基于概念图的教学专家系统|教学的概念图工具
时间：2018-12-26 03:34:30 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要： 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。本文将概念图引入到专家系统，解决了传统CAI不能利用领域知识和学生模型进行决策的不足，以及目前教学专家系统知识表示的瓶颈问题。基于概念图的教学专家系统通过在2004级-2007级学生中的广泛实际应用，验证了该方法的可行性和有效性，得到了师生的高度评价。
关键词： 专家系统 知识表示 概念图 计算机基础教学
1.教学专家系统研究进展
教学专家系统产生的历史可以追溯到上世纪60年代的程序教学（Programmed Instruction，PI），随后出现的基于计算机的训练（Computer-based Training，CBT）和计算机辅助教学（Computer Assisted Instruction，CAI）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师（One to One）”教学的个性化关注，而是采用“一种教学适合所有学生（One fit all）”的教学方式，其主要原因在于“传统的CAI中的教学信息是按预置的教学流程提供给学生的”。［１］例如，一个练习中的教学策略“如果第8题回答正确，则转向20题，否则转向16题”，可见这种CAI系统并没有考虑学习者的能力水平。换言之，传统的CBT和CAI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，当学生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。
正是针对采用传统CAI和CBT计算机基础教学的不足，学术界提出了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的研究与开发。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”。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学［２］。
Hartley和Sleeman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（What to teach），包含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（Whom to teach），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（Tutor Model），它主要解决怎么教的问题（How to teach），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30多年里，教学专家系统研究一直没有形成公认的体系结构，但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开。
2.基于概念图的教学专家系统
2.1概念图知识的形式化
概念结构（concept stricture）［３］是由美国的John F.Sowa提出的基于语言学、心理学、哲学为一体的一种最新的知识表示方法。它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。因此，自从被提出后，就在美国得到了很高的评价。美国、加拿大、澳大利亚等国家有不少学者从事这方面的研究工作。国内主要有西北大学计算机系人工智能研究室从事这方面的教学、研究与应用开发工作，并取得了一些成果［４］。概念图的形式化定义为：CGer（Concept，Relation，F），其中：
Concept={c1，c2，……，cm}，概念结点（Concept node）的集合；
Relation={rl，r2，……w}，关系结点（Relation node）的集合；
F（Concept×Relation）U（Relation×Concept），弧的集合。
概念图以图形表示就是一种有向连通图，它包括两种结点：概念结点和概念关系结点，弧的方向代表概念结点和概念关系结点之间的联系。概念结点表示问题领域中的一个具体的或抽象的实体，概念关系结点表示概念结点之间的联系。
在概念图中，概念结点用方框表示，概念关系结点用圆圈表示，有向弧标出了概念关系结点所邻接的概念结点。例如，在信息技术课堂中，学生在刚开始学习Windows操作时，由于对文件和文件夹的概念没有很好地理解，因而经常会将建立文件夹错建成文件，或将文件错建成文件夹。而如果在教学中运用图1这张有关文件和文件夹相关概念的概念图来向学生讲解它们之间的关系，就可以使学生清楚地认识到，文件夹是用来存放文件或子文件夹的，而文件中存储的才是具体的内容，根据存储的内容的不同，可以将文件分为文本文件、图像文件、声音文件、动画文件、视频文件等，这些文件都可以存储在各种磁盘上。这样运用概念图讲授这个知识点，可以收到很好的教学效果，从而使学生在操作时少犯错误。
2.2概念图知识的实现
概念图可以变换为易于机器操作的内部表示形式。文献［５］用Prolog实现了概念图及基于概念图的规则。要表示一个概念图，需三种类型的Prolog谓词，一个规则用带四个参数的谓词rule/4表示：
rule（rulenum，and（r1，r2…），r，［［*x］］）
