基于專家系統(tǒng)的CSCL系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高興培　陳亦兵

摘要：為了提高計(jì)算機(jī)支持的協(xié)作學(xué)習(xí)（CSCL）的智能化水平，文章提出了以知識點(diǎn)為單位的交互學(xué)習(xí)模式，并采用B/S程序架構(gòu)、基于模糊規(guī)則的推理策略、ASP與SQL Server 2000相結(jié)合的Web開發(fā)技術(shù)，建立了一個基于專家系統(tǒng)的CSCL系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：專家系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)支持的協(xié)作學(xué)習(xí)（CSCL）；知識庫；推理機(jī)

中圖分類號：TP182 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）12-0023-02

計(jì)算機(jī)支持的協(xié)作學(xué)習(xí)（Computer Supported Collaborative Learning，簡稱CSCL）是指利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來輔助和支持協(xié)作學(xué)習(xí)，它是近年來國際教育技術(shù)界一個充滿生機(jī)的新研究與實(shí)踐領(lǐng)域。專家系統(tǒng)（Expert System，簡稱ES）是一個智能計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，它能夠運(yùn)用專家的知識并模擬專家的思維活動，解決那些需要人類專家處理的復(fù)雜問題。將專家系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用于CSCL教學(xué)環(huán)境，可以匯集教育領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗(yàn)，模擬教育專家的教學(xué)思維過程，實(shí)現(xiàn)根據(jù)協(xié)作學(xué)習(xí)成員的狀況因人而異地施教，以達(dá)到最佳的教學(xué)效果。本文結(jié)合電大開放教育專科《數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)與應(yīng)用》課程對基于專家系統(tǒng)的CSCL系統(tǒng)進(jìn)行了探索和實(shí)踐。

1 CSCL交互過程設(shè)計(jì)

協(xié)作學(xué)習(xí)的應(yīng)用模式有多種，為便于與專家系統(tǒng)相結(jié)合，本文采用合作模式，同時設(shè)定CSCL交互學(xué)習(xí)以知識點(diǎn)為單位，學(xué)習(xí)內(nèi)容為《數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)與應(yīng)用》課程各章的主要知識點(diǎn)。每個知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)按以下步驟進(jìn)行：（1）由各協(xié)作學(xué)習(xí)小組長代表該小組隨機(jī)抽取一個討論題目；（2）進(jìn)入小組討論階段。當(dāng)全組達(dá)成統(tǒng)一意見后，由組長作討論總結(jié)并提交。若小組總結(jié)得到教師確認(rèn)，則小組討論結(jié)束；（3）小組討論結(jié)束后，進(jìn)入自我測試階段。該階段要求各協(xié)作成員接受系統(tǒng)一個測試題目的測試并能通過；（4）當(dāng)各成員都通過了系統(tǒng)測試，則進(jìn)入自我總結(jié)和評價階段；（5）總結(jié)與評價完成后，進(jìn)入綜合評價階段。該階段是由系統(tǒng)根據(jù)自評分、互評分、教師評分、綜合表現(xiàn)等參數(shù)對各協(xié)作成員進(jìn)行綜合評價并給出評價結(jié)論。

上述各階段的流程由開關(guān)變量控制，綜合評價完成后或者當(dāng)studytime=0時，該輪協(xié)作學(xué)習(xí)結(jié)束。教師（管理員）亦有權(quán)在任何時刻終止某知識點(diǎn)的協(xié)作學(xué)習(xí)。

2 基于專家系統(tǒng)的CSCL系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

本文采用基于Web的專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，它是集成傳統(tǒng)專家系統(tǒng)與Web數(shù)據(jù)交換的新型技術(shù)，在結(jié)構(gòu)上由瀏覽器、應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器三個層次所組成。

2.2 知識庫

為了匹配CSCL交互學(xué)習(xí)過程和便于學(xué)生網(wǎng)上自主學(xué)習(xí)，本系統(tǒng)的知識庫分設(shè)為課程資源、討論題、測試題和規(guī)則四個子庫，并且都存放于后臺數(shù)據(jù)庫SQL Server 2000中。

2.2.1 課程資源子庫。課程資源子庫是有關(guān)《數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)與應(yīng)用》課程的各種學(xué)習(xí)資源，包括文本、圖像、音頻、視頻、動畫等多種文件，對它們的描述使用關(guān)系數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)。

