（计算机应用技术专业论文）基于概念图知识表示的教学专家系统的设计与实现.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 摘要 职业教育处于一种特殊的教育阶段，它所要求的是学生掌握的技能和理论的 结合，注重培养学生实践操作能力。随着职业教育改革的不断深化，运用建构注 意学习理论构建新型的教学模式，促进教学手段与方法的改革，迎接信息社会对 于职业教育的挑战，已经成为当今职业教育的必然选择。 教学专家系统是一种借助人工智能技术，让计算机扮演教师的角色实施个别 化教学，向不同需求、不同特征的学习者传授知识、提供指导的适应性教学系统。 解决了传统c a i 和c b t 不能利用领域知识和学生模型进行决策的不足，但遇到了 知识表示的困难。 本文将能直观形象的方式表达知议结构，并有效呈现思维的过程及知识的关 联的概念图引入到专家系统，以解决目前教学专家系统知识表示的瓶颈。论文的 主要工作如下： ( 1 ) 将概念图作为教学专家系统的知识表示模型。概念图不但能够表示传统知 识表示方法所表示的知识，而且具有表达能力强、表达直观、可靠性好、易于实 现、接近自然语言等特点，使系统能够方便的管理知识库。 ( 2 ) 在关系数据库的基础之上实现概念图知识库。知识库是一个专家系统的核 心部件，概念图知识库既可以表示事实也可以表示经验规则。 ( 3 ) 设计了符合概念图链式推理的推理机制。 ( 4 ) 以计算机应用基础课程为背景，用p r o l o g 实现了基于概念图的教学专家 系统原型。实验表明在个性化教学方面达到了预定的教学目标。 关键词：专家系统；教学；知识表示；概念图 江苏大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t v o c a t i o n a le d u c a t i o ni nas p e c i a ls t a g e so fe d u c a t i o n ，i ta s k e df o rs t u d e n t st o m a s t e rt h es k i l l sa n dt h ec o m b i n a t i o no ft h e o r ya n dp r a c t i c e e x p e r i m e n tt r a i n i n g s t u d e n t so p e r a t i o n a lc a p a c i t y a l o n gw i t ht h ec o n t i n u o u sd e e p e n i n go ft h er e f o r mo f v o c a t i o n a le d u c a t i o n , t h eu s eo fc o n s t r u c t i o na t t e n t i o nt ot h et h e o r e t i c a ls t u d yo ft h e c o n s t r u c t i o no fan e wm o d eo fi n s t r u c t i o n ，t e a c h i n gt o o l sa n dm e t h o d st op r o m o t et h e r e f o r mo ft h ei n f o r m a t i o ns o c i e t yt om e e tt h ec h a l l e n g e so fv o c a t i o n a le d u c a t i o n ， v o c a t i o n a le d u c a t i o nt o d a yh a sb e c o m ea ni n e v i t a b l ec h o i c e t e a c h i n ge x p e as y s t e mi su s i n ga r t i f i c i a li n t e l l i g e n c et e c h n o l o g yt h a t a l l o w s c o m p u t e r st op l a yt h er o l eo ft h ei n d i v i d u a lt e a c h e r st e a c h i n gt ot h ed i f f e r e n tn e e d so f d i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h el e a m e r si m p a r t i n gk n o w l e d g e ，p r o v i d i n gg u i d a n c e a d a p t a b i l i t yt e a c h i n gs y s t e m c a ia n dt h et r a d i t i o n a ls o l u t i o nc b t c a nn o tu s ed o m a i n k n o w l e d g ea n ds t u d e n t s o ft h ed e c i s i o n - m a k i n gm o d e l ，b u tt h ek n o w l e d g et h a t e n c o u n t e r e dd i m c u l t i e s 。 