基于物理主知识元件的问题自动动态生成研究.doc

四川师范大学学位论文独创性声明四川师范大学学位论文版权使用授权书本人同意所撰写学位论文的使用授权遵照学校的管理规定：学位论文作者签名：多丐日 研究生：冯子文指导教师：冯山 篊， 第一章绪论弟第一旱章瑁绪比论的一种计算机应用技术。广义上讲，它是将计算机作为辅助工具应用在教学过程中的一种教学方法和手段。狭义上讲，它是教师与学生同时为教学主体的一种计算机环境中的交融式教学方法和手段。其含义是教师利用计算机进行授课的准备及授课，或学生利用计算机进行与学习内容有关的活动的综合性教育过程。 匝囵臣回匝架糽一。该模式分类框架将教学模式分为四种框架：一是以教师教学为中心的客观主义，二是以学生学习为中心的构建主义，三是以个体教学为中心的个体主义，四是以集体教学为目标的集体主义。这四种教学模式分别对应了不同的教育理念和思想，也反映了不同的文化教育方式的维度差异。这四种分类框架的特点如下：义学习理论和计算机多媒体技术的影响。在教学进化的历史过程中，教学工具的演变经历了由语言、文字等到以计算 种不足。它使传统教学过程中难以想象和难以理解的知识和现象变得更加直观、生动、形象和具体，有利于教学主体的教和学。观性。教育理论从心理学上将教学理念分为三类：形V饕謇砺鄱兰投甏I创立将其推到了顶峰。了行为主义学说。随后，斯金纳系统。 国内外生着越来越大的深远的影响。在上世纪八十年代中期，随着个人计算机的进一步普及，在美国高校范围内 入网络时代后，知识可以被快捷、高效的采集与传播，使学习资源得到了最大程度的共享。由此，新型系统的研究与开发要求满足学习者根据自身情况从网上选课并获得相关教学内容或者允许学习者在网上进行各种多方协作学习。在此阶段，涌现出了很多白试从胂低酬，为人们展开终身教育提供了环境和手段。进入二十一世纪后，由于计算机价格普遍降低和性能的大幅度提升，网络应用的范围越来越广，伴随着信息技术的进一步发展，在构建主义理论的指导下，的研究在形式和内容上呈现出更加系统和更加多样化的趋势。尤其是结合人工智能的研究、结合互联网络环境的研究都在不断提升，这些研究不仅提高了系统的软件研究与开发水平，也很好地扩展了其应用领域。例如，在数学方的实验仿真平台。 术。这个时期还出现了许多具有特色的软件平台，如金华科的物理和化学仿真系 域中进行拓展，以物理主知识元件和普通物理知识元件为核心，研究基于物理知识元件的物理问题表达和物理问题自动生成问题。研究结果应当具有普适性和学科问题表达的可推广性。在此基础上，本文还将设计和实现基于动态构图的问题表达和可读问题生成的基本功能。第二章围绕物理知识元件系统的表示思想，详尽地定义了众多相关的概念定义，由此完整地建立起来物理知识元件基础上的问题表达理论基础。以产生式系统为基本组织方式，全面研究和探讨了基于产生式的知识元件系统推理问题及其冲突解决策略。为此，引入了物理知识元件内推和间推两个重要的概念和方法。第三章分析、研究并设计了基于物理知识元件表示的问题自动动态生成算法。以面向对象技术为基础，设计并实现了物理知识元件表示下的物理问题表示与推理框架。第四章总结本文已有的研究工作和未来的研究计划。 个整体。即其知识及其在学科领域内的衍生知识在此系统内是封闭的。定义组成系统的各基本知识组成单元称为元件。定义夹卧元件的计算机数字化图形表示称为图形元件。