考試評價系統(tǒng)中的知識樹表示法研究

蔡曉云

(鎮(zhèn)江高等專科學校 基礎部， 江蘇 丹陽 212300)

網(wǎng)絡遠程教育已成為融現(xiàn)代信息和多媒體技術為一體的新型學習方式，遠程教育模式下的在線考試更是成為一個研究熱點.各種基于局域網(wǎng)的C/S模式或基于Web的B/S模式的考試測評系統(tǒng)目前已被開發(fā)出來.在試題庫的模型建立、選題算法和考試評價上都獲得了進展，并取得了一定的成果[1- 2].但仍存在一些問題和不足：① 現(xiàn)有的考試系統(tǒng)大多仍以應付升學和等級考試為目的，缺少對學習的評價，尤其缺乏對學習過程的評價；② 系統(tǒng)模塊之間動態(tài)有機聯(lián)系不強，進而限制了系統(tǒng)在進行個別化學習過程中的智能性；③ 以知識建構為主要學習目標的特點也沒能在現(xiàn)有的考試系統(tǒng)中體現(xiàn)出來.針對以上存在問題根據(jù)實際學科知識結(jié)構的特點,引入人工智能的知識表示理論,分析基于知識的考試評價知識樹表示法.

1 有關知識樹的基本概念

1) 知識點.知識點是描述教學領域知識的完整的教學單元，是考試系統(tǒng)中信息傳遞的基本單元,研究知識點的表示與關聯(lián)對提高考試系統(tǒng)的評價和學習建議具有重要的基礎作用.知識點包括元知識點和復合知識點，在結(jié)構上不可分割的知識點稱為元知識點；由一組知識點聚合而成的知識點稱為復合知識點.

2) 知識關系.知識庫的結(jié)構是類似樹狀的網(wǎng)狀結(jié)構，作為知識網(wǎng)絡中的節(jié)點——知識點之間的聯(lián)系是十分復雜的.一般研究認為知識點間主要有以下幾類聯(lián)系：前驅(qū)/后繼關系；包含關系；兄弟關系；引用關系.在本文中所應用的知識點關系是關于知識點的前驅(qū)/后繼關系和包含關系的知識點樹.

3) 知識樹.知識樹就是知識點及其關系的集合.知識樹本質(zhì)上就是一個層級式知識圖，它表達了為實現(xiàn)某一領域知識的所有相關知識點間的因果關系或從屬關系.層級式知識圖由于具有對稱性、良好圖形、連續(xù)性等特點，而得到廣泛的應用.利用知識樹的這些特點和VB等可視化編程語言的作圖功能，就能方便直觀地表示出學生的學習知識樹了，并結(jié)合此方式給出形象而準確的評價和建議[3].

知識樹可以看作知識圖的簡化形式，有利于建立知識體系中的關聯(lián)和推理機制，利于知識的組織、管理和可視化，能夠滿足大多數(shù)學科知識表示的需求.各類學習資源，包括試題庫、素材庫等，均能以學科領域知識樹為中心，以知識點為線索，建立起知識點和資源之間的有機聯(lián)系.

4) 知識的表示.知識的表示既是知識獲取的基礎，也是知識應用的前提，知識表示方法及知識庫結(jié)構將直接決定系統(tǒng)的推理機制及求解策略，不同的知識表示方法，會有不同的推理機制.不僅如此，專家系統(tǒng)的知識結(jié)構與解釋機制也有密切關系，采用適當?shù)闹R表示方法可以得到更易表達和容易接受的解釋[5].

在該系統(tǒng)智能評價模塊中，知識表示是一個關鍵問題.教學是知識的傳播過程，學科領域知識是教學活動中各種知識的核心.良好的知識表示方法不僅可以合理、有效地將該學科領域知識組織在一起，也能為系統(tǒng)提供信息查詢，而且還可以幫助學生建立清晰的知識結(jié)構，提高問題求解的能力.知識表示方法的優(yōu)劣對教學系統(tǒng)是至關重要的，在智能評價系統(tǒng)中，知識表示是實現(xiàn)系統(tǒng)智能化的關鍵.

