智能電子教科書系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理與實(shí)現(xiàn)

帥皓天 楊靜

摘 ?要： 傳統(tǒng)的教科書致力于系統(tǒng)地向?qū)W習(xí)者傳授專業(yè)知識(shí)，而大部分教科書通常以印刷或電子版等純文本的方式整書出版，數(shù)據(jù)難以被計(jì)算機(jī)理解并有效利用。以數(shù)學(xué)學(xué)科中的線性代數(shù)為例，展示了一種基于知識(shí)管理和多用戶管理的開(kāi)放型智能電子教科書系統(tǒng)。該系統(tǒng)以細(xì)粒度數(shù)據(jù)管理為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)圖數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)知識(shí)數(shù)據(jù)及其相互關(guān)系，并基于混合軟件架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了編輯和瀏覽細(xì)粒度教科書內(nèi)容與知識(shí)結(jié)構(gòu)的交互功能。

關(guān)鍵詞： 圖數(shù)據(jù)庫(kù);教科書;信息化;混合應(yīng)用;知識(shí)管理

中圖分類號(hào)： TP391.41 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.06.009

本文著錄格式：帥皓天，楊靜. 智能電子教科書系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理與實(shí)現(xiàn)[J]. 軟件，2020，41（06）：3946

【Abstract】： Traditional textbooks are used for systematically disseminating professional knowledge to learners. Most of them are published in print or digit edition， which makes it difficult for computer to interprete and apply the knowledge effectively. In this paper， we present an open intelligent textbook system in linear algebra based on knowledge management and multi-user management. With knowledge data with their relation fine-grained and stored in graph database， a software using the hybrid architecture is designed and built for browsing and editing knowledge interactively.

【Key words】： Graph database; Textbook; Informationize; Hybrid application; Knowledge management

0 ?引言

在現(xiàn)行的教育模式中，教科書的主要功能是系統(tǒng)地向?qū)W習(xí)者傳授專業(yè)知識(shí)，在知識(shí)傳播過(guò)程中扮演著重要角色。而大部分教科書通常以純文本的方式整書出版，它們?cè)跀?shù)據(jù)庫(kù)里的存儲(chǔ)和檢索方式大多基于元數(shù)據(jù)（如標(biāo)題、作者、出版社和關(guān)鍵字等），這樣的數(shù)據(jù)組織、存儲(chǔ)和檢索的方式難以被計(jì)算機(jī)理解和利用。如何解決傳統(tǒng)的純文本存儲(chǔ)方式中難以高效地對(duì)知識(shí)進(jìn)行概括或抽象描述的問(wèn)題，有效地存儲(chǔ)和使用知識(shí)點(diǎn)一直是知識(shí)表示和知識(shí)管理研究中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

伴隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，大量電子教材隨之出現(xiàn)，電子教材的優(yōu)缺點(diǎn)以及它能否取代傳統(tǒng)教材一直是討論的熱點(diǎn)[1，2]。目前常見(jiàn)的電子教材大多是靜態(tài)文檔，僅是在文檔電子化的基礎(chǔ)上提供文檔的瀏覽功能。智能的電子教科書系統(tǒng)應(yīng)該是能夠自動(dòng)根據(jù)用戶需求動(dòng)態(tài)調(diào)整并生成所需文檔，可以在細(xì)粒度的知識(shí)數(shù)據(jù)管理上重建知識(shí)間的關(guān)系，并通過(guò)科學(xué)計(jì)算軟件實(shí)現(xiàn)知識(shí)的自動(dòng)推理和自動(dòng)計(jì)算。在電子教科書領(lǐng)域，王東明課題組開(kāi)發(fā)的幾何電子教科書吸取了動(dòng)態(tài)軟件的理念，專門為交互式處理幾何知識(shí)點(diǎn)編寫了一套用于幾何知識(shí)推理、圖表可視化、多版本教科書生成和一致性檢測(cè)的軟件工具[3，4]。這套幾何電子教科書系統(tǒng)描繪了一個(gè)具有沖擊性的、讓人耳目一新的智能教科書范本——具備眾包化、可視化、適宜型、交互型和智能型等特征的電子教科書[5]。在信息記錄方面，交互式的數(shù)學(xué)電子文檔MathDox實(shí)現(xiàn)了同時(shí)記錄書本內(nèi)容信息和用戶個(gè)人信息的功能[6]。此外還有通過(guò)加入知識(shí)表達(dá)和問(wèn)題解答系統(tǒng)的電子教科書——Inquire Biology[7]，它是專門為了回答用戶問(wèn)題而設(shè)計(jì)的。智能教輔系統(tǒng)在近幾年也得到大力的研究和發(fā)展，這類系統(tǒng)可以給學(xué)生提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)方式和及時(shí)的數(shù)據(jù)反饋，同時(shí)綜合領(lǐng)域知識(shí)、問(wèn)題求解方法、教學(xué)方法、學(xué)生資質(zhì)和個(gè)人信息進(jìn)行交互測(cè)驗(yàn)[8]。

