智能教學(xué)系統(tǒng)中基于情景的知識(shí)庫(kù)構(gòu)建

趙宏治，高鷹

（廣州大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與教育軟件學(xué)院，廣州 510006）

智能教學(xué)系統(tǒng)中基于情景的知識(shí)庫(kù)構(gòu)建

趙宏治，高鷹

（廣州大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與教育軟件學(xué)院，廣州 510006）

分析了智能教學(xué)系統(tǒng)(ITS）總體設(shè)計(jì)框架的基礎(chǔ)上，對(duì)ITS的知識(shí)庫(kù)模型設(shè)計(jì)部分進(jìn)行研究，通過(guò)在已有的知識(shí)庫(kù)模型中增加情景特征作為新變量，構(gòu)建基于情景的知識(shí)庫(kù)。該知識(shí)庫(kù)使用UML語(yǔ)法進(jìn)行有關(guān)表述和定義，并利用Java和SQL技術(shù)實(shí)現(xiàn)了模型的相關(guān)實(shí)例，從而為ITS提供更靈活合適的學(xué)習(xí)內(nèi)容，智能自適應(yīng)豐富多樣的學(xué)習(xí)環(huán)境，為學(xué)生提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)服務(wù)。

智能教學(xué)系統(tǒng);知識(shí)庫(kù);情景特征

0 引言

智能教學(xué)系統(tǒng)（Intelligent Tutoring System,ITS），作為人工智能科學(xué)和教育科學(xué)中重要的研究領(lǐng)域，其作用在于通過(guò)借助智能技術(shù)，在沒(méi)有人類(lèi)向?qū)е敢那闆r下幫助學(xué)生獲取知識(shí)和技能[1]。隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們?cè)趶?fù)雜的環(huán)境下進(jìn)行工作和學(xué)習(xí)，因此對(duì)ITS知識(shí)庫(kù)的工程化構(gòu)建變得異常困難。本文對(duì)ITS整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，著重對(duì)知識(shí)庫(kù)部分進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，提出一種基于情景的知識(shí)庫(kù)設(shè)計(jì)方法。使知識(shí)在展示過(guò)程中能夠?yàn)椴煌瑢W(xué)習(xí)環(huán)境的學(xué)生提供更具個(gè)性化學(xué)習(xí)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心的教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 智能教學(xué)系統(tǒng)

智能教學(xué)系統(tǒng)是基于如何有效組織不同教學(xué)過(guò)程和環(huán)節(jié)中的學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)對(duì)象以及學(xué)生特征等因素的基礎(chǔ)上建立而成[2]。其總體上輔助教師自動(dòng)規(guī)劃學(xué)習(xí)資源、設(shè)定學(xué)習(xí)目標(biāo)、實(shí)行學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)，又監(jiān)控學(xué)生的行為，進(jìn)而分析和評(píng)判該學(xué)生當(dāng)前的學(xué)習(xí)情況，然后使用個(gè)性化推薦技術(shù)呈現(xiàn)符合學(xué)生學(xué)習(xí)特征的內(nèi)容。ITS要求既能夠充分體現(xiàn)教師在學(xué)習(xí)活動(dòng)過(guò)程各環(huán)節(jié)中所起的導(dǎo)學(xué)作用，又能根據(jù)學(xué)生的個(gè)體特征差異，采取多樣的教學(xué)方法與策略進(jìn)行差異化教學(xué)，會(huì)一定程度體現(xiàn)個(gè)性化學(xué)習(xí)的特點(diǎn)。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)以往研究表明，ITS總體組成主要包括知識(shí)模型、教師模型、學(xué)生模型和人機(jī)接口四個(gè)部分[3]，而構(gòu)建系統(tǒng)核心部分的知識(shí)庫(kù)主要是使用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)等知識(shí)庫(kù)技術(shù)，并在構(gòu)建知識(shí)模型的基礎(chǔ)上，聯(lián)合系統(tǒng)的學(xué)生模型與教師模型，以此開(kāi)展整個(gè)教學(xué)活動(dòng)[4]。系統(tǒng)的整體運(yùn)作流程是學(xué)生初期通過(guò)人機(jī)接口輸入靜態(tài)信息（例如學(xué)習(xí)背景和需求），當(dāng)知識(shí)庫(kù)收集完靜態(tài)信息后首先推薦給學(xué)生基礎(chǔ)的章、節(jié)和知識(shí)點(diǎn)等學(xué)習(xí)內(nèi)容，接著在學(xué)習(xí)過(guò)程中對(duì)學(xué)生的動(dòng)態(tài)信息（例如學(xué)習(xí)記錄和評(píng)價(jià)）進(jìn)行收集，然后知識(shí)庫(kù)會(huì)使用特定算法來(lái)選取和組織合適的知識(shí)，再連續(xù)動(dòng)態(tài)地呈現(xiàn)給學(xué)生學(xué)習(xí)。教師在過(guò)程中使用教師接口進(jìn)行指引、建議與評(píng)估，及時(shí)把握學(xué)生的課程進(jìn)度和認(rèn)知水平，并給予學(xué)生最大限度的幫助與反饋，這樣就組成ITS的各個(gè)模塊和關(guān)系，如圖1所示。