知識是極其豐富和龐雜的，知識表示的方法主要有這樣幾種：自然語言表示法、謂詞邏輯表示法、產(chǎn)生式表示法、框架表示法、語義網(wǎng)絡表示法、狀態(tài)空間表示法、問題歸約表示法、過程表示、腳本表示[6]、面向?qū)ο蟊硎?、Petri網(wǎng)表示法等.文中著重探討層次分明、結(jié)構清晰的知識樹表示法，各類學習資源均能以學科領域知識樹為中心，以知識點為線索，建立起知識點和資源之間的有機聯(lián)系.該系統(tǒng)知識樹采用面向?qū)ο鬄橹鞯闹R表示方法,來表達系統(tǒng)的評價知識.

2 主要對象模型的設計

數(shù)據(jù)模型的設計是系統(tǒng)開發(fā)的基礎，直接影響組卷功能和智能評價模塊的設計，是實現(xiàn)系統(tǒng)智能化的關鍵.在該系統(tǒng)中，主要涉及知識點、試題、試卷、學習資源、學習者和規(guī)則等對象.下面利用關系數(shù)據(jù)庫技術，對該考試系統(tǒng)中的知識點等幾個主要對象建模.

2.1 知識點模型

知識點是描述教學領域知識完整的教學單元，知識點之間存在的各種關聯(lián)及其關聯(lián)程度稱為知識點關系.若學習知識點A，必須先掌握知識點B，則B稱為A的前驅(qū)知識點，而A稱為B的后繼知識點，其關聯(lián)程度有強弱之分.知識點及其關系的集合稱為知識樹.

知識點：：=<知識點標識，知識點名稱，關鍵詞，學習要求標識，情感目標，能力目標，學習內(nèi)容，難易程度，教學重點，重要程度，學習時間，媒體資源，強前驅(qū)知識，弱前驅(qū)知識，強后繼知識，弱后繼知識>.

其中，知識點標識采用形如“T1.1.2”這樣的形式，字母“T”表示理論知識，數(shù)字“1.1.2”表示第1章第1節(jié)第2個知識點.這樣的編號方式不僅將編號與章節(jié)的具體含義結(jié)合起來，也為智能評價中的知識樹的樹葉顯示提供了位置信息參考.

學習要求：：=<學習要求標識，學習要求名稱，具體說明，舉例 >.

例如，大學信息技術中學習要求名稱包括掌握，熟悉，了解.

知識點間關系：：=<知識點標識，預備知識編號，關系類型 >.

其中，關系類型包括組合關系，為依賴關系、兄弟關系、平行關系.

在本系統(tǒng)中，知識點為基本學習單元，由各知識點構成了該課程的層次知識結(jié)構，它是若干個關聯(lián)的知識節(jié)點集K，知識節(jié)點間的關系r構成了一個關系集R，知識節(jié)點集K與知識關系集R構成了一個知識樹.知識樹的具體表示和實現(xiàn)可通過語義網(wǎng)絡法、框架表示、面向?qū)ο蟊硎镜确椒▉砻枋?

知識點的編碼和知識樹結(jié)構清晰地反映了知識點之間的相互關系，以某一知識點為例，可以方便地找到該知識點前驅(qū)和后繼知識點.樹中的每一個知識點都被賦予唯一的編碼，方便知識點的查詢、增加和刪除.學習者在學習某一知識點時，在線考試系統(tǒng)可以很容易的對其進行前驅(qū)知識測試和后繼知識提示.根據(jù)Web日志挖掘出的頻繁訪問路徑，調(diào)整知識樹結(jié)構，形成適應網(wǎng)絡測試和學習的知識點關系網(wǎng)絡和導航.

2.2 學生模型

在該系統(tǒng)的設計中，希望能根據(jù)不同能力學習者的要求和學習情況自動選擇試題庫中試題組卷、變化題目，精確地對每一個學習者進行測試和評價，因此學習者信息和學習情況的記錄是智能組卷和智能評價引導的重要基礎，在此設計了學生模型.