近幾年隨著移動(dòng)設(shè)備的大量普及和互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，網(wǎng)頁(yè)應(yīng)用由于其學(xué)習(xí)成本低、不依賴平臺(tái)的特性得到了高速發(fā)展[9]。但隨著移動(dòng)設(shè)備的激增和移動(dòng)平臺(tái)的碎片化，應(yīng)用開(kāi)發(fā)的方式急需一種更加高效統(tǒng)一的框架，混合應(yīng)用便是為解決這樣的問(wèn)題而提出的一種新框架[10]，這種應(yīng)用框架在某些方面的表現(xiàn)要優(yōu)于傳統(tǒng)應(yīng)用框架[11]。

在前人研究的基礎(chǔ)上，我們啟動(dòng)了一個(gè)名為L(zhǎng)aText（Linear Algebra Textbook system）的項(xiàng)目，旨在結(jié)合計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域中新興的混合應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計(jì)一套基于知識(shí)管理和知識(shí)存儲(chǔ)的智能電子教科書軟件。該系統(tǒng)在細(xì)粒度知識(shí)數(shù)據(jù)管理上能根據(jù)用戶需求自動(dòng)生成書本內(nèi)容。本文主要研究知識(shí)體系的語(yǔ)義表示、知識(shí)在圖數(shù)據(jù)庫(kù)中的存儲(chǔ)方式以及實(shí)驗(yàn)性軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)等問(wèn)題。

1 ?知識(shí)數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)

1.1 ?知識(shí)描述方法

知識(shí)的內(nèi)容豐富、形式多樣且關(guān)系復(fù)雜。傳統(tǒng)的電子教科書僅是存儲(chǔ)了沒(méi)有語(yǔ)義信息的電子化書本內(nèi)容，這對(duì)于計(jì)算機(jī)理解和利用知識(shí)數(shù)據(jù)是不利的。因此智能電子教科書系統(tǒng)需要一種高效、統(tǒng)一的知識(shí)數(shù)據(jù)模型來(lái)管理和存儲(chǔ)知識(shí)數(shù)據(jù)。這樣的管理方式使得數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)學(xué)知識(shí)模型數(shù)據(jù)可以滿足未來(lái)研究的需求，也便于知識(shí)的融匯聚合、自由擴(kuò)展和按需索取。

語(yǔ)義對(duì)于數(shù)學(xué)知識(shí)的存儲(chǔ)、管理和理解非常重要。為了能夠準(zhǔn)確地刻畫數(shù)學(xué)知識(shí)的內(nèi)在關(guān)系、嚴(yán)格地描述數(shù)學(xué)知識(shí)對(duì)象的結(jié)構(gòu)，我們使用本體語(yǔ)言的概念來(lái)設(shè)計(jì)這套知識(shí)數(shù)據(jù)的概念模型。在計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能領(lǐng)域，本體語(yǔ)言（ontology language，又稱本體論語(yǔ)言）是指用于構(gòu)建本體的形式語(yǔ)言。此類語(yǔ)言能夠?qū)τ嘘P(guān)特定領(lǐng)域的知識(shí)進(jìn)行編碼，且常包括處理這些知識(shí)之間關(guān)系的推理規(guī)則。本體語(yǔ)言通常為描述性語(yǔ)言（又稱表述型語(yǔ)言或說(shuō)明性語(yǔ)言），大多屬于框架語(yǔ)言的泛化形式，且一般都基于一階邏輯或描述邏輯[12，13]。