t h i sp a p e rw i l lb ea b l et od i r e c t l yi m a g et h ef o r mo fk n o w l e d g es t r u c t u r e ，a n d e f f e c t i v e l ys h o wt h ep r o c e s so ft h i n k i n ga n dk n o w l e d g er e l a t e dt ot h ei n t r o d u c t i o no f t h ec o n c e p tm a pe x p e r ts y s t e mt os o l v et h ec u r r e n tt e a c h i n ge x p e r ts y s t e mk n o w l e d g e t h a tt h eb o t t l e n e c k a m o n gt h em a i nt a s k sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) c o n c e p tm a pw i l lb et e a c h i n ge x p e r ts y s t e mk n o w l e d g et h a tm o d e l c o n c e p t m a pw i l l n o to n l ys a i dt h a tt h et r a d i t i o n a lk n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n ，b u ta l s oo f e x p r e s s i o n ，a n das t r o n ga b i l i t yt oe x p r e s si n t u i t i v e ，r e l i a b i l i t y , a n de a s yt ob er e a l i z e d ， c l o s et ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fn a t u r a ll a n g u a g e ，t h es y s t e mc a nf a c i l i t a t et h e m a n a g e m e n to fk n o w l e d g e b a s e ( 2 ) i nt h er e l a t i o n a ld a t a b a s eb a s e do nt h er e a l i z a t i o no ft h ec o n c e p tm a p k n o w l e d g e b a s e k n o w l e d g eb a s ei sa ne x p e r ts y s t e mf o rt h ec o r ec o m p o n e n t so ft h e c o n c e p tm a pk n o w l e d g eb a s ec a na l s ob es a i dt h a tt h ef a c t t h a tt h er u l e so fe x p e r i e n c e ( 3 ) d e s i g nc o n c e p tm a pw i t ht h ec h a i no fr e a s o n i n gm e c h a n i s m ( 4 ) f o u n d a t i o nc o u r s e si nc o m p u t e ra p p l i c a t i o n sf o rb a c k g r o u n du s ep r o l o gb a s e d o nt h ec o n c e p tm a pt oa c h i e v et h et e a c h i n ge x p e r ts y s t e mp r o t o t y p e e x p e r i m e n t ss h o w t h a tt h ei n d i f i d u a lh a sr e a c h e dt e a c h i n gs c h e d u l e dt e a c h i n go b j e c t i v e s k e yw o r d s ：e x p e r ts y s t e m ；t e a c h i n g ；k n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n ；c o n c e p tm a p 学位论文版权使用授权书 本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， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囹。 