圖1

1.2 知識(shí)模型

知識(shí)模型的核心是基于“知識(shí)的本質(zhì)”出發(fā)，在呈現(xiàn)知識(shí)的過(guò)程應(yīng)做到合理化和結(jié)構(gòu)化。知識(shí)模型包含知識(shí)的體系結(jié)構(gòu)、知識(shí)的處理、學(xué)習(xí)方法和策略，以及學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)對(duì)象和學(xué)習(xí)資源的相互映射。對(duì)于不同類(lèi)型的學(xué)習(xí)內(nèi)容，選取不同的知識(shí)的呈現(xiàn)方式會(huì)對(duì)學(xué)生如何獲取和處理知識(shí)都影響很大。知識(shí)在符號(hào)化和形式化過(guò)程中所有的表述和相互約定稱為“知識(shí)表示”,而ITS中“知識(shí)表示”是通過(guò)建立良好和結(jié)構(gòu)化的知識(shí)模型對(duì)相關(guān)知識(shí)敘述和重新組織，讓知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器所能接收的符號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，以此得到的個(gè)性化學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)可用于后續(xù)“知識(shí)推送”的過(guò)程[5]。這就使得知識(shí)的展示能夠明確為學(xué)生提供更優(yōu)質(zhì)的學(xué)習(xí)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)根據(jù)學(xué)生的多種屬性特點(diǎn)和行為傾向，采用對(duì)應(yīng)的知識(shí)展示策略。

2 知識(shí)庫(kù)設(shè)計(jì)

知識(shí)庫(kù)是知識(shí)模型的具體實(shí)現(xiàn)，本文主要是介紹如何設(shè)計(jì)具體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)到ITS的知識(shí)庫(kù)模塊中。其使用了跨平臺(tái)的Java語(yǔ)言、基于SQL語(yǔ)句的數(shù)據(jù)庫(kù)、面向?qū)ο蟮腢ML建模語(yǔ)言等技術(shù)為知識(shí)庫(kù)的學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)對(duì)象和學(xué)習(xí)資源等類(lèi)別建立映射，以此來(lái)構(gòu)建該系統(tǒng)。同時(shí)在以往知識(shí)庫(kù)模型基礎(chǔ)上，添加了具有情景的特征參數(shù)，使整個(gè)教學(xué)活動(dòng)的開(kāi)展過(guò)程中，知識(shí)表現(xiàn)能更符合學(xué)生的學(xué)習(xí)背景和需求。

2.1 知識(shí)庫(kù)模型

知識(shí)庫(kù)的基本概念是結(jié)合傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)（DB）技術(shù)和人工智能（AI）技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，以此構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)新的“知識(shí)表示”存儲(chǔ)系統(tǒng)[6]。知識(shí)庫(kù)通常將所有要表示的知識(shí)和概念進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，編制成為統(tǒng)一的機(jī)器符號(hào)，再使用知識(shí)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則來(lái)構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)。ITS的知識(shí)庫(kù)中往往存儲(chǔ)與學(xué)習(xí)相關(guān)的任務(wù)信息，例如對(duì)學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)對(duì)象和學(xué)習(xí)任務(wù)的具體描述。因此在構(gòu)建ITS的知識(shí)庫(kù)模型時(shí)，需要將教學(xué)過(guò)程中相關(guān)知識(shí)體系經(jīng)過(guò)科學(xué)的數(shù)據(jù)組織處理，才能給教學(xué)過(guò)程準(zhǔn)備充足的學(xué)習(xí)資料。ITS是以知識(shí)庫(kù)模型為核心，教師通過(guò)人機(jī)接口調(diào)整知識(shí)庫(kù)模型里的學(xué)習(xí)策略來(lái)影響教師模型，學(xué)生模型則與教師模型進(jìn)行互聯(lián)，實(shí)時(shí)接收學(xué)生的個(gè)人信息與學(xué)習(xí)信息，利用教師模型的智能算法跟蹤并評(píng)估學(xué)生知識(shí)掌握程度，當(dāng)知識(shí)庫(kù)模型收到反饋信息就會(huì)重新組織學(xué)習(xí)課程和選擇學(xué)習(xí)策略到達(dá)教師模型再推送給學(xué)生，以此構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的個(gè)性化學(xué)習(xí)流程[7，9]。