本體語(yǔ)言是對(duì)特定領(lǐng)域中某套概念及相互關(guān)系的形式化表達(dá)，其概念依賴于特定領(lǐng)域，多用于描述由對(duì)象、屬性及其關(guān)系所構(gòu)成的一套模型，如語(yǔ)義網(wǎng)、生物醫(yī)學(xué)信息等。就現(xiàn)有的本體語(yǔ)言而言，其具體結(jié)構(gòu)具有很大的相似性，大多數(shù)本體語(yǔ)言都包含類、個(gè)體、屬性、關(guān)系等要素，有些還包括約束、規(guī)則、公理等。類是對(duì)象或事物的種類，個(gè)體是類的一個(gè)實(shí)例，屬性是類或個(gè)體可能具有的特性等，關(guān)系是類或個(gè)體之間可能具有的聯(lián)系方式。

1.2 ?類設(shè)計(jì)

我們從語(yǔ)義層面、表現(xiàn)層面、標(biāo)注層面三個(gè)維度設(shè)計(jì)了領(lǐng)域知識(shí)的結(jié)構(gòu)。目前知識(shí)數(shù)據(jù)的概念模式包括三大類：知識(shí)（Knowledge）、資源（Resource）、元數(shù)據(jù)（Metadata）。所有概念模型在數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)中皆是使用英語(yǔ)來(lái)標(biāo)識(shí)，且每一個(gè)類包含了描述該類所需的屬性。類以及其包含子類如圖1所示，包含屬性示例如圖2所示。

知識(shí)（Knowledge）類是用于刻畫知識(shí)內(nèi)涵的基本單位，稱為知識(shí)對(duì)象（或知識(shí)節(jié)點(diǎn)）。每個(gè)本體概念除了特有的屬性外都有一個(gè)唯一標(biāo)識(shí)用的ID屬性，同一種本體概念的ID互不相同，但多個(gè)不同的本體概念可以使用相同的ID。這樣的設(shè)計(jì)可以在精確編號(hào)數(shù)據(jù)的同時(shí)簡(jiǎn)化ID的命名，也有利于人工檢查、維護(hù)和理解。如圖2所示行列式的概念數(shù)據(jù)和名稱數(shù)據(jù)使用了同一個(gè)名為determinant的id。

資源（Resource）類是可刻畫知識(shí)點(diǎn)的表現(xiàn)形式，描述了知識(shí)點(diǎn)除語(yǔ)義外的具體內(nèi)容是使用什么類型的資源進(jìn)行表示。元數(shù)據(jù)（Meta）類，刻畫知識(shí)對(duì)象和資源在界面中顯示的標(biāo)簽，用于多語(yǔ)言顯示，系統(tǒng)使用的標(biāo)簽，每一個(gè)都設(shè)為一個(gè)對(duì)象，系統(tǒng)加載是自動(dòng)選擇配置文件。如圖2行列式這個(gè)概念有定義，定義具體的內(nèi)容是id為determinant的文本資源類;行列式這個(gè)概念有名字，名字的具體內(nèi)容是id為determinant的名稱元數(shù)據(jù)類。

1.3 ?知識(shí)關(guān)系設(shè)計(jì)

除了類和屬性外，完整的知識(shí)數(shù)據(jù)模型還應(yīng)包含類之間的關(guān)系。為了充分記錄知識(shí)類之間的關(guān)系，在領(lǐng)域知識(shí)的結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)了知識(shí)與知識(shí)之間的關(guān)系、知識(shí)與資源之間的關(guān)系和知識(shí)與元數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。其常見(jiàn)關(guān)系如圖3所示。

2 ?服務(wù)器設(shè)計(jì)

2.1 ?知識(shí)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

在智能電子教科書項(xiàng)目中，首先將課本文本知識(shí)按照知識(shí)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)模型進(jìn)行拆解，然后按照知識(shí)的類型和關(guān)系將其存入數(shù)據(jù)庫(kù)，以便后續(xù)進(jìn)行管理和調(diào)用。項(xiàng)目初期按照知識(shí)語(yǔ)義拆分的工作需要人工完成，后期可以借助人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行拆分。

數(shù)據(jù)庫(kù)一般分為關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)。傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)在存儲(chǔ)和查找表型數(shù)據(jù)方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，但是用在本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)知識(shí)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)中卻不太合適。這是因?yàn)殛P(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)需要使用額外的表來(lái)存儲(chǔ)每一條數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，這樣的存儲(chǔ)方式不夠直觀且不便管理。相比于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)種類繁多，其中有一類數(shù)據(jù)庫(kù)稱為圖數(shù)據(jù)庫(kù)。在圖數(shù)據(jù)庫(kù)中，數(shù)據(jù)不是按照表的方式而是按照?qǐng)D的方式存儲(chǔ)的。圖的存儲(chǔ)方式中包含節(jié)點(diǎn)和邊，正好對(duì)應(yīng)知識(shí)模型中的類和關(guān)系。使用這類數(shù)據(jù)庫(kù)不需要為固化知識(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行額外的模型設(shè)計(jì)或改動(dòng)，也為大量基于關(guān)系進(jìn)行查詢的事務(wù)提供了效率保障。