学位论文作者签名：服分祀 导师签名：l 莲垦教 签字r 期：弘琚年6 月6 同 签字同期：u 纷月r 矿i ：t 独创性声明 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得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 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：厅良分毛 日期：矽橱年 6 月 6 日 江苏大学工程硕士学位论文 第一章绪论 辅助教学专家系统是近年人工智能技术、信息技术与计算机网络技术迅猛发 展的产物h2 1 ，它逐渐进入课堂，成为促进教育方式、方法和指导学生上机实验 进步的重要手段，教学专家系统及其相关问题的研究己成为迫切的、非常热门的 问题。 1 1 问题的提出 随着信息化社会的快速进步、人工智能的蓬勃发展，职业教育的教育教学改 革也同趋盛行。教师的教学手段不断更新，教学方法层出不穷，比如数字化教室、 电子黑板、教学专家系统、虚拟实验室，已成为教学活动中必不可缺少的部分。 对于职业学生来说，计算机专业基础课和专业课，实践性强，只有通过足够的实 践性实验和一定数量的综合性上机实验，才能真正理解和掌握该学科的理论知 识，获得一定的综合测试技能和实践能力，并初步具有处理实际测试工作的能力。 目前职业教育的现状是学生多教师少，学生在上机课时相当一部分学生很难 得到及时的指导。在教学过程中，发现学生容易出现的错误具有普遍性，在上机 辅导过程中，有时对同一错误要给不同的同学纠正二、三十遍，对于教师，虽然 是重复而相同的工作，但是要面对几十个学生逐个进行检错、排错、讲解也是异 常辛苦的事情。因此有必要将众多教学经验丰富的教学专家积累的经验进行整 理、汇总、分类，开发出一个教学专家系统作为教学的一个辅助手段【3 】。 教学专家系统是基于专家系统而开发的教学系统，它比传统教学方法和教学 手段有如下特点： ( 1 ) 教学专家系统可以掌握每个学生的学习基础、水平和能力，以此为依据 为不同的学生制定学习计划，有针对性地进行个别指导，并在学习过程中根据学 生进度自动调整学习内容，从而具有适应能力。 ( 2 ) 允许学生用自然语言与计算机进行人机对话，并能对带有学生个性特点 的问题作出解答，从而具备更好的交互能力。 ( 3 ) 大大拓宽了教学模式，值得教学软件不再是简单的课本搬家、教室搬家， 而具有更多的创造能力。 ( 4 ) 能诊断学生学习过程中的错误，并分析错误原因和给出解决方案，在此 江苏大学工程硕士学位论丈 基础上逐渐积累“经验”，从而具备纠错能力。 在职业学校教学经费普遍不足，设备资源的相对缺乏情况下，利用教学专家 系统能及时满足学生对实践的需求，增强并扩展了实践教学的功能，辅助教学专 家系统以前所未有的方式将学生与实践环境和实践过程有机联系起来，同时也提 升上机教学对学生创新能力和实践能力培养的力度，突破了传统教学手段，为学 生构建了一种全新的上机教学模式，也为实现丌放式上机教学提供了强有力的支 持【4 1 。 1 2 相关研究背景 1 2 1 辅助教学专家系统 专家系统是六十年代中期兴起的一门人工智能应用学科，是计算机应用的新 领域，也是当前人工智能应用研究最引人注目的主要领域。世界上的第一个实用 的专家系统是美国s t a n f o r d 大学人工智能识别谱图小组研制的d e n d r a l 系统 【5 】，d e n d r a l 系统从化学数据阐明分子结构细节的能力已超过了人。自从 s t a n f o r d 大学的第一个专家系统d e n d r a l 问世以来，随后一系列的专家系统应 运而生，比较著名的有医学领域的专家系统c s d u c e u s 以及m y c i n ，探矿专 家系统p r o s p e c t o r 等。短短的二三十年工夫，专家系统已经取得了非常可喜 的成绩，积累了许多的经验，越来越多的用于解决具体应用领域中特定问题的专 家系统相继问世，并在实践中显示出强大的生命力，获得了巨大的经济效益。辅 助教学专家系统是专家系统研究与应用的一个重要方面，它的研究国际上始于八 十年代人工智能技术的成熟，辅助教学专家系统的主要功能是帮助教师能根据学 生不同的特点、弱点和基础知识进行以最适当的教案和教学方法对学生进行教学 和辅导，它能够为不同学生选择不同的教学方法、教学手段。世界各地的高校以 及研究机构对二f 辅助教学专家系统进行了广泛的研究，并且开发出了许多的教学 专家系统，这些系统为高校的教学带来了巨大的促进作用。现今，还有很多的教 学专家系统在使用中，比较著名的如麻省理工学院的m a c s y m a 符号与定理证 明系统。在我国，教学专家系统的研究相对来说起步比国外要晚，从八十年代末 九十年代丌始，很多的科研机构以及高等学校也在这一方面进行了研究。随着研 究的不断深入，许多大学陆续开发了一些计算机程序设计语言、物理智能计算机 辅助教学系统以及聋哑人语言- i j l l 练专家系统等【6 l ；还有很多大学的辅助教学专家 系统j 下在开发或在准备开发的过程当中。可以预见，在未来的一段时间内，各类 2 江苏大学工程硕士学位论文 教学专家系统将更多的进入学校的课堂。