學生模型是指對學生屬性的詳細描述，描述如下：

學生模型={學生信息，班級信息，系院信息，安全信息，學業(yè)信息，偏好信息，學習行為}

2.3 學習資源模型

系統(tǒng)的設計目標不只是為了測試學生的學習水平，而是測試的過程中發(fā)現(xiàn)學生在該學科學習上存在的問題，并對學生提出準確的評價和有效的引導.在在線考試系統(tǒng)系統(tǒng)設計中為了滿足學生個性化學習需要以提高學習效率，充分利用Internet的優(yōu)點和現(xiàn)有的輔助教學資料設計了學習資源庫模型，學習資源的媒體類型分為：文本、圖形(圖像)、音頻、視頻、動畫五大類.

資源信息：：=< 資源標識，知識點標識，關鍵詞，描述，有效學習時間，大小，使用環(huán)境，反饋評價>

其中，資源標識編碼如下規(guī)定：T開頭表示文本，P開頭表示圖形(圖像)，A開頭表示音頻，V開頭表示視頻，F(xiàn)開頭表示動畫，通過特定開頭字母確定素材類型.

3 智能評價中知識樹的功能

1) 綜合運用可縮放矢量圖形SVG等多項網(wǎng)頁技術，盡可能完整地體現(xiàn)本學科領域的總體知識結(jié)構，以便學習者認識一個學科知識結(jié)構的全貌與細節(jié)，并能隨時查看當前學習知識樹的生成情況.

2) 智能評價中借助知識樹映射過程實現(xiàn)知識的動態(tài)調(diào)度和規(guī)劃.系統(tǒng)的學習策略主要通過知識樹形成、葉節(jié)點添加、葉節(jié)點刪除和移動等標準樹型數(shù)據(jù)結(jié)構的標準化操作，運用人工智能化混合推理技術，動態(tài)加以實現(xiàn). 將知識點屬性與知識樹節(jié)點的顯示特征相結(jié)合，如可通過葉節(jié)點的虛實、顏色屬性表示該知識結(jié)點是否掌握、掌握程度.學生知識樹的不斷增長和屬性改變的過程就是學生掌握該學科知識的過程.通過知識樹映射，用戶可以隨時查看知識樹變化，動態(tài)反映學生不斷變化的學習情況，具有較高的智能性，促使學習者及時補充學習.

3) 以超鏈接的形式將知識樹中的葉節(jié)點與知識點詳細信息聯(lián)系起來，無論知識樹中節(jié)點顯示是否掌握，都能通過該節(jié)點查詢相關知識點信息和學習資料等，增強了學生學習的自由，學習者能隨時自由自主地點擊查詢和學習，根據(jù)自己對已經(jīng)學習過的知識點的掌握情況選擇下一個要學習的知識點.

4) 以時間信息為序，直觀查閱知識樹的生長過程，學習者能靈活提取任一時間點的知識信息，即某時刻的學習情況和知識的掌握程度.知識樹下顯示根據(jù)專家經(jīng)驗知識作出的的學習評價和建議.系統(tǒng)已具備了一定的“推理智慧” ，能根據(jù)實際應用情況不斷地修改和豐富知識庫.分析得出的規(guī)則在學習過程中不斷得到鍛煉，即通過規(guī)則在學習過程中的績效來修正自身，使其能夠更加確切地反映學習者的真實情況.

5) 系統(tǒng)充分利用網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)庫技術，將智能評價與分析模塊與智能組卷模塊相連接，根據(jù)知識樹中反映的學生學習狀況和學習評價信息及時對測試內(nèi)容進行調(diào)整，更好地實現(xiàn)網(wǎng)上隨機動態(tài)組卷與測試，幫助學習者補習有關知識或進一步測試，提高了學習效率.