本文選用較為知名的開(kāi)源項(xiàng)目Neo4j[14]作為智能電子教科書的圖數(shù)據(jù)庫(kù)。Neo4j作為開(kāi)源軟件擁有龐大的社區(qū)，便于資料查閱和后期維護(hù)，也能保證項(xiàng)目的質(zhì)量和長(zhǎng)期運(yùn)作。作為高性能的圖數(shù)據(jù)庫(kù)，Neo4j的底層數(shù)據(jù)存儲(chǔ)通過(guò)圖而不是一般的數(shù)據(jù)庫(kù)表來(lái)實(shí)現(xiàn)，這為基于大量關(guān)系型的查找提供了性能保障?；贘ava的Neo4j可以跨平臺(tái)運(yùn)行在不同的服務(wù)器平臺(tái)，甚至是樹(shù)莓派這樣的嵌入式平臺(tái)，這也會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)性研究提供極大的幫助。Neo4j不僅包括了一般數(shù)據(jù)庫(kù)的特性，同時(shí)也是一個(gè)小型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，具備了如安全驗(yàn)證、用戶登錄、web交互管理界面等企業(yè)級(jí)的特性，為電子教科書系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了極大的便利。

2.2 ?文檔生成模塊設(shè)計(jì)

智能電子教科書的最終目標(biāo)是能夠根據(jù)用戶需求自動(dòng)生成個(gè)性化的書本內(nèi)容。例如，在學(xué)生通過(guò)智能電子教科書學(xué)習(xí)線性代數(shù)時(shí)，則其中的內(nèi)容可以根據(jù)學(xué)生的能力自動(dòng)做出適當(dāng)調(diào)整。學(xué)習(xí)能力強(qiáng)、表現(xiàn)不錯(cuò)的學(xué)生在書本內(nèi)容上就可以上展示更多的擴(kuò)展內(nèi)容，習(xí)題上也可以挑選難度較高的題目;成績(jī)一般的學(xué)生在書本內(nèi)容上就可以按照夠用原則適當(dāng)取舍，習(xí)題挑選簡(jiǎn)單和中等難度的題目，這樣既可以滿足練習(xí)需求也可以培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣;接受能力偏弱的學(xué)生，在題目上可以多選取簡(jiǎn)單的題目，在保證學(xué)習(xí)知識(shí)的前提下不打擊學(xué)習(xí)興趣。

在目前的軟件實(shí)現(xiàn)中先考慮如何利用知識(shí)模型自動(dòng)生成文檔。在知識(shí)模型的設(shè)計(jì)中，除了一般的知識(shí)類之外，還有如Aggregation這樣的章節(jié)信息類。在現(xiàn)階段的知識(shí)點(diǎn)錄入中，知識(shí)數(shù)據(jù)是基于現(xiàn)有的紙質(zhì)線性代數(shù)教科書進(jìn)行人工語(yǔ)義解構(gòu)得到的，章節(jié)信息類也一同參考原書進(jìn)行錄入。在解構(gòu)原書章節(jié)及文檔內(nèi)容時(shí)，發(fā)現(xiàn)章節(jié)、文檔結(jié)構(gòu)的信息類相互之間表現(xiàn)為樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，遂以節(jié)點(diǎn)樹(shù)記錄原書的章節(jié)和文檔結(jié)構(gòu)，且該結(jié)構(gòu)也有利于已有知識(shí)節(jié)點(diǎn)的快速重復(fù)利用。

為了保存用于生成文檔的知識(shí)節(jié)點(diǎn)樹(shù)以便多次使用，在智能電子教科書中使用JSON文件記錄知識(shí)節(jié)點(diǎn)樹(shù)，將每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)以樹(shù)的層級(jí)方式進(jìn)行存儲(chǔ)。圖4展示了具有層級(jí)關(guān)系的知識(shí)節(jié)點(diǎn)在線性代數(shù)第一章的結(jié)構(gòu)。圖5展示了章節(jié)點(diǎn)的實(shí)際構(gòu)成節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)皆是知識(shí)模型數(shù)據(jù)。

