“Python程序設(shè)計(jì)”課程智能答疑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郝光兆 楊靜 吳迪 生龍

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)教育在程序設(shè)計(jì)語言教學(xué)中的問題，為提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)效率，突出學(xué)生的主體地位，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于自然語言處理技術(shù)的“Python程序設(shè)計(jì)”課程的智能答疑系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用Python語言和Mongodb數(shù)據(jù)庫開發(fā)，采用Django模塊實(shí)現(xiàn)前端可視化。系統(tǒng)一方面幫助學(xué)生自主查詢“Python程序設(shè)計(jì)”課程相關(guān)知識(shí)，自動(dòng)將準(zhǔn)確、簡單、高效的答案返回給學(xué)習(xí)者，另一方面還支持教師進(jìn)行輔助課程答疑。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)突破了傳統(tǒng)答疑方式在時(shí)間、空間等因素的限制，是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與教育領(lǐng)域深度融合背景下的教學(xué)成果。

關(guān)鍵詞：Python程序設(shè)計(jì)；智能答疑系統(tǒng)；自然語言處理

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

文章編號(hào)：1009-3044（2019）07-0086-03

Abstract： In view of the problems of traditional education in programming language ， and highlighting the role of students in education， an intelligent Question-answering Systemof Python programming course based on natural language processing technology is designed and implemented in order to improve students' independent learning efficiency and highlight their predominant status. The system was developed in Python and the database used Mongodb， the module of Django is used to realize visualization. The system not only supports students to query the knowledge of Python programming course independently， which can return accurate， simple and efficient answers， but also supports asynchronous Question-answering. The system is the achievement under the background of deep integration of Internet technology and education field.

Key words： Python programming language； Question Answering System； natural language processing

1 背景

近幾年，隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”的提出，我國不斷將互聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新成果與教育領(lǐng)域深度融合，推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步、提升互聯(lián)網(wǎng)在教育方面的創(chuàng)新力。而頗具聲勢(shì)的教育改革浪潮中，慕課（Massive Open Online Course， MOOC）和私播課（Small Private Online Courses， SPOC）等線上教育方式一時(shí)風(fēng)靡全國，打破了傳統(tǒng)教育模式，這種教學(xué)手法讓學(xué)生更容易與教師交流、溝通。然而，每個(gè)學(xué)生的新觀點(diǎn)、新思維、新問題層出不窮，為更充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，培

養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使之有較強(qiáng)的獨(dú)立性和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，突出學(xué)生的主體作用，采用答疑式教學(xué)，對(duì)課程來說，無疑是一條可取的新途徑[1-2]。

智能答疑系統(tǒng)（Question Answering System， QAS）又稱自動(dòng)問答系統(tǒng)，是新一代信息檢索系統(tǒng)[3]，它與慕課等線上教育不同，需要授課老師將教學(xué)知識(shí)、難題、易錯(cuò)題整理保存到知識(shí)庫，然后學(xué)生可以根據(jù)自己所需答疑問題通過自主查詢系統(tǒng)獲取問題答案。由于Python語言井噴式發(fā)展，學(xué)習(xí)者眾多，本校就高校開展的“Python程序設(shè)計(jì)”課程自主設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了智能答疑系統(tǒng)，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)能夠?yàn)閷W(xué)習(xí)者解惑答疑，解決其入門難窺門徑的現(xiàn)實(shí)問題，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)效率，助其夯實(shí)基礎(chǔ)，同時(shí)也能節(jié)省教學(xué)資源。

2 “Python程序設(shè)計(jì)”課程智能答疑系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的基本架構(gòu)可以分為用戶層、分析層、數(shù)據(jù)層三層。其中用戶層是用戶與系統(tǒng)交互的接口，負(fù)責(zé)用戶對(duì)問題的鍵入和系統(tǒng)檢索出的答案返回給用戶；分析層主要是對(duì)用戶鍵入的問題進(jìn)行處理，包括對(duì)問句分析進(jìn)行預(yù)處理，然后通過信息檢索計(jì)算相似度值確定最佳答案；數(shù)據(jù)層主要負(fù)責(zé)對(duì)本系統(tǒng)的停用詞庫、同義詞庫、Python知識(shí)問答對(duì)知識(shí)庫等的存儲(chǔ)。

