基于馬爾科夫模型的電子商務(wù)課程遠(yuǎn)程教學(xué)方法

王雷

(臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 經(jīng)貿(mào)學(xué)院(電子商務(wù)學(xué)院)， 浙江, 臺(tái)州 318000)

0 引言

身處全球經(jīng)濟(jì)一體化環(huán)境，電子商務(wù)已變成人類生活中不可缺少的部分，是推進(jìn)社會(huì)與企業(yè)持續(xù)進(jìn)步的必經(jīng)之路。電子商務(wù)是一個(gè)融合計(jì)算機(jī)科學(xué)、管理學(xué)及市場(chǎng)營(yíng)銷學(xué)等多個(gè)學(xué)科的綜合性專業(yè)[1-2]?，F(xiàn)階段電子商務(wù)的快速發(fā)展，造成人才資源的緊缺，這也是阻礙電子商務(wù)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵要素。為培育素質(zhì)過硬的電子商務(wù)專業(yè)人才，每個(gè)高校均設(shè)立了電子商務(wù)專業(yè)課程。電子商務(wù)課程是和該領(lǐng)域活動(dòng)有關(guān)的課程總和[3]，包含電子商務(wù)實(shí)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)營(yíng)銷等內(nèi)容，擁有綜合性、實(shí)踐性等多種特征[4]。目前在國(guó)外的電子商務(wù)遠(yuǎn)程教學(xué)中，均側(cè)重電子商務(wù)管理方面，且學(xué)時(shí)較短，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容的鞏固效果不佳。在我國(guó)很多教師還是采用灌輸式教學(xué)策略實(shí)施電子商務(wù)課程教學(xué)，這不但降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，也讓電子商務(wù)教學(xué)改革之路愈發(fā)艱巨。

針對(duì)以上教學(xué)中出現(xiàn)的實(shí)際問題，融合計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，提出了一種基于馬爾科夫模型的電子商務(wù)課程遠(yuǎn)程教學(xué)方法，運(yùn)用馬爾科夫模型完成遠(yuǎn)程教學(xué)語(yǔ)音識(shí)別處理，提升教師傳遞教學(xué)內(nèi)容準(zhǔn)確性，采用統(tǒng)一建模語(yǔ)言，并利用ASP.NET技術(shù)，組建電子商務(wù)課程遠(yuǎn)程教學(xué)平臺(tái)，通過實(shí)例分析表明所提方法可靠性。

1 基于馬爾科夫模型的遠(yuǎn)程教學(xué)語(yǔ)音識(shí)別

遠(yuǎn)程教學(xué)模式無法讓師生面對(duì)面進(jìn)行課程交流，為此本文設(shè)計(jì)基于馬爾科夫模型的電子商務(wù)課程遠(yuǎn)程教學(xué)語(yǔ)音識(shí)別方法，通過語(yǔ)音識(shí)別處理，讓遠(yuǎn)程教學(xué)內(nèi)容表述更加清晰明確，提升教學(xué)質(zhì)量。

預(yù)處理語(yǔ)音信號(hào)主要包含以下內(nèi)容：預(yù)加重是一個(gè)極其關(guān)鍵的前處理技術(shù)，語(yǔ)音信號(hào)頻譜高頻區(qū)域能量較低，極易受到干擾現(xiàn)象的影響，解析語(yǔ)音信號(hào)之前，運(yùn)用數(shù)字傳輸函數(shù)來增強(qiáng)高頻范圍，過程為

H(z)=1-0.95×z-1

(1)

式中，H(z)是數(shù)字z的傳輸函數(shù)。

語(yǔ)音信號(hào)呈現(xiàn)出短時(shí)穩(wěn)定的形態(tài)特征，分段處理持續(xù)的語(yǔ)音信號(hào)。為確保特征向量系數(shù)平滑性，幀和幀之間會(huì)有某些樣本被重復(fù)利用。與此同時(shí)，為減少語(yǔ)音幀截?cái)嘈в?，加窗處理語(yǔ)音數(shù)據(jù)，這里使用海明窗算法完成計(jì)算，得到：

w(n)=0.54-0.46×cos(2π/(N-1))

(2)

其中，w(n)表示加窗處理后的語(yǔ)音數(shù)據(jù)，N表示語(yǔ)音數(shù)據(jù)總量。

短時(shí)能量均值是語(yǔ)音信號(hào)在此幀內(nèi)的能量平均值[5]，具有分割無聲有聲之間的邊界、連字間的邊界等作用，記作：

(3)

