( p r o g r a md e s i g nl a n g u a g e ) 。如图2 8 所示。 第二章系统整体设计 第五章程序编码 5 1 结构化程序设计5 2 程序设计风格5 3 程序效率5 4 程序复杂 性度量。如图2 - 9 所示。 图2 - 9 第五章知识点关系图 第六章软件测试 5 6 软件测试概念5 7 软件测试用例设计( 黑盒测试) 5 8 软件测试 用例设计( 白盒测试) 5 9 软件测试的策略6 0 测试种类6 1 调试( d e b u g ) 。 如图2 1 0 所示。 图2 1 0 第六章知识点关系图 第七章软件维护 6 3 软件维护的概念6 4 软件维护活动6 5 程序修改的步骤及修改的 副作用6 6 软件可维护性。如图2 1 1 所示。 第_ 二章系统整体设计 图2 1l 第七章知识点关系图 1 6 - 第三章系统功能与设计 3 1 功能模块设计 第三章系统功能与设计 如图3 1 所示，具体教学实践过程各模块如下。 型 学习系统 曩 龋醺嬲糍自d 醛搿奶姚砧硝施幽a 兰疆= 并萋_ 剖 3 1 1 系统管理模块 图3 1 功能模块图 此功能只有具有管理权限的老师用户才可以进入使用。教师通过浏览器登录 到“软件工程”智能学习系统后，可以： 1 查看、添加、删除、编辑和修改知识点。 2 编辑知识点之间的逻辑结构。 3 对于每个知识点，教师可以添加和删除它的测试题。 4 可以添加或删除学生。 除此之外，本课程知识点库分析与添加亦由具有此权限的用户来完成，以保 证知识点分析的权威性和系统的稳定性。 第三章系统功能与设计 3 1 2 基本信息添加模块 1 知识点添加 知识点虽然有大小之分，但每个知识点必然是一个局部完整的知识内容。通 过对知识点的研究我们发现，无论知识点大小，不同知识内容都有其共性特征。 例如，知识内容都包含对它的描述、解释、分析举例以及为了掌握知识点而对知 识内容提出的一些测试题、答案、通过标准等。我们把知识点的这些共性特征总 结出来，形成知识点的属性。通过对知识点属性的描述，我i i i i 够全面完整地认 识任何知识点1 2 州。本系统通过添加知识点页面使软件工程各知识点录入数据库 中。 知识点库是系统的核心。在本系统中，我们采取课件库一知识点库两级存储 结构。课件库面向的是老师用户，知识点库面向的是推理机。老师编辑课件时， 把编写好的课件上传到系统中，而后把经过分析好的知识点提交给知识点库，再 由推理机编辑完成。这样编写，一可以保证知识点和对应课件的同步提交，二是 知识库需要面对教师用户和推理机，这两种用户对数据和知识点理解方式不同， 故需要将它们分开编辑，并且提高了系统性能和可靠性。 在完成知识点的划分和超文本知识库的分层优化以后，具体到一个知识点内 部应该如何组织教学，这是一个很重要的问题，因为课件的教学最终是由知识 点的教学所组成，但在国内外的有关文献中，通常注重知识点之间的关系，对于 该点讨论较少。i c a i 系统需要建立一个形式上适合教学，内容上反映知识内涵， 有助于智能特征实现的知识点模型。 知识的形式虽然多种多样，内涵也千差万别，但在很多方面，知识点是具有 相似特性的，对于课件中的知识点也具有这些特征。因此，为客观反映知识点的 共性和个性，借助面向对象程序设计思想中的基类、派生类的概念和继承的思想， 设计的知识点模型是具有层次结构。核心是知识点的基本模型，该模型反映了知 识点的共性。在此基础上，派生出各派生模型。设计知识点模型的基本原则是要 适合教学，反映知识的内涵，同时应能提高课件开发的效率。设计的知识点模型 的合理性和优越性表现在以下几个方面： 首先，在基本模型中设计的各项属性反映了课件知识点的基本特征，便于教 学控制，在各派生模型中，根据认知心理学有关的学习原则，设计了反映知识点 内涵又适合教学的各种属性。使专业老师在描述知识点内容时，可按各属性依次 总结知识点内容，弥补了专业教师缺乏i c a i 理论及程序设计知识的不足。同时也 极大地方便了程序设计人员开发设计，加快了开发速度。 其次，顺应课件数据库化的趋势，使设计的知识点模型结构良好，为资料与 第三章系统功能与设计 控制的分离提供了条件。另外，设计控制型的知识点模型，用于根据学生的个人 情况，指导学生的学习。而且，在知识点基本模型中提供了“可扩充内容”属性， 使知识点模型具有了可扩充性和灵活性【2 7 】。 2 知识点例示添加 对于某些知识点的一般定义描述一般不能很好的被学习者很好的理解、吸 收。这就要求教授者通过一些具体例示进行加深，添加的例示会作为知识点学习 的一部分，出现在学习者选择的知识点学习页面。 3 知识点测试题添加 除了知识点之外，领域知识库中还应当保存基于这些知识点的试题，即试题 库，用来测试学生知识运用的能力和知识掌握情况。可以为每一知识点添加对应 的测试题