其中，rulenum表示规则号；（r1，r2…）为规则左边的第一个图；r为规则右边的第一个图；［*x］为约束变量，指出了不同概念结点具有相同值这一特性。一个概念结点用带三个参数的谓词concept/3表示：
concept（label，Ref，renamelist，Cid）
其中，label为概念的类标号；ref为概念的所指域；renamelist为与该概念相连的关系名表；Cid为概念标识符。一个关系结点用带四个参数的谓词relation/4表示：
relation（label：cid1，cid2，Rid）
其中，label为关系的类型标号；cid1为与该关系相连的起始概念标识符；cid2为与该关系相连的终止概念标识符；Rid为关系标识符。一个概念图用带四个参数的谓词graph/4表示：
graph（Name，Clist，Rlist，Gid）
其中，Name为概念图的名字；Clist为该图中的概念标识符表；Rlist为该图的关系标识符表；Gid为图标识符。
需要说明的是，规则的前提并不全是“and”运算，但总可以化成这种形式，这一点很容易做到。
2.3基于概念图的教学专家系统框架
该教学专家系统基本组成如图2所示：
系统的主要模块以及功能说明如下：
知识源：主要来自于课本和教师的经验。
人机接口：是用户和系统进行通信的模块，通过该模块用户将信息告诉系统，以便系统进行分析整理，人机接口模块设计的好坏也是系统的一个关键。系统管理主要包括个人信息（用户名、密码等）及系统登录和增加删除用户等方面的功能。
解释器模块：是在推理过程中或者推理之后，向用户解释系统是如何得出结论的，一般的专家系统都具有该模块，因为向用户解释推理的过程，可以增加对系统推理的可信度。
数据库：相当于记忆结构，用来记录系统推理过程中用到的控制信息、中间假设和中间结果及结论的数据库或工作存储器。
知识获取模块：用来把新的知识或事实添加到知识库中去，或修改现存的规则知识，专家系统解决问题的能力主要取决于它所使用的知识的数量和质量，建造专家系统的瓶颈也就是知识的获取问题。
知识库和推理机：是整个系统的核心部件，知识库及推理机的构建和知识表示的关系很大，系统采用概念图知识表示，在此基础上构建了系统的知识库和推理机。
3.基于概念图的教学专家系统应用效果
3.1教学质量和效率
通过问卷调查方式，对运用该系统的“教改班”和没有使用的“非教改班”进行网上调查，了解了学生对自己所学知识掌握程度的评价，如图3所示。在教改班中，有81%的学生认为自己已经大部分或完全掌握所学的知识；而在非教改班中，只有68.4%的学生认为自己已经大部分或完全掌握所学的知识。另外，教师对两种类型学生同类作业的评价如图4所示，在教改班中，有64.5%的学生作业为良好以上；而在非教改班中，只有32%的学生作业为良好以上。同时，我们计算机基础课程的学时数只有30学时（其中已包含12个实验学时），这在我省高校中学时数是属于比较少的，要在有限的学时数内学完教学大纲所规定的内容是非常困难的，学时数严重不足是影响教学效果的一个主要原因，学时不足使原来教学计划中的部分内容只能改为学生的自学内容，效果较差。采用了本系统之后，将部分原本课堂讲授的内容改为学生通过自主学习，大大节省了课堂的教学时间，使原本没有时间在课堂上讲授的内容添加了进来。在相同的时间内，教改试验班的学生比非教改班学生还要多做了一个综合性的大型作业。这对教学无疑起到一定的促进作用。
3.2学生的学习自觉性及兴趣
过去以教师授课为主的教学模式，学生是被动学习，积极性不高。现在采用了新的学习模式后，学生可以在教学网站中欣赏到其他同学及过去学生的优秀作业，及时找到自己的不足，增强了竞争意识。同时通过参考他人作业也可以激发自己的创作灵感，从而制作出更好的作品。另一方面，由于增加了学生互评的评价方式，使学生在评价他人作业的同时自己也得到提高。其中原来对课程不太感兴趣甚至完全不感兴趣的学生中有54.7%转变为感兴趣，如图5所示。
3.3学生接受的学习新模式
调查中我们还发现，学生通过这门课程的学习，已经养成了一种良好的学习习惯，学会循序渐进、理论联系实际和协同学习的方法，并在解决实际问题的时候具有较强的创新能力。另外，学会通过搜索网络资源进行学习、通过网上论坛、留言、电子邮件等方式讨论并解决问题的习惯。不少学生在不知不觉中将此方法应用到其他课程的学习上，促进了其他课程的学习。在掌握了这种学习方法后，有89%的学生表示会有意识地将这一方法用于其他课程的学习。而且在全国计算机等级考试通过率以近10%逐年提高，图6为近三年来我们学生的等级考试通过率情况。同时，学生在学习的过程中有充分的自由度，学生可以根据自己的水平自由选择题目来完成作业，这样可以培养学生的创造性思维，激发学生的创造欲望。另一方面，由于我们提供了一个有充分网络资源的教学网站，学生可以很快找到更多有用的信息，不断提出问题，积极协商讨论、使知识得以归纳重组。同时丰富的网络资源使学生扩大了视野，丰富了想象，增强了创新意识、提高了创新能力，所有这些成绩都可以通过学生的作业反映出来。
参考文献：
［1］陈天云，张剑平.智能教学系统（ITS）的研究现状及其在中国的发展［J］.中国电化教育，2007，（2）：95-99.
［2］张剑平.现代教育技术理论与应用（第2版）［M］.北京：高等教育出版社，2006：117.
［3］John F.Sowm，Conceptual structure［J］.UK：Addison-Wesley，1984.
［4］白振兴.一种新的知识表示方法：概念结构［J］.计算机科学，1992.
［5］李卫华.IBM-PC机编译型PROLOG语言［M］.武汉大学出版社.
基金项目：江苏大学科研资助项目（1293000215）