2.2.2 討論題子庫。討論題子庫是為協(xié)作學(xué)習(xí)小組進(jìn)行交互討論而設(shè)置的。每個討論題都包含一個“提示信息”字段，它是對本問題的簡單說明和解決思路指導(dǎo)。系統(tǒng)包含一個“智能助手”腳本程序，它的運(yùn)行不必經(jīng)過推理機(jī)，可即時對學(xué)員的某些行為作出反應(yīng)。學(xué)員在參與討論時，可點(diǎn)擊“智能助手”按鈕求助，此時系統(tǒng)將把提示信息字段的內(nèi)容返回給用戶。

2.2.3 測試題子庫。測試題子庫是為協(xié)作成員自我測試而設(shè)置，采用與討論題子庫相似的結(jié)構(gòu)形式?！爸悄苤帧背绦蚰軐W(xué)員的每次測試回答進(jìn)行自動判斷并給出相關(guān)的提示信息。

2.2.4 規(guī)則子庫。為了實(shí)現(xiàn)對CSCL交互過程各階段的跟蹤指導(dǎo)，系統(tǒng)規(guī)則采用分階段組織的形式，并歸納為條件、學(xué)習(xí)狀況判斷、學(xué)習(xí)指導(dǎo)、評價判斷、評價結(jié)論5個規(guī)則集。

條件規(guī)則集：該集存放了所有模糊產(chǎn)生式規(guī)則的前提。系統(tǒng)共設(shè)有“已用時間”、“討論現(xiàn)狀”等七個條件參數(shù)，各參數(shù)的值分別用NB、NS、ZO、PS、PB五個模糊子集表示。不同參數(shù)的模糊子集對應(yīng)的隸屬度函數(shù)不同，計(jì)算時使用的原始數(shù)據(jù)也不相同。本系統(tǒng)使用VBScript腳本程序?qū)崿F(xiàn)所有隸屬度函數(shù)的定義及其計(jì)算。

學(xué)習(xí)狀況判斷規(guī)則集：共有6種結(jié)構(gòu)形式，分別表示組員和組長的討論狀況判斷、測試狀況判斷和自我總結(jié)狀況判斷規(guī)則。

學(xué)習(xí)指導(dǎo)規(guī)則集：共有2種結(jié)構(gòu)形式，分別表示組員和組長的學(xué)習(xí)指導(dǎo)規(guī)則。

評價判斷規(guī)則集：共有2種結(jié)構(gòu)形式，分別表示組員和組長的評價判斷規(guī)則。

評價結(jié)論規(guī)則集：共有2種結(jié)構(gòu)形式，分別表示組員和組長的評價規(guī)則。

2.3 數(shù)據(jù)庫

系統(tǒng)綜合數(shù)據(jù)庫使用SQL Server 2000構(gòu)建，存儲各種初始數(shù)據(jù)、協(xié)作學(xué)習(xí)成員狀態(tài)數(shù)據(jù)、開關(guān)量數(shù)據(jù)以及推理過程中產(chǎn)生的中間結(jié)果、最終結(jié)果等信息。

2.4 推理機(jī)

推理機(jī)的任務(wù)是根據(jù)一系列條件規(guī)則及開關(guān)量的值，推導(dǎo)出對學(xué)員當(dāng)前學(xué)習(xí)最合適的指導(dǎo)策略或?qū)W(xué)員綜合評價的結(jié)論。推理主要由協(xié)作成員的行為觸發(fā)，學(xué)員每次登錄或者其狀態(tài)數(shù)據(jù)達(dá)到某些確定值時，系統(tǒng)都啟動一次新的推理過程。本系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的前向推理方法，每次推理由以下步驟組成：

（1）若由系統(tǒng)開關(guān)量得知學(xué)員已無法完成學(xué)習(xí)任務(wù)，則對該學(xué)員返回一個提示信息，并結(jié)束推理。否則，進(jìn)入下一步。

（2）激活規(guī)則庫中的條件集，根據(jù)學(xué)員當(dāng)前的狀態(tài)數(shù)據(jù)及隸屬度函數(shù)，計(jì)算各條件規(guī)則的隸屬度值，并保存計(jì)算結(jié)果及相關(guān)信息，然后進(jìn)入下一步。