图形元件仅包含元件的形状、颜色等外观图形信息，不包括与元件相关的其它屏煊知识信息。成单元，杠杆本身的力学和机械知识并不包含在内。一般而言，知识元件不仅包括基本知识组成单元的形状和颜色等外观，还应 笙三茎塑里塑望垂堡墨竺箜耋重兰塑里例如：对于物理力学知识系统中的知识元件杠杆来讲，它不仅包含表示杠杆从以上定义知元件、图形元件、知识元件、物理知识元件的外延包含关系如 可见，围绕某一学科领域知识的相互联系和相互作用的各类图形元件构成了知识表达的图形元件系统，一定在学科领域范围内的相互联系和相互作用的各类知识元件构成了知识元件系统。按照这样的思想，结合某一具体学科领域的相互联系和相互作用的该领域各类知识元件所构成的相应的知识表达系统可称之为该领域的知识元件系统。为此，物理知识元件系统定义如下： 正向物理规则一般以公式的形式出现。合成的物理量在规则式子的右边出现，用于合成的物理量放置在规则式子的左边。 笺三差塑里塑塑垂丝墨笙盟鲞至兰蕉里在正向物理规则的指导下，我们能够保证物理知识元件系统中各类物理规则一般来讲，在一个正向物理规则中，被合成物理量的优先级高于用于合成的各个物理量的优先级，用于合成的各个物理量的优先级则相同。这种优先关系在进行物理知识元件的知识组织时能够很好地降低知识之间的关联关系的复杂度，在问题表示与生成推理中能够很好地降低推理算法的复杂度。椭亓物理量的关系在正向物理规则框架下对应的规则形式为，馏在正向物理规则框架下，当多个物理量之间满足正向物理规则约束下的合成量与此相似，为区分具体物理知识元件在相关物理知识元件系统中不同的重要 知识元件的其他物理知识元件都称为普通物理知识元件。 箜三童塑型塑塑匹堡墨堑盟鲞至量垄里物理知识元件优先级别层次结构图如图：一关键位置的类型划分如图所示，分为关键点，关键线和关键面。 标，通过正向物理规则推理原理，用于合成物理特征量的物理量称为物理特征项。 第二章物理知识元件系统的表示与推理由物理知识元件内的顶层物理量开始，可以逐级形成系统中物理主知识元件主式的物理特征子项、物理特征项或物理特征量等各级物理量所组成的一个规则或关系网。当系统内有多个特殊物理主知识元件时，系统将不能自动识别或区分出它们的优先级别高低。此时，须通过系统冲突分解策略或规则，将其分解成多个物理知识元件子系统来进行处理。 为了缩小问题自动动态生成推理过程中对知识库的搜索范围，我们引入了物为区别物理量状态在推理过程中的不同重要程度，我们对物理量的不同状态己知物理量的状态。 箜三垩塑堡塑塑至壁墨堑盟墨至兰塑望物理量的组合优先级实际上是一种符合字典序先后次序的优先关系。由定义锢砹坑畔燃都螦和物理量状态优先级集合鼠稳琤粲谠隆临琤鼻医龅盿或自然中各事物之间普遍存在着联系，这种联系可以看成是由前提和结论两个表示。年，波斯特提出了产生式系统阳西蒙产生式形如狟或成的非空有穷集合，罩狗抛槌傻姆强沼星罴稀蟛縌叫做产生式系统产生式系统是相互协作的一组产生式协同工作的系统。物理知识元件系统蛭锢砦侍獗泶锵低的推理过程就是推理机运用推理规则库中跟物理知识元件相关联的规则，以反映物理问题和现象的物理量集为基础，不断进行推理并检测最终目标是否被满足的一个迭代过程。物理知识元件系统的推理系统由三部分组成： 推理机的任务涉及以下几个关键技术的实现：动态推理能力：推理过程中，如果某一推理的结论不是目标结论，则把这些中间结论添加到物理量集中，以备后续进一步进行推理。