2.2 知識(shí)庫(kù)的情景特征

ITS在作業(yè)過(guò)程中主要是外部環(huán)境的操作對(duì)整個(gè)過(guò)程產(chǎn)生影響，而外部環(huán)境主要包括情景因數(shù)、學(xué)生、教師與管理員這三類(lèi)要素，其依次根據(jù)不同場(chǎng)合的特征來(lái)更新知識(shí)庫(kù)內(nèi)對(duì)應(yīng)的功能模塊。通過(guò)選取和匹配不同的外部特征，利用相關(guān)算法對(duì)知識(shí)庫(kù)的情景特征、學(xué)習(xí)目標(biāo)和教學(xué)策略進(jìn)行更新，讓知識(shí)庫(kù)呈現(xiàn)的知識(shí)能夠與學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程產(chǎn)生有效匹配。這里構(gòu)造情景特征主要用于描述學(xué)習(xí)資源具有的在線、離線、不同時(shí)間、天氣和地點(diǎn)（室內(nèi)、戶外）等外部因素，并對(duì)其學(xué)習(xí)資源的特征進(jìn)行分類(lèi)和補(bǔ)充，讓知識(shí)庫(kù)模型的運(yùn)算更能反映外部環(huán)境，使得除了學(xué)生和教學(xué)人員兩個(gè)因數(shù)外，情景因素也能對(duì)知識(shí)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新，達(dá)到因材施教和自適應(yīng)學(xué)習(xí)的目的，如圖2所示。

3 具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（知識(shí)庫(kù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)）

ITS的知識(shí)庫(kù)模型從學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)對(duì)象三個(gè)部分來(lái)設(shè)計(jì)，而具體設(shè)計(jì)使用Java+UML構(gòu)建技術(shù)。模型中描述了知識(shí)庫(kù)內(nèi)在的各種屬性映射實(shí)體，其中包括各類(lèi)的學(xué)習(xí)資源的地址描述，與學(xué)生模型和教師模型相匹配的學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)對(duì)象以及情景特征等，與教師模型相匹配的資源獲取途徑、教學(xué)活動(dòng)序列、知識(shí)的呈現(xiàn)策略等屬性，其具體描述如圖3所示。

圖2

圖3

3.1 設(shè)計(jì)說(shuō)明

（1）定義實(shí)例（Instance）

在UML建模工具中首先定義一個(gè)基礎(chǔ)類(lèi)，此后建立的所有類(lèi)均為此類(lèi)的子類(lèi)，如學(xué)習(xí)資源（Learning Resource）、學(xué)習(xí)目標(biāo)（Learning Target）、學(xué)習(xí)對(duì)象（Learning Object）這些子類(lèi)對(duì)象。

（2）創(chuàng)建子類(lèi)的對(duì)象屬性（Object Properties）

然后定義了類(lèi)的對(duì)象屬性學(xué)習(xí)資源（Learning Resource）、學(xué)習(xí)目標(biāo)（Learning Target）、學(xué)習(xí)對(duì)象（Learning Object）的一些屬性,與UML建模軟件中提供的Domain Model（領(lǐng)域模型）、Dependency（依賴關(guān)系）及Association（關(guān)聯(lián)關(guān)系）、Generalization（泛化關(guān)系）共同定義了知識(shí)模型中學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)對(duì)象和學(xué)習(xí)資源之間的關(guān)系，如學(xué)習(xí)目標(biāo)定義了目標(biāo)的描述和類(lèi)別，同時(shí)還定義屬性Target Parent（前置目標(biāo)）和屬性Target Child（后續(xù)目標(biāo)）等。

（3）創(chuàng)建類(lèi)的數(shù)據(jù)類(lèi)型屬性（Datatype Properties）

數(shù)據(jù)類(lèi)型屬性主要是描述當(dāng)前知識(shí)庫(kù)模型各對(duì)象的屬性，例如在UML建模中提供的Domain Datatype（領(lǐng)域數(shù)據(jù)類(lèi)型）中描述“對(duì)象屬性”、“數(shù)值類(lèi)型”和“可見(jiàn)范圍”等選項(xiàng)可用來(lái)描述知識(shí)庫(kù)的學(xué)習(xí)對(duì)象。例如情景特征（Instant）里的屬性（LearningBeginTime, LearningEndTime）是記錄學(xué)習(xí)某一學(xué)習(xí)對(duì)象的起始、結(jié)束時(shí)間，屬性LearningWeather記錄對(duì)該學(xué)習(xí)對(duì)象學(xué)習(xí)的天氣情況，屬性LearningLocation記錄學(xué)習(xí)對(duì)象所在的地點(diǎn):室內(nèi)（辦公室、教室）或者通勤路上等，通過(guò)這些屬性標(biāo)簽（Tag）是否影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。知識(shí)庫(kù)初始通過(guò)人工對(duì)Tag設(shè)定數(shù)值，然后記錄用戶的學(xué)習(xí)歷史，對(duì)用戶實(shí)際的學(xué)習(xí)情況與預(yù)設(shè)的數(shù)值多維度比較，用于判斷學(xué)生學(xué)習(xí)能力高低，同時(shí)教師可以在可視界面對(duì)情況進(jìn)行監(jiān)控，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的模糊預(yù)判和教師的評(píng)價(jià)和調(diào)控，給學(xué)生推薦的更匹配的學(xué)習(xí)對(duì)象。