4 知識的表現(xiàn)形式及存儲形式

4.1 知識的表現(xiàn)形式

合理的知識結(jié)構有利于學習者對知識的運用,有利于進一步的學習.有關研究表明,合理的知識結(jié)構應該是分層存儲的,層的劃分要結(jié)合知識的分化、運用以及相互之間的聯(lián)系等綜合考慮，層次分明的知識結(jié)構容易被人所接受，更容易讓學習者看清楚知識的發(fā)展方向.考試系統(tǒng)中的知識可分為學科專業(yè)理論知識和學科專家經(jīng)驗知識.

研究表明，將學科專業(yè)理論知識分解成不同粒度的知識點，使用圖或樹的結(jié)構將它們組織起來是比較適宜的知識組織和表現(xiàn)形式[7].知識樹可以看作知識圖的簡化形式，有利于建立知識體系中的關聯(lián)和推理機制，有利于知識的組織、管理和可視化，能夠滿足大多數(shù)學科理論知識表示的需求.各類學習資源均能以學科領域知識樹為中心，以知識點為線索，建立起知識點和資源之間的有機聯(lián)系.因此，在智能評價系統(tǒng)中有效地建立和維護知識樹是一個重要的問題.將具體學科知識表示為知識樹,學生學習知識和能力的增加是一個動態(tài)的過程，表現(xiàn)為知識樹的栽培和發(fā)育生長.多學科知識在系統(tǒng)中表示為知識森林，每門具體學科的知識通過知識點粒度細分,知識樹內(nèi)部節(jié)點對應于科目、單元、章、節(jié)、小節(jié)等，實現(xiàn)知識之間的組合關系.

4.2 知識的存儲形式

知識樹表示的有關知識是以數(shù)據(jù)庫的形式存儲的,又稱為知識庫.隨著專家系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對知識庫的要求越來越高，知識庫也將逐步地趨于完善.將知識庫建立在基于數(shù)據(jù)庫的基礎之上，充分利用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的強大管理功能和快捷的開發(fā)環(huán)境，能夠滿足知識庫的發(fā)展要求.本文選用目前最成熟、應用最廣泛的關系型數(shù)據(jù)庫.選用關系數(shù)據(jù)庫SQL Server具體實現(xiàn)系統(tǒng)，充分利用SQL Server數(shù)據(jù)庫的諸多優(yōu)點，例如能夠很好地處理知識表示中的不一致性、整體性及冗余度檢查問題，能利用強大的SQL查詢語句對知識進行搜索處理等，給出了專家系統(tǒng)中知識的關系化表示方法，以及在關系數(shù)據(jù)庫SQL Server中的具體實現(xiàn)，并利用面向?qū)ο蟮拈_發(fā)語言ASP.net來實現(xiàn)SQL Server對知識的訪問，亦即在ASP.net中利用ADO技術訪問SQL Server表[8-9].

5 知識樹表示方法的應用

將本文探討的知識樹表示方法應用于《大學信息技術》課程學習與考試評價系統(tǒng)的研究與開發(fā)中，從實現(xiàn)過程和運行狀況來看都是比較滿意的，從一個側(cè)面驗證了這一方法的實用價值.

系統(tǒng)采用科學的評價標準，全面測評學生，既要能客觀標準地評價學生的學習，也能全面完整地反應學生情況，為學生今后學習提供幫助[10]，同時能根據(jù)學生的知識掌握情況，為教師今后的教學提供指導建設性建議.本課題的研究旨在為本校的《大學信息技術》課程的教與學提供一個學習與測試的平臺.該系統(tǒng)對學生參加等級考試的復習和提高通過率帶來了很大的幫助.