2.3 ?服務(wù)器架構(gòu)設(shè)計(jì)

服務(wù)器的操作系統(tǒng)選用Linux的一個(gè)發(fā)行版本Debian。該操作系統(tǒng)具有良好的軟件支持，易于部署和更新維護(hù)，且兼容項(xiàng)目中所需的運(yùn)行庫(kù)。服務(wù)器代碼運(yùn)行在Node.js平臺(tái)上.Node.js是一個(gè)基于Chrome V8引擎的JavaScript運(yùn)行環(huán)境。由于使用了事件驅(qū)動(dòng)、非阻塞式I/O的模型，它具備輕量又高效的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)擁有十分活躍的社區(qū)[15]。本小節(jié)討論智能電子教科書服務(wù)器框架的選用，功能模塊的設(shè)計(jì)，服務(wù)器多用戶控制和日志系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

服務(wù)器通過(guò)面向?qū)ο蟮木幊谭绞綄⑺枰墓δ芊庋b成模塊，在服務(wù)器主程序中調(diào)用?？蛻舳苏{(diào)用服務(wù)器是基于Express框架實(shí)現(xiàn)的RESTful風(fēng)格API?；诖孙L(fēng)格設(shè)計(jì)的軟件更為簡(jiǎn)潔、富有層次，易于實(shí)現(xiàn)緩存等機(jī)制，且有利于服務(wù)器和客戶端相互脫耦，便于進(jìn)行長(zhǎng)期維護(hù)[21]。該項(xiàng)目的RESTful API結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示。

服務(wù)器的用戶登錄、會(huì)話保持與權(quán)限控制通過(guò)JSON Web Tokens（JWT）實(shí)現(xiàn)。JWT是一種用于安全表示雙方請(qǐng)求的開(kāi)源工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（RFC7519）[16]。服務(wù)器通過(guò)對(duì)npm[17]（Node.js包管理器）中的JWT官方庫(kù)[18]進(jìn)行適當(dāng)封裝，并配合Express路由進(jìn)行操作權(quán)限的認(rèn)證和過(guò)濾。用戶數(shù)據(jù)在服務(wù)器中通過(guò)MongoDB進(jìn)行存儲(chǔ)。在服務(wù)器平臺(tái)部署MongoDB的服務(wù)端后，智能電子教科書服務(wù)器通過(guò)封裝MongoDB在npm上的官方庫(kù)對(duì)此服務(wù)端進(jìn)行連接調(diào)用。

用戶權(quán)限管理是服務(wù)器安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障，它可以保證數(shù)據(jù)的安全和滿足特殊的訪問(wèn)需求。在智能電子教科書系統(tǒng)中，最重要的數(shù)據(jù)是Neo4j圖數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的知識(shí)模型數(shù)據(jù)，而涉及的數(shù)據(jù)操作權(quán)限可概括為數(shù)據(jù)庫(kù)的讀權(quán)限與寫權(quán)限。此外，由于知識(shí)模型數(shù)據(jù)在閱讀者使用時(shí)會(huì)由服務(wù)器自動(dòng)合成為所需文檔緩存在服務(wù)器中。為了保證文檔緩存在一定時(shí)期內(nèi)具有一致性，所以還需為文檔緩存的數(shù)據(jù)操作提供讀取和刷新的權(quán)限。每種權(quán)限設(shè)計(jì)時(shí)要保持與其他權(quán)限的互斥，這樣便可以用二進(jìn)制的一個(gè)比特位來(lái)代表一種權(quán)限。例如，第一位表示數(shù)據(jù)庫(kù)的讀取權(quán)限、第二位表示數(shù)據(jù)庫(kù)的寫入權(quán)限、第三位表示文檔緩存的讀取權(quán)限、第四位表示文檔緩存的刷新權(quán)限。在一個(gè)典型的電子教科書系統(tǒng)中，用戶角色通常包括管理員、老師和學(xué)生。其中，管理員擁有全部權(quán)限，其對(duì)應(yīng)的十六進(jìn)制權(quán)限碼是0xF，即四位比特全部為1;老師擁有知識(shí)模型的讀寫權(quán)限和文檔緩存的讀取權(quán)限，即二進(jìn)制比特位的第一、二和三位應(yīng)置為1，對(duì)應(yīng)的十六進(jìn)制權(quán)限碼是0x7;學(xué)生只具有讀取文檔緩存的權(quán)限，所以十六進(jìn)制權(quán)限碼是0x3。權(quán)限碼作為用戶數(shù)據(jù)的一個(gè)屬性記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中，在生成JWT時(shí)放入載荷中以便于用戶訪問(wèn)時(shí)進(jìn)行權(quán)限驗(yàn)證。