“Python程序設(shè)計(jì)”課程智能答疑系統(tǒng)的基本流程如圖1所示，包括問句分析、信息檢索以及生成答案三個(gè)部分[4]。系統(tǒng)采用Python語言開發(fā)，利用不同自然語言處理技術(shù)分別對(duì)三大模塊進(jìn)行分析和處理。Python語言jieba庫是常用的分詞工具包，其準(zhǔn)確率已經(jīng)達(dá)到95%以上，用于對(duì)問句分析階段的分詞處理和詞性標(biāo)注；過濾停用詞是特征詞提取的重要流程之一，系統(tǒng)采用哈爾濱工業(yè)大學(xué)停用詞擴(kuò)展表將句子中助詞、語氣詞、標(biāo)點(diǎn)、虛詞等信息量較低的詞匯進(jìn)行過濾；句子是短語的承載者，句子的語義可由句子的特征詞來表達(dá)，本系統(tǒng)采用基于統(tǒng)計(jì)與語義信息相結(jié)合的算法實(shí)現(xiàn)特征詞的提取。信息檢索的功能主要是用預(yù)處理后的關(guān)鍵詞與知識(shí)庫進(jìn)行匹配檢索，在候選集中利用改進(jìn)的基于知網(wǎng)（Hownet）的語義相似度計(jì)算從知識(shí)庫中匹配問題答案[5]，相似度值大于閾值則直接輸出，否則轉(zhuǎn)入等待答疑模塊等待教師答疑。Mongodb數(shù)據(jù)庫是基于分布式文件存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫，支持的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)松散，適合作為本系統(tǒng)的基于問答對(duì)的知識(shí)庫存儲(chǔ)。用戶層的交互是基于Django的B/S模式，這種輕量級(jí)前端框架使得前后端交互更加輕便，自助式的后臺(tái)管理的優(yōu)點(diǎn)也讓教師端管理界面的搭建更便捷，便于將主要精力投入到其他研究和開發(fā)中。

2.2 系統(tǒng)主要功能

“Python程序設(shè)計(jì)”智能答疑系統(tǒng)主要面向高校Python程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)者，系統(tǒng)用戶角色包括學(xué)生和教師，其中學(xué)生主要功能包括登錄模塊、自主答疑模塊、我要答疑和我的問題模塊，教師端包括用戶管理管理模塊、等待答疑模塊以及知識(shí)庫更新模塊[6]。具體如圖2所示：

2.2.1 學(xué)生端

1）登錄模塊。根據(jù)賬號(hào)和密碼登錄系統(tǒng)，可用于登記學(xué)生登錄信息，準(zhǔn)確記錄學(xué)生檢索日志。該賬號(hào)和密碼是教師端已為授課學(xué)生注冊(cè)過的賬戶和密碼。

2）自主答疑模塊。本模塊是答疑系統(tǒng)的核心模塊，支持學(xué)生檢索鍵入的Python程序設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)自然語句，按照指定規(guī)則與知識(shí)庫進(jìn)行匹配，相似度值大于閾值0.8，直接將準(zhǔn)確、詳細(xì)、簡單的答案返回給用戶。否則，系統(tǒng)自動(dòng)提示問題返回失敗，詢問學(xué)生用戶是否將問題提交到“我要求助”模塊。

3）我要求助模塊。學(xué)生在本模塊中可將經(jīng)自主答疑模塊無法正確查詢答案，可提交保存到此模塊等待教師答疑。

4）我的問題模塊。本模塊供學(xué)生查看所提問的問題列表以及教師答疑問題的答案。

2.2.2 教師端

1）用戶管理模塊。開發(fā)人員指定唯一系統(tǒng)管理員賬號(hào)，系統(tǒng)管理員可分配同權(quán)限功能教師端賬號(hào)，但不可消除系統(tǒng)管理員，教師可為學(xué)生分配賬號(hào)密碼，也可以拒絕待申請(qǐng)賬號(hào)和刪除已有賬號(hào)。

2）等待答疑模塊。教師在等待答疑列表中可以查看學(xué)生在“我要求助”問題的列表，教師可以對(duì)問題列表中的問題進(jìn)行回答。本模塊有利于教師掌握學(xué)生對(duì)課程掌握薄弱之處，也利于補(bǔ)充知識(shí)庫的知識(shí)點(diǎn)。

