基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的英語(yǔ)ICAI慕課系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

明道洋　孫宗芹

摘 要：英語(yǔ)CAI教學(xué)取得了很大進(jìn)展，但傳統(tǒng)英語(yǔ)CAI教學(xué)對(duì)學(xué)生個(gè)體差異關(guān)注不夠。本文提出了一種根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)效果自動(dòng)推送個(gè)性化教學(xué)內(nèi)容的ICAI慕課系統(tǒng)，分析了ICAI慕課系統(tǒng)的基本需求和整體結(jié)構(gòu)；采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，重點(diǎn)闡述了該算法的原理、訓(xùn)練步驟和啟發(fā)式規(guī)則；并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)與測(cè)試。結(jié)果顯示：該軟件能滿足設(shè)計(jì)需求且具有較好的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；ICAI；英語(yǔ)教學(xué)；Mooc

中圖分類號(hào)：TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：Although CAI （Computer-Aided Instruction） English teaching has made great progress，the traditional CAI English teaching focus less on students'individual differences.This paper introduces the ICAI MOOC teaching system，which can automatically push learning contents to students based on their learning performance.By using the BP neural network algorithm，the paper emphasizes the principle，the training steps and the heuristic rules of the algorithm.Furthermore，the ICAI MOOC teaching system has been developed and tested.The result shows that the software can meet the design requirements and has good stability.

Keywords：BP neural network；ICAI；English teaching；MOOC

1 引言（Introduction）

隨著計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（Computer Aided Instruction，簡(jiǎn)稱CAI）打破了高校傳統(tǒng)的英語(yǔ)教學(xué)模式。高校英語(yǔ)CAI教學(xué)目前取得了很大進(jìn)展，開設(shè)學(xué)校和課程資源日益增加，有效推動(dòng)了優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的共享，促進(jìn)了學(xué)生英語(yǔ)聽說讀寫譯等應(yīng)用能力的提高[1]。但傳統(tǒng)英語(yǔ)CAI教學(xué)存在的問題也逐漸顯現(xiàn)出來，例如，課程設(shè)計(jì)對(duì)學(xué)生個(gè)體差異關(guān)注不夠，在線教學(xué)缺少師生間的互動(dòng)交流，學(xué)習(xí)效果缺乏有效的監(jiān)督和考核等。目前，以學(xué)生為中心的教學(xué)理念逐漸深入人心，基于慕課教學(xué)的翻轉(zhuǎn)課堂和“線上+線下”的混合式教學(xué)模式，對(duì)傳統(tǒng)外語(yǔ)教學(xué)模式帶來了很大沖擊，設(shè)計(jì)一個(gè)能夠根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)效果智能滿足學(xué)生個(gè)性化需求的、通過人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)師生互動(dòng)交流的、便于管理者對(duì)教學(xué)進(jìn)程和效果進(jìn)行管理和評(píng)估的英語(yǔ)智能型計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（Intelligent Computer Aided Instruction，簡(jiǎn)稱ICAI）慕課平臺(tái)，是英語(yǔ)教學(xué)特別是大學(xué)英語(yǔ)公共課程教學(xué)亟待解決的問題[2]。本課題基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，采用SSH架構(gòu)，設(shè)計(jì)了一套英語(yǔ)ICAI慕課系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)（General design of the system）

2.1 系統(tǒng)需求分析

根據(jù)英語(yǔ)ICAI教學(xué)及管理的順序，對(duì)本系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程進(jìn)行分析，結(jié)果如圖1所示。該系統(tǒng)的用戶主要有學(xué)生、教師、管理者。每種用戶的功能需求如圖1所示。

（1）學(xué)生用戶需求

ICAI系統(tǒng)以學(xué)生需求為中心，因此該模塊功能設(shè)計(jì)需要充分考慮學(xué)習(xí)者的主體地位。課程設(shè)置和選課形式都要盡可能的多樣化，以使學(xué)習(xí)者可以根據(jù)自身的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行自主、個(gè)性化地訂制自己的課程；在學(xué)習(xí)時(shí)，對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題要能夠與教師、學(xué)習(xí)同伴互動(dòng)交流，從而提高學(xué)習(xí)的積極性和滿意度?？紤]以上需求，學(xué)生用戶的功能設(shè)計(jì)為：用戶注冊(cè)、課程選擇、上課考勤、協(xié)作交流、作業(yè)與測(cè)驗(yàn)等。