為保障服務(wù)器的正常運(yùn)行，智能教科書系統(tǒng)還需要提供一個(gè)輕量級(jí)的日志系統(tǒng)來(lái)監(jiān)控服務(wù)器的運(yùn)行狀態(tài)和敏感權(quán)限的操作。本項(xiàng)目中用JavaScript在Node.js下開(kāi)發(fā)了一個(gè)具有多日志、日志分塊、日志舍棄和多級(jí)別信息功能的日志模塊。該日志模塊的UML結(jié)構(gòu)如圖7所示。日志模塊在日志寫入超出單個(gè)日志文件大小時(shí)，會(huì)將當(dāng)前日志文件加上序號(hào)并新建一個(gè)新的日志文件繼續(xù)寫入。在日志文件總數(shù)超過(guò)最大數(shù)量約束后，日志模塊會(huì)刪除最舊的日志文件。這樣的寫入邏輯既保證了日志系統(tǒng)僅占用固定的磁盤大小，同時(shí)也保障了系統(tǒng)故障之后一定時(shí)間內(nèi)的日志可追溯性。

綜上所述，智能電子教科書的服務(wù)器整體架構(gòu)如圖8所示。

3 ?客戶端設(shè)計(jì)

客戶端選用的開(kāi)發(fā)框架是Ionic，它是一個(gè)基于Angular 和Cordova的混合應(yīng)用架構(gòu)。Ionic底層通過(guò)Cordova實(shí)現(xiàn)與平臺(tái)無(wú)關(guān)的硬件調(diào)用，前端基于Angular的數(shù)據(jù)雙向綁定和模塊化實(shí)現(xiàn)了大量美觀的控件。該混合應(yīng)用架構(gòu)通過(guò)將響應(yīng)式網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容部署到瀏覽器，再將傳統(tǒng)應(yīng)用中的硬件訪問(wèn)接口通過(guò)瀏覽器容器暴露給網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容，從而實(shí)現(xiàn)一次開(kāi)發(fā)、跨平臺(tái)應(yīng)用[22]。

智能電子教科書客戶端通過(guò)混合架構(gòu)技術(shù)，將具有較高性能需求的任務(wù)（如復(fù)雜的文檔生成、推理演算等）交給高性能的云服務(wù)器，將對(duì)運(yùn)算性能要求較低、面向使用者交互的功能（如文檔渲染、知識(shí)模型數(shù)據(jù)編輯等）通過(guò)Cordova封裝在不同平臺(tái)的客戶端以提供相同的用戶體驗(yàn)。這樣的架構(gòu)可以減少用戶對(duì)于高性能硬件的需求，但又可以提供相同的用戶體驗(yàn)。此外，服務(wù)端沒(méi)有像移動(dòng)端那樣的軟硬件限制，可以更好地實(shí)現(xiàn)各類算法，也可引用其他成熟軟件作為補(bǔ)足。

客戶端需提供文檔的渲染和編輯功能。渲染是將服務(wù)器生成的帶有語(yǔ)義的文檔緩存通過(guò)處理生成適合閱讀且美觀的HTML文檔，同時(shí)在渲染的過(guò)程中還需在每個(gè)知識(shí)節(jié)點(diǎn)處加入跳轉(zhuǎn)的錨記和編輯的按鈕。編輯功能通過(guò)使用編輯器庫(kù)CKEditor[19]實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)公式友好的知識(shí)點(diǎn)編輯。文檔渲染和編輯預(yù)覽中的數(shù)學(xué)公式渲染由MathJax庫(kù)[20]完成?？蛻舳丝蚣軋D和模塊結(jié)構(gòu)圖如圖9和圖10所示。

4 ?系統(tǒng)展示

4.1 ?數(shù)據(jù)庫(kù)展示

數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)了智能電子教科書系統(tǒng)中重要的用戶信息、知識(shí)模型數(shù)據(jù)。本項(xiàng)目使用的數(shù)據(jù)庫(kù)包括用于存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)的MongoDB分布式文件數(shù)據(jù)庫(kù)和用于存儲(chǔ)知識(shí)模型數(shù)據(jù)的Neo4j圖數(shù)據(jù)庫(kù)，其中Neo4j存儲(chǔ)的知識(shí)模型數(shù)據(jù)是本項(xiàng)目的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。圖11展示了用于構(gòu)建線性代數(shù)第一章知識(shí)模型數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)拓?fù)鋱D，圖12展示了圖11中所圈數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。

