信号模型主要探讨的是[智能远程作业系统模型探讨]

信号模型主要探讨的是智能远程作业系统模型探讨 作业是一个重要的教学环节，但作业环节中存在的问题最多，而且教师对比改作业最厌烦。原因为批改作业是一个智能行为特别集中的工作过程。已有的、大量的教学软件之所以没有最终进入到作业环节中，最根本的一条是对计算机的脑力开发不够，计算机只是简单扮演了“附有答案的习题集”的角色。因此，相对而言，作业环节的问题最突出。显然，作业中存在的问题依靠传统的手段是无法得到解决的， 为了能适应现代远程教育的发展需要，教育信息化对网上作业的质量提出了更高的要求，唯一出路在于力口快作业环节的技术改造，提高作业环节的自动化程度和工作效率。基于以上教学要求，本文采用人工智能技术，提出一种智能化的远程作业系统实现模型，它不但能够自动批改计算题和证明题等主观题型，而且还可以自动“透视”和动态构筑学生的“病历”。 一、远程作业系统的知识表达与知识库建立 作业批改是一个智能行为特别密集的工作过程，任课教师在批改作业时的主要依据是相关课程的专门知识、丰富的专家经验和逻辑推理能力。因此要用计算机来模拟真正教师在整个作业环节的工作过程，就必须建立表达合理、结构优化和存取便捷的专家知识库，其中包括学科理论知识和学科专家知识。 学科理论知识是作业系统在批改学生作业过程中用来识别学生答案是否正确的主要依据。从内容上讲，理论知识包括作业题目的答案(如选择题的正确选项和填空题的答案)、解答(如选择题、填空题、计算题和证明题的各种分析思路和求解、求证方法)中的数学、物理、逻辑和几何关系。就表达式而言，学科理论知识主要采用标准的书写格式来描述，以消除系统语言与学科之间的距离。学科理论知识的表达方式除了应能准确无误地表示各学科的专门知识之外，还必须满足系统进行算法识别的特殊要求，因此上述知识表达方式必须遵守一些相关约定。 就整个教学过程而言作业只是一种手段，其目的是诊断错误和发现问题。学科专家知识用来定义和描述学生在作业过程中暴露出来的错误和问题的专门知识，是任课教师在长期的教学实践和批改作业的工作过程中逐渐积累起来的，这些知识集中反映了远程作业系统的启发式特点和专家系统技术的应用。学生通过上机做作业，计算机通过批改作业及时获取学生作业中的错误信息，动态的建立学生的“学习病历”，从而对学生的学习状况形成准确和定量的描述和评价。这是所要建立智能远程作业系统对传统教学软件的主要技术突破之一。 学科专家知识采用产生式规则(ProductionRule)来表示：IP H THEN C，其中规则头H称为触发条件，规则尾C称为错误评价。 规则头H可以是由多个触发条件以“或策略”关系组合而成的复合事件，即H=H1 OR H2 OROR Hn，而规则尾C也可以是由多个错误评价以“与策略”的关系组合而成的复合评价，即C=C1 ANDC2 ANDAND Cn。因此识别系统中学科专家知识可以表示为识别系统中学科专家知识，即可以表示为IF H1 OR H2 OR“R HnTHEN C1 ANDC2 AND”AND Cn。 规则头中的触发条件可以是学生选择了选择题的某个错误选项，也可以是填错了填空题的某个空，或解答题出现的某个步骤，这些触发事件都可能导致知识库中某个专家知识被激活，从而引领系统对学生档案中的错误评价进行处理。 学生用户做完作业后提交，处理流程进入专家系统，由推理机对题目的正确与否根据知识库中的知识进行识别，推理机在进行批改作业之后生成作业的对错信息以及其它一些诊断信息，并将这些信息提交到远程数据库的作业库中。如果专家系统在识别过程中学习到新知识，则将新学到的知识提交到远程数据的知识库中，丰富已有的知识。作业批改进程是一个智能行为特别集中的工作过程，属于基于知识的学科专家系统。 二、远程作业系统的推理控制和搜索策略 每一道计算题或证明题，其求解和求证过程是由多个求解或求证步骤构成。其推理控制有步骤识别、解答识别和解法识别等几个层次组成。 (一)步骤识别 解答中的一个求解步骤一般由描述性文件信息和数学表达式构成的。文本信息采用“包含”的法则进行识别。数学表达式可以用“全等”和“等价”两种识别类型。 一个数学表达式的识别类型是在题目的设计过程中由教师根据需求来设定的，因此属于专家知识的部分(专家经验)。其中，“等价”识别要比“全等”识别的要求宽松得多，因此在要求不是很严格的情况下，数学表达式的识别类型被定义为“等价”。 “全等”识别主要用于解决的问题是判别两数学表达式是否相等。用此方法对两数学表达式进行识别时，数学表达式只能进行加法交换律、加法结合律、乘法交换律、乘法结合律、乘法分配律以及分数构造等等效变换。 在全等识别方法中，其核心的内容是对多项式进行因式分解。对于系数为无理数的多项式可采用近似值的方法将其化为有理数，然后用数学机械化中介绍的多项式的近似因式分解方法进行因式分解。如果系数为有理数，则可将其化为整系数多项式，再用Hensel提升法进行因式分解。 (二)解答识别 计算题或证明题的求解或求证过程有多个求解或求证步骤构成，所有步骤通过各种数学、物理、逻辑、几何和代入关系形成了一种树状结构，如图1所示。系统采用“深度优先”的推理控制策略对题目某种解法中的步骤中的步骤n进行求解证明，当步骤m求解失败时，系统自动搜索代换步骤mi进行代入代换，得到一个新的求解步骤；若新的求解步骤又求解失败，则再进行下一级的代换；以此类推，直至该步骤求解成功。若所有的代换步骤搜索完毕后仍然求解失败，则当前关键步骤求解失败。 (三)解法识别 有的计算题或证明题目，其解答包含有多种解法，所有的步骤之间通过各种数学、物理、逻辑以及代入关系等联系在一起，形成一种像“AND”树状结构，而不同的解法之间则以“或”的关系形成“OR”树，整个搜索空间可以看作一个理想的“ANDOR”推理网络图。此时知识库中含有如下两种规则： (1)IF a1 AND a2 ANDAND an THEN C1 (2)IF b1 OR b2 OROR bn THEN c2 其中，c1和c2称为“AND”和“OR”的多支节点，其不确定性计算采用“取大取小”和“乘法传递”的法则，即 CF(c1)=minCF(a1)，CF(a2)CF(an) CF(c2)=maxCF(b1)，CF(b2)CF(bn) 其中，CF(a)为节点a的可信度，其取值范围为。 (四)知识获取 系统在建成初期由于知识库中缺乏规则，因此不 能做出任何智能行为，此时需要通过领域专家对其进行人工移植，将人的知识移植到机器中，使其具有专家本领。除了人工移植外，系统还应具备机器学习能力，用于补充、完善和修订领域专家移植的知识。 1、人工移植 人工移植也叫资源，通过资源模块实现，资源主要是对题目信息库进行，它提供教师用户方便的对题目信息库进行增、删、改等操作。在对题目信息库进行过程中所必须遵循的原则就是要保证知识库的知识的正确性和完整性。因此在资源模块中增设了纠错功能： (1)当领域专家向机器移植知识时，必须用系统约定的语言规则与机器进行交流，即进行语法检查； (2)当向知识库中增加一条规则时，系统会检查该规则与知识库中已有的规则是否重复或者有冲突，如果没有则增加规则成功，否则不能增加规则，此处所说的重复，是指两条规则完全相同，为了增加系统识别时的正确率，允许出现冗余规则； (3)当删除知识库中的一条规则时，系统会从知识库中搜索出建立在该条规则之上的其他规则，然后向领域专家询问是否删除这些规则； (4)当修改知识库中的一条规则时，系统一方面检查新的规则是否与知识库中已有规则不符，另一方面系统会从知识库中搜索出建立在被修改的规则之上的其它规则并提示专家做出相应修改。 2、机器学习 系统在对学生作业进行识别时，为了更好更准确地诊断出学生的错误，建立学生的学习“病例”，在知识库中需要建立一些诊断错误的规则集。该规则集一方面要领域专家根据自己的经验(专家经验)来建立(即人工移植)；另一方面是通过机器学习来建立该类规则。此种方式也是获取该类规则的主要途径。规则的确定采用阈值法，即给定一阈值a，当系统收集到所有的事实(E)并计算出各假设发生的后验概率p(E)。 如果p(E)=a，则它被接收，否则被拒绝。 三、系统框图构成和实现过程 为了能够充分发挥学校网络资源的作用，并且实现通过信息技术对传统教育教学手段进行改革，可以采用图2所示的远程作业系统框图来完成。 在图2中，学生用户从题目菜单中选出本次要做的题目并提交给题目分类供应器，题目分类供应器首先分析提交来的题目，并根据分析结果向远程数据库中的题目信息库发出取题申请，题目信息库将提交的题目内容及相应的知识库内容反馈给题目分类供应器，此时题目分类供应器一方面将题目信息送至用户界面供学生用户答题；另一方面将知识库内容送至推理机，推理机对提交的作业进行处理后，生成学生作业信息并提交到远程数据库中的作业信息库供老师或者学生检查学习情况。知识库中的规则则通过人工移植和机器学习来获得。 学生用户做完作业后提交，处理流程进入专家系统，由推理机对题目的正确与否根据知识库中的知识进行识别，推理机在进行批改作业之后生成作业的对错信息以及其它一些诊断信息，并将这些信息提交到远程数据库的作业库中。如果专家系统在识别过程中学习到新知识，则将新新学到的知识提交到远程数据的知识库中，丰富已有的知识。作业批改进程是一个智能行为特别集中的工作过程，属于基于知识的学科专家系统。 四、作业结果查询 作业结果查询用于提供教师或者学生自己检查作业情况。教师和学生用户可以实现功能如图3所示。通过作业查询及统计功能，学生可以充分了解自己的作业情况以及对知识点的掌握情况，从而为学生学习建立一个学习反馈系统；教师可以通过查询及统计功能充分了解学生的学习情况，了解各知识点被掌握情况，以便为进一步的教学提供参考。 五、结束语 智能化远程作业系统是现代远程教学过程中的一个重要实践，它担负着题目设计、作业布置、学生答题、自动批阅和评讲总结等众多功能