（2）教師用戶需求

教師可以在網(wǎng)站查詢課程設(shè)置信息，并能夠上傳、下載和刪除教學(xué)視頻課件，能夠查詢學(xué)習(xí)者的選課情況，且可根據(jù)選課人數(shù)的多少安排上課計(jì)劃；可以查詢學(xué)生上課的出勤情況，對(duì)于曠課的學(xué)生可通過發(fā)郵件的方式通知或警告；可以在互動(dòng)模塊對(duì)學(xué)生的問題進(jìn)行解答，參與學(xué)生的話題討論；能夠查詢學(xué)生的成績(jī)和對(duì)課堂的評(píng)價(jià)，根據(jù)成績(jī)與評(píng)價(jià)來對(duì)課件進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

（3）管理者用戶需求

管理用戶的職能包括教學(xué)管理和系統(tǒng)管理兩部分。其中教學(xué)管理是根據(jù)學(xué)期教學(xué)計(jì)劃，選擇或添加本學(xué)期任教的教師，經(jīng)主管領(lǐng)導(dǎo)對(duì)教學(xué)課件內(nèi)容審核后，確定本學(xué)期的教學(xué)安排，并上傳相關(guān)課件；系統(tǒng)管理包括：學(xué)生和教師信息管理、分配教師用戶的權(quán)限、上課信息更新、選課系統(tǒng)的開放、學(xué)生預(yù)約信息的統(tǒng)計(jì)、統(tǒng)計(jì)學(xué)時(shí)和課程評(píng)價(jià)等方面。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)采用SSH框架，分為用戶層、Web服務(wù)層和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器三層，如圖2所示。其主要作用是解耦問題，使每個(gè)結(jié)構(gòu)間的層次更加清晰，易于開發(fā)的同時(shí)使系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性[3]。用戶層學(xué)生、教師和管理者可以登錄系統(tǒng)，不同用戶具有不同的操作權(quán)限；網(wǎng)站上包括多個(gè)學(xué)習(xí)模塊，如聽力測(cè)試、詞匯學(xué)習(xí)等，能為學(xué)生提供導(dǎo)航和選擇，從而實(shí)現(xiàn)個(gè)性化學(xué)習(xí)；數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器層包含：知識(shí)庫(kù)、單詞庫(kù)、用戶信息庫(kù)和專家系統(tǒng)庫(kù)等。

2.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

外語(yǔ)教學(xué)系統(tǒng)數(shù)據(jù)量非常龐大，也很復(fù)雜，數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的描述、組織和儲(chǔ)存方式，都關(guān)系到系統(tǒng)的運(yùn)行效率。因此，在數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)時(shí)要事先對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，外語(yǔ)教學(xué)系統(tǒng)中用到的數(shù)據(jù)信息包括：用戶、課程、目錄、知識(shí)點(diǎn)、關(guān)鍵詞、發(fā)表主題、回復(fù)主題、推薦知識(shí)點(diǎn)、學(xué)習(xí)記錄等信息表，例如，表1為用戶信息表。在使用系統(tǒng)的過程中，用戶操作將產(chǎn)生大量的操作數(shù)據(jù)，為提高效率和保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢、修改、更新等操作都采用儲(chǔ)存過程的形式實(shí)現(xiàn)。這樣管理員可根據(jù)需要對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)過程進(jìn)行修改，且不會(huì)對(duì)源代碼有任何影響，加大了代碼的可移植性。

3 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的外語(yǔ)學(xué)習(xí)智能診斷（Intelligent diagnosis of foreign language learning based on BP neural network）

對(duì)于外語(yǔ)課程的學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)而言，傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法是采用固定權(quán)重法，即每項(xiàng)學(xué)習(xí)指標(biāo)都是固定的權(quán)重，這種方法具有簡(jiǎn)便易行的特點(diǎn)，但由于沒考慮到學(xué)生的個(gè)性化因素和每項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重設(shè)置未必合理，線性的評(píng)價(jià)體系在多數(shù)情況下不夠科學(xué)[4，5]。智能學(xué)習(xí)平臺(tái)的關(guān)鍵之處在于能夠準(zhǔn)確診斷出學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，有針對(duì)性地為學(xué)生選擇和推送適合的學(xué)習(xí)內(nèi)容[6，7]。將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入到外語(yǔ)學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)中，能達(dá)到輸出和輸入非線性映射的目的，找出每項(xiàng)指標(biāo)的合理權(quán)重，從而使評(píng)價(jià)更準(zhǔn)確[8，9]。