作为职业学校，形象化的知识纳入教学 专家系统己经成为必然趋势，这样更有利于促进教育教学方式和指导学生上机实 验进步。同时，教学专家系统的研究与开发具有很好的实践意义。作为教育工作 者，投身于新的教学方式的研究，责无旁贷。 1 2 2 概念图在教学中的应用 概念图( c o n c e p tm a p ) 是由美国c o m e l l 大学的n o v a k 和c o w i n 基于a u s u b e l 的学习理论在二十世纪六十年代开发的一种能形象表达命题网络中一系列概念 含义及其关系的图解。 概念图由概念节点和带有标签的连线组成。节点是表示某一命题或知识领域 的各概念，节点之间的连线表示概念之问的内在逻辑关系，连线可以带有方向， 可以是单向也可以是双向，箭头的指向也就是概念或命题之问的逻辑关系的方 向，连线上的标签表示概念之间是如何或者是通过什么方式来建立联系的。概念 图的图表结构包括节点、连线和连接词三个部分。而概念( c o n c e p t s ) 、命题 ( p r o p o s i t i o n ) 、交叉连线( c r o s s 1 i n k s ) 和层级结构则是概念图的四个图表特征。 n o v a k 等人认为概念是事件或物体的规则属性，这些规则属性由标签标记。 这些标签对大多数概念而言是一个单词。命题都是关于宇宙中自然发生或人为建 构的物体或事件的陈述，有时候称之为语义单元或者是有意义单元。这些概念和 命题都以层级关系呈现出来，其中意义最广泛的、最具概括性的概念置于概念图 的顶端，次级的类属概念处于层级的下位。一个特定的知识领域的层级结构还要 依据这种知识所应用的背景。因此，n o v a k 建议在创建概念图时设计一些特定领 域的问题以使我们能够寻找答案或者一些在概念图的形式中通过知识的结构来 试图理解的一些情形或事件。交叉连线表示不同领域内的概念( 命题) 之间的关 系，帮助我们弄明白在概念图中所表征出来的一些领域的知识之间是如何相互关 联的。 概念图理论提出的早期，研究者主要把概念图作为一种评价工具，目的是为 了测定学习者已有的知识的结构，以及检验学习者的有意义学习的情况。2 0 世 纪8 0 年代以来，研究主要集中在把概念图作为一种教学技能和教学策略上。2 0 世纪8 0 年代中后期的研究怀疑概念图对学习效果的影响，但是进入9 0 年代以后 的研究，大量的研究充分的证实了概念图的效果，更多的研究转向了概念图的应 用领域的扩大，并且在概念图研究的新的领域也不断的得出积极的结果。作为工 具的概念图，已经远远的超出了它最初所扮演的评价工具的角色，研究者发现， 江苏大学工程硕士学位论文 它同时也是教与学的工具、技能、策略，创造的工具、多媒体设计的工具、课程 编制与教学设计的工具、元认知工具。 n o v a k 在进行a t 课程的过程中丌发出的概念图，是应用于研究儿童的科学 知识的掌握。这也是由科学知识的特点决定的，科学知识相对而言具有深刻的概 念内涵、丰富的逻辑层次和严谨的科学命题。所以，概念图在科学中有着广泛的 应用，早期的研究主要是集中在生物、物理和化学科中，特别是在生物学科上的 应用。但是，研究很快就突破了科学学科范围而被广泛应用到其他学科，以概念 图在2 0 世纪8 0 年代后期和9 0 年代的研究为例，概念图已经在生物、物理、化 学、文学、阅读、生态学、计算机辅助教学、地球科学、数学等领域得到应用， 近几年的研究扩展到兽医、临床医学、成人教育、教师职前培训、新产品的设计、 市场的丌发等科目和领域。 图式丌发技术r 新月异，从手工绘制到使用电脑软件和网络技术早期的概念 图主要依靠手工绘制，随着计算机及其技术的普及，可以使用计算机软件进行编 制，现在已经丌发出了许多计算机绘制概念图软件，最著名的就是i n s p i r a t i o n ( 灵 感) 软件，软件的基本功能：( 1 ) 绘制图表；( 2 ) 尽快地记录观点：( 3 ) 移动符 号；( 4 ) 添加相关观点；( 5 ) 改变符号的形状；( 6 ) 绘制连接；( 7 ) 添加相关文 章；( 8 ) 显示和放大的功能：( 9 ) 格式化文本符号；( 1 0 ) 打印；( 1 1 ) 图表和概 念要点之间的转换；( 1 2 ) 导入和插入图形。除了i n s p i r a t i o n 以外还有其他的软 件，主要的有：a c t i v i t ym a p 、m i n dm a n a g e r 、m i n d m a n 、a x o ni d e ap r o c e s s o r 5 0 、 c o c os y s t e m sd e c i s i o ne x p l o r e r 等。 1 3 本课题主要工作及创新点 基于概念图知识表示的教学专家系统不同于传统的专家系统1 7 j ： ( 1 ) 事实的获取方式不同。对于医疗诊断专家系统，一些基本的事实可以由 用户通过自己的感受自己提出【引 9 1 ，例如头痛、胸6 c 4 、恶心等等。而基于概念图 知识表示的教学专家系统的一些基本事实，对于职业学校的学生来说，他们没有 能力提出基本的事实，所以要求系统能对用户有所提示，通过系统的提问，用户 的回答，交互的获得一些基本事实，然后由系统给出纠f 错误的方法或建议。 ( 2 ) 推理机制不同。