中學化學虛擬實驗室智能診斷平臺知識表示研究

齊悅含

摘 要:為了能夠讓中學化學虛擬實驗室的診斷功能更好的得到應(yīng)用,本文給出了一種智能診斷的有限自動機的模型。首先,從實驗操作完整性的角度給出了實驗知識庫的整體結(jié)構(gòu)圖。然后,根據(jù)實驗的操作過程,分別給出了實驗藥品選擇、實驗儀器選擇、實驗操作步驟幾方面的診斷規(guī)則及對應(yīng)的有限自動機模型。最后搭建了統(tǒng)一模型,并給出有實際化學實驗過程的有限自動機模型。為進一步通用中學化學虛擬實驗智能診斷平臺的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:虛擬實驗知識表示智能診斷有限自動機

中圖分類號:TP302.1 文獻標識碼:Ａ 文章編號:1674-098X(2012)07(c)-0013-04

實驗教學是培養(yǎng)學生實踐能力的重要途徑,是學校教學的重要輔助手段,是學生真正理解理論知識,并將其運用于實踐的重要保證,是激發(fā)學生學習興趣的主要源泉,更是培養(yǎng)和發(fā)展學生思維能力和創(chuàng)新能力的重要方法和手段。但是面臨著學校招生人數(shù)增多,相對試驗儀器少,已有的部分實驗儀器破損嚴重或落后,與試驗操作脫軌,試驗經(jīng)費不足,試驗的時間受限,教學形式單一,試驗中存在大量危險等各種因素的影響,目前試驗教學不能得以很好的展開,制約著學生的實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng),改變傳統(tǒng)的試驗教學模式已迫在眉睫,采用計算機技術(shù)構(gòu)建的各種虛擬實驗室,為實驗教學提供了一種新的解決方法?！疤摂M試驗”定義是指利用分散的信息和通信技術(shù)在科研及其他創(chuàng)新性活動中進行遠距離合作和試驗的一種電子協(xié)作。本文涉及的虛擬實驗,是建立在中學化學學科課本中真實實驗基礎(chǔ)之上,對實驗的藥品、儀器進行計算機模擬,實驗者通過鼠標點擊與拖拽和鍵盤操作,可以像對真實的藥品、儀器一樣對虛擬實驗中的設(shè)備進行操作,從而完成整個虛擬試驗的過程,并將對試驗結(jié)果進行反饋和分析,定義出診斷規(guī)則對其結(jié)果進行診斷[1-7]。

1 實驗知識庫的建立

所謂知識表示(Knowledge Representation)也可以表示為知識表達或知識描述,是為了方便人們認識和識別知識,并對世界進行描述而作的一組約定,把知識變成符號的過程。目前存在有多種不同的知識表示方法,來源于多種不同的形式化的知識模型。以下簡單介紹常用知識表達方式[8]。

虛擬實驗要想做到實驗場景的真實再現(xiàn),并得到廣泛應(yīng)用,在搭建平臺時就要深入的研究實驗過程中每個實驗操作的環(huán)節(jié),如實驗藥品和儀器的選取,實驗的操作步驟等。

通過對中學化學實驗的深入了解與分析,可以將實驗中的共同點進行提取,不同點進行區(qū)別,建立一套科學適用的虛擬試驗平臺,為師生使用帶來方便。

中學化學虛擬實驗智能診斷平臺知識庫的是大量信息存貯的場所,同時也離不開大量信息的支撐。信息調(diào)用量大,信息交換頻繁都是知識庫應(yīng)用的特點。為了更加方便有效的對信息進行管理,將知識庫根據(jù)化學實驗過程的需求進行分類,劃分為若干個子知識庫,每個子知識庫對應(yīng)于實驗操作環(huán)節(jié)中的一部分。虛擬實驗智能診斷平臺知識庫的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示:

2 實驗儀器知識表示的研究

2.1 實驗儀器的診斷規(guī)則

根據(jù)虛擬實驗的操作要求,對知識庫中給出的虛擬實驗儀器進行選擇。設(shè)平臺知識庫中存入的實驗儀器總個數(shù)為N,實驗中應(yīng)用到的實驗儀器個數(shù)為i,分為別X1,X2,X3,…Xi。則對實驗儀器的選擇給出如下的診斷規(guī)則:

(1)如果選擇儀器X1,X2,X3,…Xi中,沒有一種與所需的實驗儀器相同,不進行試驗;

(2)如果選擇儀器X1,X2,X3,…Xi中,只有一種與所需的實驗儀器相同,不進行試驗;

(3)如果選擇儀器X1,X2,X3,…Xi中,只有兩種與所需的實驗儀器相同,不進行試驗;

(4)如果選擇儀器X1,X2,X3,…Xi中,只有三種與所需的實驗儀器相同,不進行試驗;

…

(i)如果選擇儀器X1,X2,X3,…Xi中,全部與所需的實驗儀器相同,則進行下一步操作。

2.2 實驗儀器的知識表示

設(shè)一個有限自動機有以下幾部分組成:

其中Φ表示給一個狀態(tài)和符號就是唯一地確定一個狀態(tài)的映射。

設(shè)符號集Σ(n,y),其中n表示虛擬實驗中用到的藥品總個數(shù),y表示虛擬實驗診斷規(guī)則。狀態(tài)集合SS=(S0,S1,S2),其中S0表示開始狀態(tài),S1表示出現(xiàn)錯誤,不能繼續(xù)做實驗,S2表示選擇正確,可以繼續(xù)實驗。終止狀態(tài)集:{S1}轉(zhuǎn)換函數(shù)如下:

3 實驗藥品知識表示的研究

3.1 實驗藥品的診斷規(guī)則

根據(jù)虛擬試驗的操作要求,對知識庫中給出的虛擬試驗藥品進行選擇。設(shè)平臺知識庫中存入的實驗藥品總個數(shù)為M,實驗中應(yīng)用到的實驗藥品個數(shù)為n,分為別I1,I2,I3,…In。則對試驗藥品的選擇給出如下的診斷規(guī)則:

(1)如果選擇藥品I1,I2,I3,…In中,沒有一種與所需的實驗藥品相同,不進行試驗;

(2)如果選擇藥品I1,I2,I3,…In中,只有一種與所需的實驗藥品相同,不進行試驗;

(3)如果選擇藥品I1,I2,I3,…In中,只有兩種與所需的實驗藥品相同,不進行試驗;

(4)如果選擇藥品I1,I2,I3,…In中,只有三種與所需的實驗藥品相同,不進行試驗;

…

(x)如果選擇藥品I1,I2,I3,…In中,全部與所需的實驗藥品相同,則進行實驗具體操作。

3.2 實驗藥品的知識表示

設(shè)符號集Σ(x,q),其中n表示虛擬實驗中用到的藥品總個數(shù),q表示虛擬實驗診斷的規(guī)則。狀態(tài)集合SS=(S0,S1,S2),其中S0,表示開始開始狀態(tài),S1表示出現(xiàn)錯誤,不能繼續(xù)做實驗,S2表示選擇正確,可以繼續(xù)實驗。終止狀態(tài):｛S1｝。轉(zhuǎn)換函數(shù)如下:

4 實驗操作步驟知識表示的研究

4.1 實驗操作步驟的分類

平臺主要研究對象是中學化學實驗,針對教學大綱實驗要求的分析與研究,將實驗過程細劃分為若干個實驗子動作,并進行如下分類:

(1)對化學實驗操作分析,最基本的操作動作有拿起、放下、取出、傾倒、打開、移動、連接、刪除、修改、添加等,將這些不可拆分的基本操作定義為知識庫中的原子操作。

(2)對化學實驗操作過程中實驗儀器的使用方法分析,將使用情況相同的儀器分為一類,并將這些操作定義為知識庫中的基本操作。例如:大試管、小試管的使用可分為一類。

(3)針對化學實驗中儀器的使用分類,建立一套連貫的操作動作,并將此定義為知識庫中的基本操作。例如:點燃酒精燈、用試管夾夾住試管等。

4.2 實驗操作步的診斷規(guī)則

根據(jù)對實驗操作過程中動作細致劃分后得到的原子操作、基本操作、固定操作再做深入分析,可以發(fā)現(xiàn)在固定操作是將原子操作和基本操作合并起來后得到的操作。對固定操作進行診斷規(guī)則的制定同時,也給出了原子操作和基本操作的診斷規(guī)則。

4.2.1 實驗原子操作和基本操作

在知識庫中錄入專業(yè)的實驗原子操作和基本操作的動作后,對基本操作給出判定規(guī)則。以下給出幾個簡單的例子:

試管:試管有大試管和小試管兩種。試管的主要用途是盛放少許固體或者液體,主要用作少量物質(zhì)的反應(yīng)的儀器。

對試管操作給出使用規(guī)范的診斷規(guī)則:試管可以直接加熱但外壁不能有水,試管內(nèi)裝液體時不能超過試管容積的1/2,加熱時不能超過1/3,加熱時先使試管均勻加熱,然后在試管有藥品的部位集中加熱,加熱時試管應(yīng)與水平面成45°,固體加熱時,關(guān)口應(yīng)向下傾斜。

4.2.2 實驗固定操作

實驗的固定操作這里定義為實驗者在實驗藥品、實驗儀器、實驗藥品和實驗儀器使用時所有的操作動作。例如,實驗者給出這樣的動作指令:將大理石塊放入到錐形瓶中。這個動作指令就由幾個原子操作和幾個基本操作共同組成,將其拆分為選擇藥品為大理石塊、選擇儀器為錐形瓶、用鑷子夾取少量大理石塊放入到錐形瓶內(nèi)。

對固定操作給出診斷規(guī)則如下:

a如果實驗藥品的選擇和操作有一種錯誤,則不能繼續(xù)實驗;

b如果實驗儀器的選擇和實驗儀器的操作有一種不正確,則不能繼續(xù)實驗;

c如果實驗藥品的選擇、操作,實驗儀器的選擇、操作均正確,則繼續(xù)實驗。

4.3 實驗操作步的知識表示

根絕對實驗固定操作的分析和已給出的診斷規(guī)則,建立實驗操作步驟知識表示如下:

設(shè)符號集Σ(x),x=｛x1,x2,x3,x4｝其中x1,x2,x3,x4表示固定操作給出的規(guī)則。狀態(tài)集合SS=(S0,S1,S2),其中S0表示開始開始狀態(tài),S1表示操作出現(xiàn)錯誤,不能繼續(xù)實驗,S2表示操作正確,可以繼續(xù)實驗。終止狀態(tài):的下一個階段。轉(zhuǎn)換函數(shù)如下:

根據(jù)真實的化學實驗,將實驗的操作整體的步驟進行分解,并錄入到平臺的知識庫中,給出操作步驟的診斷規(guī)則。

設(shè)化學實驗有N個實驗步驟,分別表示為N1,N2,N3,…Ni則在操作過程中給出如下診斷規(guī)則:

(1)如果實驗操作步驟N1正確,則進行下一個實驗操作步驟N2;如果不正確,則返回開始狀態(tài)。

(2)如果實驗操作步驟N2正確,則進行下一個實驗操作步驟N3;如果不正確,則返回上一步操作N1。

…

(i)如果實驗操作步驟Ni-1正確,則進行下一個實驗操作步驟Ni;如果不正確,則返回上一步操作Ni-2。

設(shè)符號集Σ=(x,YES,NO),x=｛x1,x2,x3,…xi｝其中x表示已給定規(guī)則的診斷順序,YES,NO分別表示診斷結(jié)果為繼續(xù)執(zhí)行和返回上一步。狀態(tài)集SS={s1,s2,s3,…sn},so表示開始狀態(tài),s1,s2,s3,…sn分別表示不同診斷步驟的結(jié)果狀態(tài),si*表示最終的結(jié)束狀態(tài)。表格表示和狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖分別如表3,圖5:

4.4 實驗完整操作的建模

設(shè)有限自動機字符集Σ=(y,x,q,YES,NO),其中y表示在虛擬實驗操作中,實驗藥品選擇的診斷規(guī)則,q表示實驗儀器選擇的診斷規(guī)則,x表示實驗固定操作的診斷規(guī)則,YES表示當前階段的操作執(zhí)行正確,可以繼續(xù)操作,NO表示當前階段的執(zhí)行操作不正確,不能繼續(xù)操作,需要返回到上一步重新操作。狀態(tài)集合SS={S0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,…Si},其中S0指虛擬實驗操作的開始狀態(tài),S1表示藥品選擇不正確,操作自動終止的停止狀態(tài)。S2表示虛擬實驗中,藥品選擇正確,繼續(xù)進行儀器選擇,S3表示器選擇操作不正確,不能繼續(xù)操作的停止狀態(tài),S4表示操作儀器選擇正確,可以繼續(xù)操作。S5表示虛擬實驗操作步驟中第一個固定操作不正確,不能繼續(xù)進行實驗,即實驗停止狀態(tài)。S6表示虛擬實驗操作中的第一個固定操作正確,可以繼續(xù)進行試驗,即第二個固定操作開始的狀態(tài),…,Si-1表示虛擬實驗操作過程中,第i-1個實驗固定操作出現(xiàn)錯誤,實驗不能正常進行,即實驗停止狀態(tài),Si表示實驗操作的最后一個固定操作正確,即整個實驗的操作完全結(jié)束,狀態(tài)停止,用Si*表示。用表格和狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖表示如表4,圖6:

4.5 實驗室制取二氧化碳實例

設(shè)有限自動機的字符集為Σ=(X,Y,Q,YES,NO)。其中X表示實驗藥品選擇的診斷規(guī)則,Y表示實驗儀器選擇的診斷規(guī)則,Q表示實驗操作步驟的診斷規(guī)則,YES表示診斷匹配正確,繼續(xù)進行實驗,NO表示診斷匹配不正確,不能繼續(xù)進行實驗并返回上一步操作步驟。狀態(tài)集合SS=[S0,S1,S2,S3,S4,S5,…S14],其中S0表示實驗開始,選擇實驗藥品的狀態(tài),S1表示經(jīng)過診斷規(guī)則X2的判定后,得到實驗停止的狀態(tài),S2表示經(jīng)過診斷規(guī)則X1判定后,繼續(xù)進行下一步驟的狀態(tài),S3表示經(jīng)過診斷規(guī)則Y2判定后,到實驗停止的狀態(tài),S4表示經(jīng)過診斷規(guī)則Y1判定后,繼續(xù)進行實驗下一步驟的狀態(tài),即實驗步驟開始操作狀態(tài),S5表示表示經(jīng)過診斷規(guī)則Q1判定后,到實驗停止的狀態(tài),S6表示經(jīng)過診斷規(guī)則Q1判斷,繼續(xù)進行實驗,即開始實驗操作步驟第二步,…依次類推,直到實驗操作步驟經(jīng)過Q5判定,操作過程全部匹配,實驗結(jié)束,用狀態(tài)S14*表示。表格表示和狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖表示如圖7所示:

5 結(jié)語

結(jié)合中學化學學科實驗特點,將中學化學虛擬實驗中的實驗藥品選取、實驗藥品儀器的選取、實驗操作步驟進行形式化描述,給出智能診斷規(guī)則,建立知識表示的自動機模型。可為以后解決實驗中學生操作的隨意性、反復性多帶來的實驗學列性和歸并性等問題的研究奠定基礎(chǔ)。

參考文獻

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