高中生物實(shí)驗(yàn)助教系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)—以“葉綠素的提取”實(shí)驗(yàn)為例

廣東省江門(mén)市培英高級(jí)中學(xué) 陳小駒

1.引言

實(shí)驗(yàn)操作是高中生物課程的重要組成部分，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和知識(shí)運(yùn)用能力具有重要的作用。但在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生往往達(dá)不到預(yù)期教學(xué)目標(biāo)，運(yùn)用專家系統(tǒng)技術(shù)，開(kāi)發(fā)高中生物實(shí)驗(yàn)助教系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱“實(shí)驗(yàn)助教系統(tǒng)”），解決高中生物實(shí)驗(yàn)中存在的各種問(wèn)題具有現(xiàn)實(shí)的意義。

2.高中生物實(shí)驗(yàn)助教系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 設(shè)計(jì)思路

實(shí)驗(yàn)助教系統(tǒng)集成診斷和助教的功能，診斷部分包括一次診斷系統(tǒng)和二次診斷系統(tǒng)，其模型如下：

圖1 實(shí)驗(yàn)助教系統(tǒng)模型

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在專家系統(tǒng)外殼中的專家系統(tǒng)可以定義為：專家系統(tǒng)=知識(shí)庫(kù)+專家系統(tǒng)外殼（控制與推理+用戶接口），知識(shí)獲取機(jī)制，解釋機(jī)制，全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)等。

圖2 專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.高中生物實(shí)驗(yàn)助教系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)——以“葉綠素的提取”實(shí)驗(yàn)為例

3.1 開(kāi)發(fā)工具ESTA簡(jiǎn)介

ESTA是PDC推出的一款專家系統(tǒng)工具，它是基于Vissual prolog 開(kāi)發(fā)而來(lái)的專家系統(tǒng)外殼。ESTA開(kāi)發(fā)知識(shí)系統(tǒng)簡(jiǎn)易，效率高，可重復(fù)利用性高的特點(diǎn)。

3.2 ESTA知識(shí)庫(kù)的基本概念

知識(shí)庫(kù)是其構(gòu)建的專家系統(tǒng)的核心，存放著大量的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，在ESTA中，知識(shí)庫(kù)由節(jié)(Section)、參數(shù)(Parameter)等組成。

參量的語(yǔ)法如下：

3.3 實(shí)驗(yàn)助教系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)

3.3.1 知識(shí)庫(kù)中推理規(guī)則的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)包含的規(guī)則、知識(shí)補(bǔ)充及建議和參量如下：

(1)一次診斷規(guī)則：

1號(hào)規(guī)則：if 濾液黃綠色（不是透明深綠色） then 結(jié)論是濾液濃度太低

2號(hào)規(guī)則：if 濾液有雜質(zhì)或變質(zhì)then 結(jié)論是濾液不純

3號(hào)規(guī)則：if 濾液正常 then結(jié)論是其他問(wèn)題

4號(hào)規(guī)則：if 濾液濃度低且材料選用不當(dāng) then 選材問(wèn)題

5號(hào)規(guī)則：if 濾液濃度低且葉片問(wèn)題 then 葉片問(wèn)題

6號(hào)規(guī)則：if 濾液濃度低且研磨問(wèn)題a或研磨問(wèn)題b then 研磨問(wèn)題

7號(hào)規(guī)則：if 濾液濃度低且過(guò)濾問(wèn)題a和過(guò)濾問(wèn)題b then 過(guò)濾問(wèn)題

8號(hào)規(guī)則：if 濾液濃度低且提取液過(guò)多 then 提取液?jiǎn)栴}

9號(hào)規(guī)則：if 濾液不純且含水then 含水問(wèn)題

10號(hào)規(guī)則：if 濾液不純且添加劑問(wèn)題 then 添加劑問(wèn)題

11號(hào)規(guī)則：if 濾液不純且時(shí)間過(guò)長(zhǎng) then 時(shí)間問(wèn)題

12號(hào)規(guī)則：if 濾液不純且儲(chǔ)存條件 then 條件問(wèn)題

13號(hào)規(guī)則：if 其他問(wèn)題且濾線問(wèn)題a then 濾線問(wèn)題a

14號(hào)規(guī)則：if 其他問(wèn)題且濾線問(wèn)題b then 濾線問(wèn)題b

15號(hào)規(guī)則：if 其他問(wèn)題且層析液?jiǎn)栴}a then 層析液?jiǎn)栴}a

16號(hào)規(guī)則：if 其他問(wèn)題且層析液?jiǎn)栴}b then 層析液?jiǎn)栴}b

(2)二次診斷規(guī)則：

二次診斷系統(tǒng)的通用診斷規(guī)則如下，

If問(wèn)題且知識(shí)盲區(qū) then 知識(shí)補(bǔ)充和建議

例：

17號(hào)規(guī)則：If 選材問(wèn)題且知識(shí)盲區(qū)1，not知識(shí)盲區(qū)2 then 知識(shí)補(bǔ)充1，選材建議

18號(hào)規(guī)則：If 選材問(wèn)題且知識(shí)盲區(qū)2，not知識(shí)盲區(qū)1 then 知識(shí)補(bǔ)充2

選材建議

19號(hào)規(guī)則：If 選材問(wèn)題且知識(shí)盲區(qū)1，知識(shí)盲區(qū)2 then 知識(shí)補(bǔ)充1，知識(shí)補(bǔ)充2，選材建議

(3)建議及知識(shí)補(bǔ)充舉例

知識(shí)補(bǔ)充1：不同種類植物的葉片,其色素含量和色素種類也各不相同,恰當(dāng)?shù)倪x擇葉片是獲得高濃度葉綠體色素的保障。

知識(shí)補(bǔ)充2：實(shí)驗(yàn)證明,那些葉表蠟質(zhì)厚或輸導(dǎo)組織發(fā)達(dá)的葉片,難以研磨提取葉綠體色素,如楊樹(shù)葉、榆樹(shù)葉等。應(yīng)選擇那些顏色較深,葉綠體色素含量相對(duì)較高,又便于研磨提取的植物葉片。

建議：請(qǐng)重新選擇老嫩適中且濃綠的植物葉子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如用菠菜葉、小白菜葉、天竺葵葉等。

3.3.2 知識(shí)庫(kù)中邏輯參量的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)助教系統(tǒng)一共包含了55個(gè)參量，包括用于表示事實(shí)和中間結(jié)論，本文列舉了以下幾個(gè)參量（yepian,zm1,adv1），

代碼段一

3.3.3 知識(shí)庫(kù)中“節(jié)”的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)助教系統(tǒng)包括了52個(gè)節(jié)，用于推理的過(guò)程，start為咨詢的開(kāi)始節(jié)，通過(guò)各個(gè)節(jié)的求值和跳轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)推理。

4. 總結(jié)與展望

教育是一個(gè)國(guó)家興盛強(qiáng)大的重要推動(dòng)力，專家系統(tǒng)正在逐步應(yīng)用于教育領(lǐng)域中，發(fā)揮其重要的作用。相信在未來(lái)，專家系統(tǒng)將更廣泛地應(yīng)用于教育教學(xué)中，為教育事業(yè)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。