一般教学专家系统是把教案搬上屏幕，针对不同学生因 材施教；而基于概念图知识表示的教学专家系统主要功能是通过一系列推理来帮 助学生快速检测、纠j 下程序中的错误，该系统的推理机制比一般教学专家系统复 4 江苏大学工程硕士学位论文 杂。 该系统也不同于计算机辅助教学专家系统【l o l ，辅助教学专家系统的理论知识 表示还是文字性内容：而基于概念图知识表示的教学专家系统是使用概念图的模 式来表示课程的理论知识，这样更便于学生理解。 根据系统的显著特点和功能，本论文的研究工作主要体现在这几方面： ( 1 ) 将概念图作为教学专家系统的知识表示模型。概念图不但能够表示传统 知识表示方法所表示的知识，而且具有表达能力强、表达直观、可靠性好、易于 实现、接近自然语言等特点，使系统能够方便的管理知识库。 ( 2 ) 在关系数据库的基础之上实现概念图知识库。知识库是一个专家系统的 核心部件，概念图知识库既可以表示事实也可以表示经验规则。 ( 3 ) 设计了符合概念图链式推理的推理机制。 ( 4 ) 以计算机应用基础课程为背景，用p r o l o g 实现了基于概念图的教学专家 系统原型。实验表明在个性化教学方面达到了预定的教学目标。 本文共分为五章： 第一章绪论，针对职业学校教育的特点，论述了研究能满足个性化教学的教 学专家系统的必要性和本文的研究内容及创新点。 第二章是背景知识介绍，本章首先对专家系统基本组成部分的功能作了一个 简单的介绍，然后分别阐述了专家系统开发环境p r o l o g ，特别综述了教学号家系 统的研究进展。 第三章介绍了知识的金子塔模型，并从不同角度讨论的知识的分类。知识表 示是专家系统建造成功的一半，在介绍知识表示的一般方法的基础上，引入了概 念图的知识表示的原理，最后阐述了概念图变换为易于机器操作的内部表示形 式。 第四章介绍概念图知识表示原理和基于概念图的推理机制。 第五章依据软件工程方法，设计并实现了基于概念图的教学专家系统原型， 并分析了系统运行的结果。 第六章为结论部分，对研究工作做一总结，并指明下一步的工作方向。 5 江苏大学工程硕士学位论文 第二章教学专家系统研究进展 2 1 专家系统的构成 在过去的几十年中，专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 取得了很大的进展，它是人工 智能( a r t f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 领域的重要研究方向，也是人工智能领域中最富有成就 的领域之一，专家系统的存在和发展毋庸置疑。7 0 年代中期，专家系统的丌发 获得成功。正如专家系统的先驱费根鲍姆( f e i g e n b a u m ) 所说：专家系统的力量是 从它处理的知识中产生的，而不是从某种形式主义及其使用的参考模式中产生 的。这币符合一句名言：知识就是力量。8 0 年代，专家系统在全世界得到迅速 发展和广泛应用。 专家系统是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平 的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问题。 也就是说，专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统，它应用人工 智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推 理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类专家处理的复杂问 题，它能够以人类专家的水平完成特别困难的某一专业领域的任务。在设计专家 系统时，知识工程师的任务就是使计算机尽可能模拟人类专家解决某些实际问题 的决策和工作过程，即模仿人类专家如何运用他们的知识和经验来解决所面临问 题的方法、技巧和步骤。 专家系统的研制促进了人工智能理论和技术的发展，丌辟了计算机求解非数 值问题的有效途径，适用于完成那些没有公认的理论和方法，数据不精确或信息 不完整，人类专家短缺或专门知识十分昂贵的诊断、解释、监控和预测、规划和 设计等任务。不同的专家系统，其功能与结构不尽相同，但是一般都包括人机接 口、推理机、知识库及其管理系统、数据库及其管理系统、知识获取机构、解释 机这六个部分。通常，专家系统的基本结构如图2 1 所示： 6 江苏大学工程硕士学位论文 用户 领域争家和失h 识t 程师 图2 1专家系统的基本结构 ( 1 ) 人机接口：用户界面是专家系统与知识工程师以及一般用户之间交互的 渠道，由一组程序和相应的硬件组成，用于完成输入输出工作。领域专家通过它 输入知识，更新和完善知识库；一般用户通过它输入需要解决的问题、已知的事 实等；系统通过它输出运行结果，回答用户的询问，或者向用户索取进一步的事 实。人机接口的设计一般根据具体系统的设计要求而定。 ( 2 ) 知识获取机构：是系统的关键部分。主要功能是把领域知识输入到知识 库中，并维持知识的一致性及完整性，建立性能良好的知识库。在不同的系统中， 知识获取的功能及实现方法差别较大。有的系统由知识工程师从领域专家处获取 知识，然后再通过相应的知识编辑软件，把知识送到知识库中；有的系统自身具 有部分学习功能，由系统直接与领域专家对话获取知识；有的系统具有完全的学 习功能，系统能够自动地获取所需要的知识。 ( 3 ) 知识库及其管理系统：是系统的核心部分。知识库是知识的存储机构， 用于存放该领域专家系统的专门知识，包括与领域问题相关的理论知识、常识性 知识、专家经验得到的启发式知识。知识库管理系统主要负责对知识库中的知识 进行组织、检索、维护以及对新抽取的规则进行冲突检测等操作。 ( 4 ) 推理机：是专家系统的思维机构，也是构成专家系统的核心部分，其任 务是模拟领域专家的思维过程，控制并执行对问题的求解。根据当前已知的事实， 利用知识库中的知识，按一定的推理方法和控制策略进行推理，求得问题的答案 或证明某个假设的j 下确性。根据人类推理的方向和机器实现的方法，通过协调控 7 江苏大学工程硕士学位论文 制整个系统来决定如何使用知识库中的知识。在基于规则的专家系统中，推理机 的设计需要考虑到推理策略的选取、规则的匹配、冲突消解等问题。 ( 5 ) 数据库及其管理系统：用于存放用户提供的初始事实，问题描述以及推 理过程中得到的中间结果、最终结果、运行信息( 如推出结果的知识链) 等的工 作存储器。 数据库的内容是不断变化的。在求解问题的丌始，它存放的是用户提供的初 始事实：在推理过程中它存放的是每一步推理所得到的结果。推理机根据数据库 的内容从知识库中选择合适的知识进行推理，然后又把推出的结果存放到数据库 中。数据库是推理机不可缺少的工作场所，同时记录了推理过程中的有关信息， 为解释机提供了回答用户咨询的依据。 数据库管理系统是用来对数据库进行管理的。除了数据的表示需要和知识的 表示保持一致以外，其与一般的数据库管理系统没有什么差别。 ( 6 ) 解释机：是专家系统区别于一般程序系统的重要特征之一，也是取信于 用户的重要措施之一。它负责回答用户提出的问题，包括与系统推理有关的问题 和与系统推理无关的系统自身的问题，它可以对推理路线和提问的含义给出必要 清晰的解释，为用户了解推理过程以及系统的维护提供了方便的手段。它增加了 系统的可接受性，辅助专家和专家系统- 丌发者发现和更j 下知识库的缺陷和错误， 指导用户使用专家系统。 般来说专家系统的工作原理可以概括为：专家通过人机界面，将知识输入 到系统的知识库中：用户通过人机接口，输入与要解决的问题相关的事实和数据 推理机根据用户的输入从知识库中获取相关的知识，按照一定的推理策略进行推 理，并将推理的中间结果存放在数据库中。推理机将推理的最终结果反馈给用户， 解释机根据用户的提问从数据库中提取问题的推理中问数据，对用户提出的问题 予以一定的解释。 2 2 专家系统开发工具p r o l o g 2 2 1v i $ u 8 ip r o i o g 概述 p r o l o g 是一种高级程序语言，是以一阶逻辑为基础的。逻辑程序设计是以逻 辑与匹配为基础的，它应用递归、回溯来简化程序。v i s u a lp r o l o g 是最新一代的 v i s u a lp r o l o g 逻辑程序设计语言是p d pp r o l o g 和t u r b op r o l o g 的后继产品，是一 种功能非常强大、非常安全的程序设计语言。面向对象技术使p r o l o g 逻辑程序 江苏大学工程硕士学位论文 设计具有良好的结构性，v i s u a lp r o l o g 的图形用户接口( g u i ) 实现了以事件为 处理事件机制，把表示层的数据较细的分离，使基于p r o l o g 的应用开发更简单， 系统维护更容易，缩短了开发周期，节约了开发成本。 p r o l o g 语言是人工智能与专家系统领域最著名的逻辑级程序设计语言，它起 源于上世纪7 0 年代初期，由r o b e na k o w a l s k i 与a l a i nc o l m e r a u e r 所发展，在 1 9 7 2 年，经他们的努力，诞生了p r o l o g 这个以f o r m a ll o g i c 为基本的程序语言。 后来，k o w a l s k i 提供了理论框架，c o l m e r a u e r 完成了语言的设计。c o l m e r a u e r 的研究小组建构了第一个p r o l o g 解译器( i n t e r p r e t e r ) 。而爱丁堡大学的d a v i d w a r r e n 则建构了第一个p r o l o g 编译器( c o m p l i e r ) 。经过三十多年的发展，v i s u a l p r o l o g 己成为当今新一代开发智能化应用的强有力工具，同时还支持基于网络的 开发、数据库、多媒体、与c 语言集成等。预计在不久的将来，最新版的可视 化逻辑程序设计语言v i s u a lp r o l o g 将会在国内广泛流行，并成为研究和开发智 能化应用的主流工具。 2 2 2v is u a ip r o i o g 推理机 p i e ( p r o l o gi n f e r e n c ee n g i n e ) 即p r o l o g 推理机，是随v i s u a lp r o l o g 一起提 供的。使用推理机之前，必须先安装和建立p i e 的例子，具体方法请参阅文献【ll 】。 