推理表达式的终止判定：当推理规则的结论满足目标时停止推理。推理过程的记忆问题：记住推理过程中用过的规则序列，在推理结束时能够根据规则序列及其变体能给出问题的推理步骤。 第二章物理知识元件系统的表示与推理在推理过程中的推理不动点的判断与处理方法：图 ，推出体积，图图示了体积，和密度，推出质量，图 第二章物理知识元件系统的表示与推理 体积，密重力，甲物体的物理量状态优先级如表所示。重力加速度，密度，高，长，宽，重力加速度，密度，高，长，宽， 第二章物理知识元件系统的表示与推理，甲物体内的推理状态如表所示，其状态图的变迁过程如图至图状态的内容。表示底面积和高一体积。表示体积和密度一质量 图、一，图图乙物体的底面积与高推出体积 第二章物理知识元件系统的表示与推理图乙物体内的质量与重力加速度推出重力乙物体的推理树高度为鞑愕墓愣染，其顶层物理量为重力。重力，半径乙物体的物理量状态优先级如表所示。 重力，质量，体积，底面积， 箜三童塑里麴塑垂壁墨堕塑耋变皇堡望。表示和半径一底面积则和瞥鯯。如图；通过规则瞥鯯。如图籹。通过规则瞥鯯。詹麓图飞三夕、，细杠杆内无完全匹配且符合正向物理规则的产生式。 愕牧珹点的力愕牧珹点的力 第二章物理知识元件系统的表示与推理细杠杆的物理量状态优先级关系力矩珺点的力力矩和，珺点的力臂，细杠杆的物理量的组合优先级关系，状态的内容愕牧点的力臂，、愕牧点的力臂，、力矩和，力矩和，融 师范大学硕士学位论文图物理知识元件间推理的推理步骤：在一个物理知识元件系统内，首先找出各物理知识元件的顶层物理量；其次通过正向物理规则确立各项层物理量之间的优先级关系，确立系统的物理主知识元件及其主式；最后采用符合物理主知识元件主式的正向物理规则逆向推出物理主知识元件与其它普通物理知识元件的联系并重新标注各层物理量及其状态优先级。：，图物理知识元件内推理状态图 箜三童塑望塑塑垂堡丕堕盟鲞至量堡堡代子目标的个数称为该层上物理知识元件间树的广度。例：问题陈述同例。 图图甲物体重力与甲物体的角度的推理 第二章物理知识元件系统的表示与推理图甲物体重力与甲物体的角度的推理细杠杆、重物甲与重物乙的物理量优先级如表所示。细杠杆、重物甲与重物乙的物理量优先级关系物理量，：甲。乙 细杠杆、重物甲与重物乙的物理量状态优先级物理量臂，：甲，乙物体角度，甲物体乙物体珺点， 第二章物理知识元件系统的表示与推理细杠杆、重物甲与重物乙的物理量集的各状态及其相关内容力矩和，、愕牧点的力矩，、愕牧点的力臂，、的重力，间推时符合正向物理规则的产生式有：。表示力矩与力矩一力矩和：表示力和力臂一力矩。表示重力和角度一力一旦岭堋#蜜弘祀触两，图国念，磐熟惫图 物理知识元件系统推理规则的匹配冲突及解决元件内推时。要使用物理量集中的物理量和产生式左部匹配，执行匹配成功的产生式右部。在物理知识元件间推理时，要把子目标和物理量集中的物理量或产生式右部匹配，匹配成功时生成叶节点。这些叶子结点成为新的子目标。在整个推理过程中，会出现一些匹配冲突的现象。在物理知识元件内推过程中可能出现以下情况： 箜三童塑望塑塑歪笪墨堑堕耋至量茎里在物理知识元件间推过程中，可能出现如下情形：匹配：据物理主知识元件主式的物理量优先级高至低推。在含有一个物理主知识元件的物理知识元件系统中，使用了两种方式的推理模式，即物理知识元件内的推理和物理知识元件间的推理。内推使用的是前向推理，它是从底层物理量推到知识元件的顶层物理量。