3.1 原理

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有三層及以上的單向傳播網(wǎng)絡(luò)，輸入和輸出具有高度非線性映射關(guān)系。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于診斷學(xué)習(xí)效果的步驟如圖3所示。在進(jìn)行學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)時(shí)，首先對(duì)學(xué)習(xí)效果的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，并將其作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入向量，用量化的學(xué)習(xí)效果作為輸出向量；再者，結(jié)合專家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，用足夠多的訓(xùn)練樣本，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)χ笜?biāo)權(quán)重的判斷進(jìn)行自適應(yīng)學(xué)習(xí)和調(diào)整，直到能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行知識(shí)表示；最后，將訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用到外語(yǔ)學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)中，根據(jù)采集到學(xué)生學(xué)習(xí)的各項(xiàng)指標(biāo)，對(duì)其學(xué)習(xí)效果進(jìn)行客觀、準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。

3.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

根據(jù)英語(yǔ)課程中所有知識(shí)點(diǎn)的難度和學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行梳理和劃分，為BP算法提供足夠多的訓(xùn)練樣本。同時(shí)，由專家對(duì)訓(xùn)練樣本進(jìn)行評(píng)價(jià)，當(dāng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果與專家評(píng)價(jià)之間的誤差達(dá)到給定精度，訓(xùn)練過程結(jié)束。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的具體步驟如下：

（1）選取樣本。在樣本庫(kù)中隨機(jī)抽取第j個(gè)輸入樣本x（j）=（x1（j），x2（j），…，xn（j）），相應(yīng)的期望輸出d（j）=（d1（j），d2（j），…，dn（j））。

（2）計(jì)算種群個(gè)體輸入、輸出值。包括有隱含層的輸入值hih（j）見式（1）、輸出值hoh（j）見式（2），還有輸出層的輸入值yih（j） 見式（3）、輸出值yoh（j） 見式（4）。

（3）誤差函數(shù)對(duì)輸出層神經(jīng)元的偏導(dǎo)數(shù)見式（5），和對(duì)隱含層神經(jīng)元的偏導(dǎo)數(shù)見式（6）。

（4）用和對(duì)連接權(quán)值who修正見式（7），對(duì)閥值γ修正見式（8）。

（5）用和對(duì)連接權(quán)值wih修正見式（9），對(duì)閥值θ修正見式（10）。

（6）計(jì)算全局誤差E，見式（11）

（7）根據(jù)E的結(jié)果來確定算法是否結(jié)束。若 E<ε或者學(xué)生對(duì)該內(nèi)容的學(xué)習(xí)次數(shù)超出最大設(shè)定次數(shù)，算法結(jié)束；否則，轉(zhuǎn)入步驟1隨機(jī)再選擇學(xué)習(xí)樣本。

3.3 智能診斷與啟發(fā)式學(xué)習(xí)

在學(xué)習(xí)者外語(yǔ)學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)體系中，和學(xué)習(xí)相關(guān)的信息可分為靜態(tài)信息和動(dòng)態(tài)信息兩類。靜態(tài)信息包括學(xué)生的個(gè)人基本信息，如姓名、專業(yè)、年級(jí)等；動(dòng)態(tài)信息主要是學(xué)習(xí)和測(cè)試過程中動(dòng)態(tài)變化的信息包括：課程進(jìn)度、所學(xué)課程難度、學(xué)習(xí)效率、答題準(zhǔn)確率、求助率等。采集上述信息作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層，用訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行診斷，根據(jù)輸出的診斷結(jié)果進(jìn)行個(gè)性化的啟發(fā)式教學(xué)。

啟發(fā)式教學(xué)的規(guī)則為：if<條件>then<動(dòng)作>。在本ICAI系統(tǒng)中，規(guī)則庫(kù)中的規(guī)則如下：

R001：IF（學(xué)習(xí)效果好）

THEN（進(jìn)入下一個(gè)知識(shí)點(diǎn)）

R002：IF（學(xué)習(xí)效果一般）

THEN（復(fù)習(xí)當(dāng)前知識(shí)點(diǎn)）

R003：IF（學(xué)習(xí)效果差）

THEN（返回上一知識(shí)點(diǎn)）

通過對(duì)英語(yǔ)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行分級(jí)，設(shè)定不同的診斷關(guān)卡，學(xué)生可以自我檢測(cè)掌握情況。系統(tǒng)利用上述算法，對(duì)學(xué)生的掌握水平進(jìn)行判斷。若達(dá)到過關(guān)要求，則進(jìn)入更高層次的學(xué)習(xí)；若達(dá)不到過關(guān)要求，則仍停留在原來水平學(xué)習(xí)，從而達(dá)到智能推送測(cè)試內(nèi)容。

4 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與測(cè)試（Implemention and test of the system）