p i e 是一个经典的p r o l o g 解释器，供我们学习和实现p r o l o g 程序，而不必关 心类、类型等方面的知识。它是以匹配为基础的，通过递归、回溯推理实现程序。 例l ：五个不同颜色的房间分别住着不同国家的公民、抽不同的烟，喝不同 的饮料，养不同的宠物。根据条件分别对号入座。定义结构h ( c ，n ，p ，y d ) 来储存 房间的信息。c ，n ，p y d 分别对应颜色、国籍、宠物、香烟和饮料。用下面的列 表【h ( c 1 ，n 1 ，p 1 y 1 ，d 1 ) ，h ( c 2 ，n 2 ，p 1 ，y 2 ，d 2 ) ， h ( c 3 n 3 ，p 3 ，y 3 ，d 3 ) ， h ( c 4 ，n 4 ，p 4 ，y 4 ，d 4 ) ，h ( c 5 n 5 ，p 5 ，y 5 ，d 5 ) 】来表示房间及所有的信息。 定义以下几个谓词：c o l o r ( h ( c 1 ，n 1 ，p 1 ，y 1 ，d 1 ) ，c ) n 词表示房间的颜色； n a t i o n ( h ( c 1 ，n 1 ，p 1 ，y 1 ，d 1 ) ，n ) 谓词表示房间主人的国籍；p e t ( h ( c 1 ，n 1 ，p 1 ，y 1 ，d 1 ) ， p ) 谓词表示房问里主人养的宠物；d r i n k ( h ( c 1 ，n 1 ，p 1 ，y 1 ，d 1 ) ，d ) n 词表示房问主 人喝的饮料；两个相邻的房间用如n e x t ( a ，b ，【a ，b ，c ，d ，e 】) 谓词；用 r i g h t ( a ，b ，【a ，b ，c ，d ，e 】) 谓词表示b 在a 右边；当然还有c ，d ，e 都在a 右边： 都可用r i g h t 谓词定义；用m i d d l e ( x ，l j x u j ) 谓词表示房问在中间：用 f i r s t ( a ，【a l x 】) 谓词表示房间在第一个位置；再定义m e m b e r 2 谓词来实现选择再校 验的方法： 9 江苏大学工程硕士学位论文 m e m b e r ( a ，【a i x 】) m e m b e r ( a ，【b l x 】) ：- m e m b e r ( a ，x ) 例中的信息可以用上面的谓词写出来，写在解题s o l v e 3 谓词旱，具体请参 阅文献【l l 】。 在推n j o l 的对话框中键入不带”? “的谓词s o l v e ( x ，n t l r t ) 。 2 2 3 面向对象v is u a ip r o i o g 程序设计 面向对象的编程方法是通过定义与使用对象的方法来解决问题。面向对象的 程序可以创建、使用和删除对象。相似对象的集合归为类，一个类定义其中所有 对象的属性及其接口。接口是类中每个对象可以执行的函数集合，对象的函数调 用称为方法。数据属性是类中每一个对象存储的属性集合。就像真实世界，一个 对象是j 个可以与其他对象区分丌来的事物，每个对象是单独的实体；每个对象 可以包含几个特性，特性的容器称为属性，每个属性有惟一的名称。方法是对象 可以执行的操作，每个方法用一个名字来区别。每个对象属于一个单一类。类中 的一个对象称为类的实例。类的功能可以被重用，称为继承。通过继承一个类可 被一个或多个子类用作基类或超类! 这个子类可以添加额外的方法或属性。为 提高代码的重用率，也可以声明一个抽象类，一个抽象类是不能用来创建实例的， 只能用来作子类重用的源代码容器。 在面向对象的逻辑程序设计中，所有的p r o l o g 原则都可以应用，回溯方法 与p r o l o g 字句一样。 2 2 4 p r o io g 的特点 ( 1 ) p r o l o g 程序没有特定的运行顺序，其运行顺序是由推理机决定的，而不是 编程序的人。 ( 2 ) p r o l o g 程序中没有i f 、w h e n 、c a s e 、f o r 这样的控制流程语句。p r o l o g 所提 供的一些控制流程的方法和其他语言有很大的区别。 ( 3 ) p r o l o g 程序和数据高度统一。不区分哪些是程序，哪些是数据的，所有东 西都有相同的形式，也就是说数据就是程序，程序就是数据。举一个其他语言的 例子：如果想用c 语言编写一个计算某个数学表达式的程序很简单( 比如： a - 2 + 5 宰4 ) ，因为这是一段程序。但是如果想编写一个计算用户输入的表达式的值 的程序就很困难了。因为用户输入的是一段数据( 字符串) ，如果想让c 语言处理 这个字符串，就需要很多方面的技术。则j 下是因为在c 语言中，程序和数据是分 l o 江苏大学工程硕士学位论文 开的。而在p r o l o g 就不存在这个问题。 ( 4 ) p r o l o g 程序实际上是一个智能数据库。p r o l o g 的原理就是关系数据库，它 是建立在关系数据库的基础上的。它和s q l 数据库查询语言有很多相似之处。 使用p r o l o g 可以很方便的处理数据。 ( 5 ) 强大的递归功能。 