间推借助物理主知识元件主式，运用正向物理规则从顶层逆推到其它普通物理知识元件的顶层物理量。内推和间推的结合最终形成一棵完整的推理树。在含有多个物理主知识元件的物理知 图杠杆与动滑轮组合例子物理知识元件内的推理如下：对细杠杆的分析如例。的力与力和。愕牧虳点的力，推出力和 第二章物理知识元件系统的表示与推理愕牧虳点的力的推理表諴的物理量及其状态组合优先级动滑轮诘母魍评碜刺绫荆刺嫉谋淝缤屯所示。 表諴的物理量集的状态及其相关内容推出缤。图从以上的物理知识元件内推理可知，其存在的物理量为：的重力、的物理知识元件间的分析如例。 第二章物理知识元件系统的表示与推理图、细杠杆及细线形成的推理树 一种理解和抽象客观世界的模型方法。面对纷繁复杂的客观世界中各种各样的实体或概念及其复杂多样的各种关系，人们通过面向对象的思想对这些对象系统进行描述与分析会变得相对容易理解，工作效率也可以得到提高。实际上，在面向对象的思想下，一个软件系统的设计与实现类似于一个积木搭建的过程。面向对象思想方法的主要技术特性如下： 基于物理知识元件系统的物理推理框架类认识客观世界的一种基本认知模型。如果将客观世界以框架模型描述，则可认为它是最合适的认知框架。在认知框架模型下，可以根据不同外界条件的变化对认知框架加以修改和补充，以形成对事物的新认知。而认知框架模型下的知识表示以框架模型及其框架结点的属性描述为基础，并通过它们获得与其它事物的框架认知模型的联系。 !猒馹猒!猒一面向对象框架的知识表示 列。然后，从待处理结点队列中取一个结点进行扩展。循环上述过程，直到找到将树母岬惴湃攵恿蠶并加入该结点的层级标志：假设结点6恿蠶中的第一个结点； 等于层标志根据例的假设与分析，我们可以得到如图的推理树假设队列为岬阄狽。问题生成的推理过程如下：点的力臂，加入队列尤氩惚曛荆境恿蠶中的第一个元素力矩 例条件如第二章例。、细杠杆及细线形成的推理树 图諴、重物细线与细线形成的推理树对一个含多个物理主知识元件的物理知识元件系统，假设推理树根结点的子结点仅有一个未知物理量的推理树开始推理。已经通过推理的物理量在下一棵树树中变为己知。假设队列为岬阄狽。问题生成的推理步骤如下：根据例的步骤，我们可以推出图奈侍馕#骸癇点的力矩是多少牛米，“愕牧嵌嗌倥”。在对图进行推理时，愕牧奈蛲瞥龅奈侍馕#骸癈点 物理知识元件系统所要展示的是以图示的形式表示物理现象或问题及其物理知识元件间的相互关系。为了在此基础上进行复杂的物理领域问题的表示与求解，系统将从物理问题表达与求解的本质出发，将物理问题的表达与求解简化为对问题中的具体物理量的表示与求解上。这一简化使得表示与求解过程可以通过基于物理量或反映物理规律的式子为主的推理搜索过程完成。 四川师范大学硕士学位论文本文总结本文初步提出并解决了物理主知识元件的问题自动动态生成问题。它对于智能教育物理软件平台上的研究理论与系统设计等工作都具有重要的参考价值。论文提出的问题自动动态生成算法及其在在智能教育物理平台建设上的关键性成果，是源于可读性证明成果的应用。但是，本文所提出的方法还需要进一步的完善与提升。生成规则。动构图、问题自动动态生成及问题自动解答。 参考文献肷剑诳墒踊J对硎镜闹悄芙逃锢砥教n7芯縖成都：中国科啪爸校负味碇鞫闧科学通报，：畲校啪爸校远评碛虢逃砑悄芷教广州大学学报，翰川师范大学学报匀豢蒲，：杨建昌高级编程本呵寤4笱霭嫔纾刘正林面向对象的程序设