4.2 ?客戶端展示

客戶端使用響應(yīng)式布局，其應(yīng)用界面根據(jù)平臺(tái)和分辨率分為桌面端界面和移動(dòng)端界面。在主界面中左側(cè)是功能菜單，右側(cè)是文檔目錄。主界面如圖13所示。

知識(shí)模型數(shù)據(jù)的編輯界面和搜索界面具有一定的相似性，這是因?yàn)榫庉嬍菍?duì)各知識(shí)類及其相應(yīng)關(guān)系的編輯，搜索也是基于知識(shí)類的各種屬性、內(nèi)容和關(guān)系進(jìn)行檢索。編輯界面和搜索界面的桌面版如圖14所示。

客戶端界面中最重要的功能是文檔渲染。渲染所需數(shù)據(jù)來(lái)源于服務(wù)器根據(jù)JSON結(jié)構(gòu)樹(shù)自動(dòng)生成的文檔緩存。文檔緩存經(jīng)由HTTP協(xié)議傳輸?shù)娇蛻舳撕髣?dòng)態(tài)渲染為文檔頁(yè)面?？蛻舳宋臋n的渲染效果如圖15所示。

編輯功能是智能電子教科書客戶端所應(yīng)具備的重要功能之一。它在支持即時(shí)的數(shù)學(xué)公式編輯預(yù)覽的基礎(chǔ)上，能夠讓具有編輯權(quán)限的用戶（如老師）通過(guò)編輯按鈕對(duì)知識(shí)點(diǎn)及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充修訂?？蛻舳说木庉嫿缑嫒鐖D16所示。

此外，客戶端還實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵詞的搜索和高亮功能，極大地滿足了使用者對(duì)于信息檢索的需求。搜索高亮界面如圖17所示。

5 ?總結(jié)與展望

本論文中我們以線性代數(shù)為例，從知識(shí)模型、服務(wù)器和客戶端設(shè)計(jì)三個(gè)方面對(duì)智能電子教科書系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理展開(kāi)研究，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)初級(jí)版本的智能電子教科書系統(tǒng)，用于展示智能電子教科書的核心理念和設(shè)計(jì)框架。目前最新版本的智能電子教科書系統(tǒng)已經(jīng)能夠?yàn)橛脩籼峁┲R(shí)點(diǎn)的增刪查改、知識(shí)點(diǎn)數(shù)據(jù)的拓?fù)鋱D瀏覽以及知識(shí)點(diǎn)的檢索等功能，同時(shí)能夠根據(jù)用戶需求自動(dòng)生成書本內(nèi)容并將其渲染展示。為了實(shí)現(xiàn)教科書內(nèi)容的精確查詢、數(shù)學(xué)表達(dá)式的自動(dòng)計(jì)算和書本內(nèi)容的自動(dòng)生成等功能，今后智能電子教科書系統(tǒng)的研究將致力于設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)一種介于自然語(yǔ)言和軟件可識(shí)別語(yǔ)言之間的中間語(yǔ)言，用于完成知識(shí)數(shù)據(jù)在兩種語(yǔ)言間的互相轉(zhuǎn)換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)用戶友好的文檔展示和軟件工具的自動(dòng)計(jì)算與自動(dòng)推理。此外，利用互聯(lián)網(wǎng)的群體協(xié)作能力可以調(diào)動(dòng)大量用戶的群體智慧參與到知識(shí)內(nèi)容的創(chuàng)作中。隨著教科書內(nèi)容的不斷完善，還可針對(duì)特定領(lǐng)域通過(guò)科學(xué)計(jì)算工具（如WolframAlpha，Maple等）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算、自動(dòng)推理等功能，在此基礎(chǔ) ? ?上可針對(duì)教育領(lǐng)域開(kāi)發(fā)自動(dòng)測(cè)評(píng)和反饋的功能，并根據(jù)反饋信息自動(dòng)生成符合用戶需求的書本和測(cè)試內(nèi)容。