（4）創(chuàng)建實(shí)體類(lèi)實(shí)例（Instance）

創(chuàng)建實(shí)體類(lèi)的實(shí)例是建立知識(shí)庫(kù)模型的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，主要是要完成創(chuàng)建實(shí)體類(lèi)對(duì)應(yīng)的實(shí)例和實(shí)例中對(duì)象屬性，對(duì)象屬性之間關(guān)聯(lián)性質(zhì)、數(shù)據(jù)類(lèi)型所描述的有效數(shù)值，創(chuàng)建實(shí)體類(lèi)實(shí)例的具體過(guò)程：例如學(xué)習(xí)資源的文字、圖片和影音的地址用String類(lèi)型來(lái)詳細(xì)描述以便能準(zhǔn)確調(diào)用。學(xué)習(xí)對(duì)象中的具體知識(shí)點(diǎn)要繼承抽象知識(shí)點(diǎn)Instant，并將知識(shí)點(diǎn)實(shí)例屬性值具體化，如知識(shí)點(diǎn)的詳細(xì)名稱和描述，這樣無(wú)論是教師和學(xué)生操作過(guò)程中都清晰明確。

3.2 具體實(shí)現(xiàn)

知識(shí)庫(kù)模型的具體實(shí)現(xiàn)主要采用Java+SQL語(yǔ)句組合的跨平臺(tái)代碼進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，將UML定義的數(shù)據(jù)和實(shí)例等有關(guān)變量實(shí)現(xiàn)，程序中的關(guān)鍵代碼如下:

4 結(jié)語(yǔ)

本文首先分析ITS的總體設(shè)計(jì)框架，然后使用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)等相關(guān)技術(shù)構(gòu)建了知識(shí)庫(kù)模型，在原有的模型中添加情景特征作為變量補(bǔ)充，同時(shí)使用UML語(yǔ)法對(duì)模型進(jìn)行相關(guān)描述和定義，利用Java和SQL技術(shù)對(duì)知識(shí)庫(kù)模型進(jìn)行具體實(shí)現(xiàn)，并展現(xiàn)了相關(guān)實(shí)例代碼。這樣靈活設(shè)計(jì)的知識(shí)模型具有一定可行性，具有一定的使用價(jià)值，可作為相關(guān)人員的研究參考，為實(shí)證研究帶來(lái)幫助。本文后續(xù)研究是建立一個(gè)具有分布式存儲(chǔ)的云計(jì)算平臺(tái)，使用大數(shù)據(jù)功能支持對(duì)知識(shí)庫(kù)情景特征和各類(lèi)實(shí)例屬性進(jìn)行高效更新，從而拓展智能教學(xué)系統(tǒng)的信息化和網(wǎng)絡(luò)化，更有效適應(yīng)現(xiàn)代信息化學(xué)習(xí)環(huán)境。

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Construction of Context-Based Knowledge Base of Intelligent Tutoring System

ZHAO Hong-zhi，GAO Ying

（School of Computer Science and Educational Software of Guangzhou University，Guangzhou 510006）

Based on the analysis of the intelligent tutoring system(ITS)and the overall design framework,studies the design of knowledge base model of ITS.By adding the context features in the original knowledge base model as a variable,builds the context-based knowledge base. Which uses UML grammar to describe and define,then uses Java and SQL to realize the relevant examples of the model.Thus,enables ITS to provide more flexible and suitable learning content,more intelligent and adaptive in the rich and diverse learning environment and provides more personalized learning services for the learners.

Intelligent Tutoring System;Knowledge Base;Context-Based

1007-1423（2017）01-0073-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.01.018

趙宏治（1988-），男，廣東廣州人，碩士研究生，在讀研究生，研究方向?yàn)槿斯ぶ悄艿慕逃龖?yīng)用

2016-11-01

2016-12-29

廣東省高等學(xué)校教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程建設(shè)項(xiàng)目（粵教高函[2015]133號(hào)）、廣州市教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題（No. 2013A006）、廣州大學(xué)本科教學(xué)質(zhì)量工程建設(shè)項(xiàng)目（ZLGC201419）

高鷹（1963-），男，江蘇吳江人，博士后，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槊ば盘?hào)處理、進(jìn)化計(jì)算等