3）知識(shí)庫更新模塊。教師在本端可將優(yōu)質(zhì)問答定期更新到知識(shí)庫，利于知識(shí)庫的補(bǔ)充和完善，使之能有效提高學(xué)生對(duì)知識(shí)檢索匹配結(jié)果，讓學(xué)生在答疑中效率更高，對(duì)教師的依賴性更少。

2.3 系統(tǒng)的知識(shí)庫建設(shè)

知識(shí)庫的全面是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)答疑功能的重要保障。選擇“百度知道”“百度百科”“知乎”等為知識(shí)來源，利用Scrapy組件編寫的網(wǎng)絡(luò)爬蟲進(jìn)行數(shù)據(jù)抓取[7-8]。共抓取到Python基礎(chǔ)知識(shí)、程序設(shè)計(jì)、常見問題、Bug調(diào)試信息等3萬余對(duì)，同時(shí)結(jié)合本校開設(shè)的“Python程序設(shè)計(jì)”課程的知識(shí)整理成問答對(duì)共1600余對(duì)一并存入知識(shí)庫。教師答疑問題功能利于動(dòng)態(tài)構(gòu)建知識(shí)庫，根據(jù)學(xué)生的我要答疑列表問題，可不斷更新問答對(duì)知識(shí)，以保證知識(shí)庫的充分與全面。具體的知識(shí)庫組建模型如圖3所示。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)評(píng)

本系統(tǒng)知識(shí)內(nèi)容主要涵蓋了“Python程序設(shè)計(jì)”課程概念類、編程常見問題類、Bug調(diào)試類等多類問題，能有效滿足學(xué)生對(duì)Python程序設(shè)計(jì)課程的自主答疑需求。系統(tǒng)答疑問題返回答案準(zhǔn)確性是本系統(tǒng)智能性的重要體現(xiàn)，本實(shí)驗(yàn)測(cè)試用例隨機(jī)從互聯(lián)網(wǎng)上抽取上述3類Python程序設(shè)計(jì)知識(shí)若干道，來測(cè)試答案返回準(zhǔn)確率。由于相似度匹配值小于閾值導(dǎo)致無返回結(jié)果按照返回答案錯(cuò)誤處理，當(dāng)出現(xiàn)有爭議答案時(shí)，采用少數(shù)服從多數(shù)的原則進(jìn)行評(píng)判。評(píng)判結(jié)果如柱狀圖所示，藍(lán)色柱狀圖代表該類實(shí)驗(yàn)用例問題總數(shù)，橙色柱狀圖代表該類 實(shí)驗(yàn)用例正確答案返回總數(shù)，綜合答疑答案返回正確率達(dá)到85%以上。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，概念類的實(shí)驗(yàn)結(jié)果較后兩者好，但正確答案返回問題總數(shù)正確率與理想狀態(tài)仍有差距。這是由于程序設(shè)計(jì)中編程類與Bug調(diào)試類問題靈活性高，知識(shí)庫的存儲(chǔ)不夠全面，導(dǎo)致后者較前面準(zhǔn)確率差。中文分詞等自然語言處理技術(shù)對(duì)系統(tǒng)準(zhǔn)確率也有一定影響。但系統(tǒng)功能目前還在不斷完善，教師對(duì)學(xué)生“我要求助”的問題作答后可不斷更新知識(shí)庫，可以在一定程度上提高系統(tǒng)答疑準(zhǔn)確率。同時(shí)本系統(tǒng)的研究應(yīng)用不僅僅局限于“Python程序設(shè)計(jì)”課程的答疑，我校對(duì)其他課程的知識(shí)庫也在采集研究開發(fā)中。

4 結(jié)束語

“Python程序設(shè)計(jì)”課程智能答疑系統(tǒng)是以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)設(shè)施的在教育領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展新成果，不僅能高效答疑Python程序設(shè)計(jì)知識(shí)問題，還能充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性去發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，潛移默化地將答疑式學(xué)習(xí)方式融入學(xué)生思想當(dāng)中，這也利于其他學(xué)科的學(xué)習(xí)。同時(shí)基于數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的答疑平臺(tái)突破了教學(xué)時(shí)空和設(shè)備的限制，也能避免教師重復(fù)勞動(dòng)，有效減輕教師工作壓力。此外，系統(tǒng)的可延展性豐富，在將來的工作中，會(huì)不斷對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更新和維護(hù)，讓系統(tǒng)精度更高，涉及課程數(shù)目更廣，努力讓系統(tǒng)在高校中發(fā)揮更大的作用。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】