（3）根據(jù)系統(tǒng)的開關(guān)量的值，確定激活何類判斷規(guī)則集，并轉(zhuǎn)下一步。

（4）從被激活的判斷規(guī)則集中搜索有效規(guī)則。從被激活規(guī)則集抽取一條規(guī)則，計(jì)算規(guī)則前提匹配程度并確定規(guī)則的可信度，若可信度超過系統(tǒng)設(shè)定的閥值即把當(dāng)前規(guī)則的相關(guān)信息存入數(shù)據(jù)庫中。繼續(xù)重復(fù)這個過程直至檢索完畢，然后進(jìn)入下一步。

（5）消除規(guī)則沖突，執(zhí)行獲勝規(guī)則。若生效的判斷規(guī)則有多條，則選出可信度最大的一條規(guī)則作為獲勝規(guī)則；若最大可信度的規(guī)則又不止一條，則從中選擇編號最小的規(guī)則為獲勝規(guī)則。然后根據(jù)獲勝規(guī)則中的狀態(tài)名（或結(jié)論名）在學(xué)習(xí)指導(dǎo)規(guī)則集（或評價結(jié)論規(guī)則集）中搜索相關(guān)規(guī)則，讀出指導(dǎo)內(nèi)容（或評價內(nèi)容）并返回給用戶。至此，推理結(jié)束。

2.5 解釋器

推理過程結(jié)束后，最終結(jié)果和中間結(jié)果都已寫入后臺數(shù)據(jù)庫，據(jù)此回溯推理過程，便可解釋這一次推理的

結(jié)果。

3 基于專家系統(tǒng)的CSCL系統(tǒng)開發(fā)與測試

服務(wù)器操作系統(tǒng)采用Windows 2000 Server，Web服務(wù)器采用IIS5.0，后臺數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)使用SQL Server 2000，數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)采用ADO方式，服務(wù)器開發(fā)環(huán)境使用ASP，網(wǎng)頁編輯器使用Dreamweaver 8。開發(fā)的系統(tǒng)實(shí)例由課程資源、小組討論、自我測試、總結(jié)與自評、聊天室、留言板、后臺管理等模塊組成。

2012年11月抽取了廣東茂名廣播電視大學(xué)2011級專科計(jì)算機(jī)信息管理專業(yè)15位學(xué)生，并按異質(zhì)分組原則形成3個學(xué)習(xí)小組，對系統(tǒng)進(jìn)行了知識點(diǎn)“數(shù)據(jù)模型”、“關(guān)系代數(shù)”、“函數(shù)依賴”的學(xué)習(xí)測試。測試表明：系統(tǒng)較好地模擬了CSCL輔導(dǎo)教師的角色，能針對學(xué)生在交互學(xué)習(xí)過程中所處的狀態(tài)提出有效的改進(jìn)措施，對學(xué)生的綜合評價客觀、合理、全面；學(xué)生在學(xué)習(xí)中都能及時得到系統(tǒng)的有益幫助，既提高了CSCL的教學(xué)效果，又有效地促進(jìn)了學(xué)生參與協(xié)作學(xué)習(xí)的積極性和主動性。

4 結(jié)語

本文提出的基于專家系統(tǒng)的CSCL系統(tǒng)是在線CSCL的新形式，它既提供了跨時空、跨地域的學(xué)習(xí)環(huán)境，又融合了人工智能、知識工程、ASP、數(shù)據(jù)庫等關(guān)鍵技術(shù)，通過靈活的知識庫、基于模糊規(guī)則的推理策略，成功模擬了人類教育專家的思維活動和教學(xué)行為。在CSCL的智能化、個性化建設(shè)中，專家系統(tǒng)與CSCL相結(jié)合的方式是一個值得深入探討的途徑。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬池珠，任劍鋒.現(xiàn)代教育技術(shù)前沿概論[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2009：263-288.

[2] 曹承志，王楠.智能技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004：205-253.

[3] 蔡自興，約翰·德爾金，龔濤.高級專家系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，2005：254-286.

[4] 周興華，周新華，張軍，劉輝.ASP+SQL Server數(shù)據(jù)庫開發(fā)與實(shí)例[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008：43-173.

作者簡介：高興培（1967—），男，廣東茂名人，茂名廣播電視大學(xué)講師，碩士，研究方向：人工智能、智能信息系統(tǒng)等。

（責(zé)任編輯：吳 濤）