未來(lái)軟件的全平臺(tái)或跨平臺(tái)趨勢(shì)已經(jīng)不可阻擋，云應(yīng)用就是一個(gè)很好的例子。近年來(lái)混合應(yīng)用經(jīng)過(guò)快速發(fā)展已經(jīng)達(dá)到與傳統(tǒng)應(yīng)用平分秋色的水平，甚至之前只有傳統(tǒng)應(yīng)用才能實(shí)現(xiàn)的手寫筆壓感功能，在混合應(yīng)用的容器中也有了相應(yīng)的接口獲取其壓感和傾斜屬性。本文除了對(duì)知識(shí)存儲(chǔ)和知識(shí)管理等理論展開(kāi)研究外，也是一次理論研究與工程實(shí)踐的結(jié)合，通過(guò)混合應(yīng)用技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)前景廣闊的智能電子教科書系統(tǒng)。本文實(shí)現(xiàn)的智能電子教科書系統(tǒng)只是一個(gè)初級(jí)版本，希望這些理論和項(xiàng)目基礎(chǔ)可以為后續(xù)研究做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] Shepperd J A， Grace J L， Koch E J. Evaluating the electronic textbook： is it time to dispense with the paper text？[J] Teaching of Psychology， 2008， 35（1）： 2-5.

[2] 李林， 王冬， 覃文圣， 張淑琴， 高栩. 論電子教材取代紙質(zhì)教材發(fā)展趨勢(shì)的必然性[J]. 中國(guó)信息界， 2011， （5）： 42- 44.

[3] Chen X. Electronic geometry textbook： a geometric textbook knowledge management system[C]. Proc. of ICM 2010. Springer， Berlin， Heidelberg， 2010： 278-292.

[4] Chen X， Wang DM. Towards an electronic geometry text-book[C]. In： Proc. of ADG 2006. Springer， Berlin， Heidelberg， 2006.

[5] Quaresma， Pedro. Towards an intelligent and dynamic geo-metry book[J]. In： Mathematics in Computer Science， 2017， 11（3-4）， 427-437.

[6] Cohen A M， Cuypers H， Verrijzer R. Mathematical context in interactive documents[J]. Mathematics in Computer Science， 2010， 3（3）： 331-347.

[7] Chaudhri V K， Cheng B， Overtholtzer A， Roschelle J， Spaulding A， Clark P， Greaves M， Gunning D. Inquire biology： a textbook that answers questions[J]. AI Magazine， 2013， 34（3）： 55-72.

[8] Nkambou R， Azevedo R， Vassileva J （eds.）. Intelligent tutoring systems[M]. Proc. of ITS 2018. Springer， Charm， 2018.

[9] Al-Fedaghi S. Developing web applications[J]. International journal of software engineering and its applications， 2011， 5（2）： 57-68.

[10] Pinto C M， Coutinho C. From native to cross-platform hybrid development[C]. Proc. of IS 2018. IEEE， 2018： 669-676.

[11] Huynh M Q， Ghimire P， Truong D. Hybrid app approach： could it mark the end of native app domination？[J] Issues in Informing Science and Information Technology， 2017， 14： 049-065.

[12] 鄧志鴻， 唐世渭， 張銘， 楊冬青， 陳捷. Ontology研究綜述[J]. 北京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2002， 38（5）： 730-738.

[13] Nicola A D， Missikoff M， Navigli R. A software engineering approach to ontology building[J]. Information Systems， 2009， 34（2）： 258-275.

[14] Neo4j Graph Platform-The Leader in Graph Databases. [DB/OL]. https：//neo4j.com/.

[15] Node. js.[DB/OL] https： //nodejs. org/.

[16] JSON Web Tokens-jwt.io.[DB/OL]. https： //jwt. io/.

[17] npm Documentation.[DB/OL] https： //docs. npmjs. com/.

[18] auth0/node-jsonwebtoken： JsonWebToken implementation for node. js.[DB/OL] https：//github.com/auth0/node-jsonwebtoken.

[19] CKEditor | Smart WYSIWYG HTML editor | Collaborative rich text editor.[DB/OL] https：//ckeditor.com/.

[20] MathJax | Beautiful math in all browsers.[DB/OL]. https：// www.mathjax.org/.

[21] Riva C， Laitkorpi M. Designing web-based mobile services with REST[C]. Proc. of ICSOC 2007. Springer， Berlin， Heidelberg， 2007： 439-450.

[22] Huynh M Q， Ghimire P， Truong D. Hybrid app approach： could it mark the end of native app domination？[J]. Issues in Informing Science and Information Technology， 2017， 14： 049-065.