2 3 教学专家系统研究进展 2 3 1 教学专家系统及其基本架构 教学专家系统产生的历史可以追溯到上世纪6 0 年代的程序教学( p r o g r a m m e di n s t r u c t i o n ，p i ) ，随后出现的基于计算机的训练( c o m p u t e r - b a s e dt r a i n i n g ，c b t ) 和计算机辅助教学( c 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 ，c a i ) 。基于计算机的训练和计算 机辅助教学在一定程度上有助于学生的学习，但它们都没有提供“一个学生对应 一个教i ) 开i ( o n e t o o n e ) 教学的个性化关注，而是采用“一种教学适合所有学生 ( o n es i z ef i ta 1 1 ) ”的教学方式，其主要原因在于“传统的c a i 中的教学信息是按 预置的教学流程提供给学生削眩】 。例如，一个练习中的教学策略“如果第8 题 回答f 确，则转向2 0 题，否则转向1 6 题”，可见这种c a i 系统并没有考虑学习 者的能力水平。换言之，传统的c b t 和c a i 的不足之处在于：系统不了解学生 的认知风格和认知水平。不了解学生当前的知识状态，当学尘有学习困难时不能 诊断原因并提出针对性的指导意见，也不能根据学生的认知风格和认知水平提供 个性化的学习材料。 教学专家系统是一种借助人工智能技术，让计算机扮演教师的角色实施个别 化教学，向不同需求、不同特征的学习者传授知识、提供指导的适应性教学系统。 该系统j 下是针对传统c a i 和c b t 的不足而提出的能够基于领域知识和学生模型 进行决策和指导的智能软件系统。该系统具备根据学生的认知特点、当前的知识 水平等特征表示教学材料的灵活性以及对不同学生需求的响应能力，通过提供怎 样按学生的信息进行教学”的教学策略来实现系统的“智能”。可见教学专家系 统研究的最终目的是由计算机系统担当学习者的引导者和帮助者，即赋予计算机 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掣1 3 1 。 h a r t l e y & s l e e m a n ( 1 9 7 3 ) 提出了教学专家系统的基本架构，认为教学专家系 统必须处理三方面的知识： ( 1 ) 领域知识，即课程模型，它主要解决教什么的问题( w h a tt ot e a c h ) ，包含 江苏大学工程硕士学位论文 了系统试图教授给学生的知识： ( 2 ) 学习者知识，即学生模型，它主要解决教谁的问题( w h o mt ot e a c h ) ，即指 明学生已知道什么和不知道什么以及学生的认知特点； ( 3 ) 教学策略知识，即导师模型( t u t o rm o d e l ) ，它要解决怎么教的问题( h o wt o t e a c h ) ，主要提供有针对性的教学策略。 上述基本架构对于教学专家系统的研究具有重要的指导意义。虽然在随后的 3 0 多年罩，教学专家系统研究一直没有形成公认的体系结构，但h a r t l e y s l e e m a n 所提出的上述架构一直是教学专家系统研究的基础与核心，绝大多数研究工 作都围绕着这一基本架构而展丌。 2 3 2 教学专家系统研究重点 教学专家系统研究从兴起到现在已经3 0 多年了，各个时期对教学专家系统 的研究重点有所不同。s h u t e & p s o t k a ( 1 9 9 6 ) 1 4 】对智能教学系统研究总结( 表1 ) 表1 教学专家系统的研究正点与典犁系统 - + 07 i 。l7 0 ： f o：o p 。8 0 ：ff t ：o 一9 0 f ： ：i 叶父 ? 一j 进唿! 磋 搿蹿7 j 嚣一铡远一一7 ，? j 量 ! 麓t p 舶； 擎、潮! 互 蠹麓缘：碡辑、纂+ f l j 狮 宁? j 、f 鸯崦7 j j 。，p 。! 袖 i 匏移礁鞍节n 蛭、 示、# ，斑 活移。掣豫镌挎群髹磺甜纸愈蜒 ，辔撑绳囊；? ，i 数。；彩或、磁认拽缝翻棼 戢定承 掩髭j 遥蟛住碥! 鹱- 卉鲜、。0 钾碳掣掺搬、f j逸；j 潺 五霸学j l 玎崦镑：z 晦。 磐龌，：灶壤。毳鳢承埴 絮颤噫凄美幔l j ；j 叶昀；j ； 老jj j z：tk ；z琏蜓 t建 ：j 芷 乏! 苷民王参z i - 嘲i ：# 他o 、：i 魄i h i；，搿i 。l4 爆 盘k r 乏l ： 簪i 乍；嵋f j 摊礴、翻嚆舛缒n 弼f l 饮靖7 砷耘、砰，德 乞 乍m 惦t o ；? 加，i f f 譬控裳户1 t 笨袭缝 l “，。丹艇 ? 列持 珏， 堪访。，j 母躺 s ( h o l kfc 甜执m e l l 工s p h qf a n d e 舢，辄n 也啦m ( s h u t c ( 池s 盯、 1 9 7 0 ，。硒h y ( s t e a r i n b m e r n ；盯i 0 8 5 a 1 9 9 0 s h p r i o c kf h d k p 收o - v cn 试o g 翻键( c k - , m p h 咀 c o t l l n s1 9 7 7 ) w e s tg c 棚嘲( a s -f 吖j e sg 0 c c a l l e yl 姻j ) l l2 0 0 0 ) ，s c o t ( 1 i “b c r l f b m ：& o 吼1 0 7 6 )d t l