在智能評價系統(tǒng)中，知識表示是實現(xiàn)系統(tǒng)智能化的關鍵.大學信息技術的每個章節(jié)的知識都是一個有機的網(wǎng)狀結(jié)構系統(tǒng)，知識點相互聯(lián)系，相互作用，使得學科網(wǎng)絡形成了一個完整的有生命的體系.本文將學科領域知識表示為知識樹，學生學習知識的增加可以表現(xiàn)為知識樹的種植和生長過程，是一個動態(tài)的過程.此方法也可拓展到學生多學科知識的學習，多學科領域知識的知識樹就構成了知識森林.每個具體學科的知識通過知識點粒度細分，知識樹內(nèi)部節(jié)點對應于單元、章、節(jié)、小節(jié)等.[11]

大學信息技術課程中的知識點較多，在以往的學習中，很多學生只注重知識點的掌握，不注意掌握知識點之間的內(nèi)在聯(lián)系，所以學生在做綜合性的習題時表現(xiàn)出靈活性和知識遷移能力較差，出錯較多，不會活學活用.造成這種問題的原因就是學生在學習整個過程中沒有創(chuàng)建起知識點之間的內(nèi)在聯(lián)系，形成較完備的知識網(wǎng)絡.

將知識樹表示法是應用到智能評價系統(tǒng)中以后，可以幫助學生積極建立學科知識系統(tǒng)，促進他們迅速掌握知識體系，理清知識點之間的內(nèi)在聯(lián)系，增進了學生對所學知識的理解.我們把這種知識體系以知識樹這種形象直觀的方式展現(xiàn)給學生，將能極大地提升學習效率，彌補了課堂教學中的不足，有效地提升了學習成績.如計算機信息系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫這一章，樹干是信息系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫，信息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫是兩個分叉.我們可以利用VB等可視化編程語言的作圖功能，以不同的顏色和形狀表示是知識節(jié)點的不同信息，如用實線空心圓表示待學習的知識點，用虛線空心圓表示該學科中選學的知識點，用實線實心圓表示已經(jīng)掌握的知識點.此外，在各章節(jié)知識樹上用超鏈接的方法鏈接上之前設計和準備好的各種學習資源素材.這樣就使得知識樹變得枝繁葉茂，生機勃勃，文本、圖形(圖像)、單頻、視頻、動畫也有機地結(jié)合起來.這樣，學習者在獲悉自己的學習評價之后，也能通過知識樹中鏈接的學習資源，及時鞏固，并進入到下次測試，起到了查缺和補漏的作用.實踐表明，測試時間越長、測試次數(shù)越多，知識樹的評價效果會越好，反映學習者的學習情況也越準確，同時可結(jié)合智能評價的信息在知識樹下顯示一個學習評價總結(jié).學習者參照知識樹反映的信息，當根節(jié)點為掌握標記時就表明已全部掌握所要求的知識點，這樣，學習者只要經(jīng)過多次練習而非全部練習就能測試完畢了.

6 結(jié)論

1) 基于知識樹表示的智能評價系統(tǒng)能根據(jù)學習者的測試情況和個性提供相應的指導，實現(xiàn)個性化學習，能根據(jù)學習者當前的薄弱環(huán)節(jié)，提供學習者補漏的提示和相應的學習計劃.智能評價系統(tǒng)將學生的評價信息提供給智能組卷系統(tǒng)，就能根據(jù)學習者的水平和學習情況提供合適的、個性化的、交互的練習和測試環(huán)境，調(diào)動學習者的學習興趣.

2) 應用智能評價系統(tǒng)，能根據(jù)學習者的實際情況，對其學習內(nèi)容和方向以適當?shù)囊龑?，學習者在測評時能準確知道要學什么和怎么學，不用浪費時間去重復練習已經(jīng)掌握的知識，通過有效的練習和測試達到學習目標，這極大地增加了學習情境的人性化色彩，對提高學習者的學習興趣，改善教學效果有重要的意義.

3) 下一步工作主要是研究規(guī)則的產(chǎn)生和學習策略的制定問題，系統(tǒng)的通用性研究，探討將數(shù)據(jù)挖掘技術應用于學生測評信息和個性化信息的提取中.進一步研究如何從大量的信息中提取有效的規(guī)則，然后根據(jù)規(guī)則制定與之相應的、行之有效的學習策略.

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