4.1 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

相較于C/S架構(gòu)，B/S架構(gòu)具有簡(jiǎn)單易用、擴(kuò)展性好、發(fā)成本低、使用不受地點(diǎn)限制等優(yōu)點(diǎn)[10]。盡管本系統(tǒng)是用于英語(yǔ)實(shí)訓(xùn)教學(xué)，但隨著網(wǎng)絡(luò)課堂的逐漸推廣，不受地點(diǎn)限制的B/S架構(gòu)更適合本系統(tǒng)，故選擇B/S架構(gòu)。

系統(tǒng)開發(fā)硬件環(huán)境為：IntelCorei5-45903.3GHz CPU，4G RAM，1TB硬盤；軟件環(huán)境為：Windows 7操作系統(tǒng)，JavaEE開發(fā)語(yǔ)言，MyEclipse項(xiàng)目開發(fā)集成環(huán)境，Dreamweaver靜態(tài)頁(yè)面開發(fā)環(huán)境，MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)核心服務(wù)器，MySQL Tool Kit數(shù)據(jù)庫(kù)界面管理工具，Apache Tomcat服務(wù)器，Struts+Spring+Hibernate框架。根據(jù)前文的需求分析，對(duì)系統(tǒng)的登錄、互動(dòng)、作業(yè)及后臺(tái)管理等重要的功能模塊進(jìn)行了開發(fā)與實(shí)現(xiàn)。

4.2 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)后，選用WebCT壓力測(cè)試軟件，分別就系統(tǒng)的界面、易用性、兼容性、并發(fā)性等方面進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)能滿足設(shè)計(jì)要求和客戶需要。又經(jīng)大量學(xué)生試用測(cè)試，對(duì)其中發(fā)現(xiàn)的問題都逐一修正，系統(tǒng)整體穩(wěn)定性良好。

5 結(jié)論（Conclusion）

針對(duì)傳統(tǒng)英語(yǔ)CAI教學(xué)系統(tǒng)不能滿足學(xué)生的個(gè)性化需求的問題，開發(fā)能夠根據(jù)學(xué)生自身英語(yǔ)水平和對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，來確定學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容的ICAI慕課系統(tǒng)。分析了ICAI系統(tǒng)的需求和整體架構(gòu)；通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，設(shè)定有一些關(guān)卡，增加了學(xué)習(xí)的趣味性和針對(duì)性；并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)與實(shí)現(xiàn)；經(jīng)軟件測(cè)試和學(xué)生試用測(cè)試，結(jié)果表明該系統(tǒng)能滿足設(shè)計(jì)需求且具有較好的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] Di Yang.Effects of Network Technology Platform Interactive Mode on the Foreign Language Distance Education[A].Proceedings of 2012 2nd International Conference on Social Sciences and Society（ICSSS 2012 V7）， 2012.

[2] YihuXiao，CuiqiongPan.On Self-Identity of China's Junior Middle School Students in Their English Study in the Web-works Environment[A].Proceedings of 2012 2nd International Conference on Social Sciences and Society（ICSSS 2012 V7），2012.

[3] Zhang L，Zhang W X.Design and implementation of e-online tourism system based on the Hibernate framework.Electrical and Control Engineering （ICECE），2011International Conference on，2011.

[4] 傅莉.人工智能在教育中的應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2012，40（12）：63-65.

[5] 陳曉丹，陳桂蘭，王偉.智能教學(xué)系統(tǒng)中認(rèn)知學(xué)生模型的實(shí)現(xiàn)[J].信息技術(shù)，2010，（12）：18-21；25.

[6] 簡(jiǎn)靜芳.CAI中基于遺傳算法的智能組卷設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].沈陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，9（4）：346-348.

[7] 羅福強(qiáng)，熊永福.基于Web的多學(xué)習(xí)模式自主學(xué)習(xí)平臺(tái)研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2015，32（5）：193-195；205.

[8] 朱婭妮.基于智能優(yōu)化算法的教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)方法[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，34（6）：66-70.

[9] 張永恒，艾曉燕，劉紅霞.基于J2EE的上機(jī)實(shí)驗(yàn)CAI系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（15）129-132.

[10] 余翠蘭.基于ASP.NET的學(xué)生住宿管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].軟件，2014，35（4）：160-164.

作者簡(jiǎn)介：

明道洋（1979-），男，碩士，講師.研究領(lǐng)域：網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，開發(fā)及應(yīng)用.

孫宗芹（1968-），女，碩士，副教授.研究領(lǐng)域：英語(yǔ)教學(xué)，民族語(yǔ)言學(xué).