使用馬爾科夫模型實(shí)現(xiàn)電子商務(wù)課程遠(yuǎn)程教學(xué)語(yǔ)音識(shí)別。馬爾科夫模型為一個(gè)五元組(S,A,V,B,π)，S表示狀態(tài)數(shù)據(jù)集，V表示符號(hào)輸出集，π為一個(gè)原始形態(tài)概率分布，A代表形態(tài)轉(zhuǎn)移概率分布矩陣，B是形態(tài)符號(hào)發(fā)射的概率分布矩陣。

通過馬爾科夫模型相關(guān)定理可知，該模型就是一個(gè)雙重隨機(jī)流程。馬爾科夫族模型是馬爾科夫模型中的一種表達(dá)形式，設(shè)定X={X1,X2,…,Xm}代表m維隨機(jī)矢量，分量Xi與有限狀態(tài)集合數(shù)量相同。馬爾可夫族模型需要符合如下約束條件。

第一，各個(gè)分量Xi均為一個(gè)ni階馬爾科夫鏈，記作：

P(xi,t|xi,1,…,xt-1)=P(xi,t|xi,t-ni+1,…,xi,t-1)

(4)

第二，分量處于時(shí)段t時(shí)產(chǎn)生某個(gè)狀態(tài)的概率僅和此分量在時(shí)段t過往狀態(tài)及時(shí)段t其余分量的實(shí)時(shí)狀態(tài)有關(guān)，描述成：

P(xi,t|x1,1,…,x1,t,…,xi,1,…,xi-1,…,xm,1,…,xm,t)=

P(xi,t|xi,t-ni+1,…,x1,t-1|x1,t)·P(x1,t|xi,t)…P(xm,t|xi,t)

(5)

第三，需要滿足條件獨(dú)立性原則：

P(xi,t-ni+1,…,xi,t-1,x1,t…,xi-1,t,xi+1,t,…,xm,t|xi,t)=

P(xi,t-ni+1,…,xi,t-1|x1,t)·P(x1,t|xi,t)…P(xm,t|xi,t)

(6)

第一個(gè)約束條件證明馬爾科夫族模型是一種多種隨機(jī)流程；第二個(gè)約束條件可以明確馬爾科夫族模型多重隨機(jī)流程之間的耦合關(guān)聯(lián)，運(yùn)用此特征可以化簡(jiǎn)模型運(yùn)算復(fù)雜度;第三個(gè)約束條件表明某個(gè)分量處于時(shí)段t時(shí)，此變量在時(shí)段t之前的ni-1個(gè)值和其余分量在時(shí)段t之前的值為互相獨(dú)立的，也就是馬爾科夫族模型使用條件獨(dú)立性假設(shè)替代了馬爾科夫模型內(nèi)的獨(dú)立性假設(shè)。立足統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，相對(duì)條件獨(dú)立假設(shè)與獨(dú)立性假設(shè)是過度假設(shè)，和語(yǔ)音相關(guān)內(nèi)容不太貼切。所以本文使用馬爾科夫族模型來模擬真實(shí)的語(yǔ)言物理過程。

在持續(xù)不斷的電子商務(wù)課程遠(yuǎn)程教學(xué)中，不同教師處于不同語(yǔ)言環(huán)境下講話語(yǔ)速差別較大，和正常語(yǔ)速差別較多通常會(huì)造成語(yǔ)音識(shí)別錯(cuò)誤，較快的語(yǔ)速會(huì)大幅增長(zhǎng)語(yǔ)音識(shí)別錯(cuò)誤率，較慢的語(yǔ)速會(huì)導(dǎo)致插入錯(cuò)誤。當(dāng)前對(duì)語(yǔ)音識(shí)別問題的分析關(guān)鍵是根據(jù)某個(gè)策略獲得識(shí)別語(yǔ)音的語(yǔ)速權(quán)衡原則，再憑借語(yǔ)速快慢更新轉(zhuǎn)換幾率，在語(yǔ)速較慢的情況下增加形態(tài)自轉(zhuǎn)變的幾率，調(diào)節(jié)各個(gè)語(yǔ)音單元的連續(xù)時(shí)長(zhǎng)，適應(yīng)教師授課的不同語(yǔ)速。

段長(zhǎng)表述語(yǔ)音的時(shí)間長(zhǎng)度，構(gòu)建一個(gè)基于段長(zhǎng)分布的馬爾科夫族模型，挑選不同的語(yǔ)音段長(zhǎng)度，授課時(shí)的講話速率改變情況即為段長(zhǎng)的變化幅度起伏情況，與此同時(shí)，語(yǔ)速改變對(duì)段長(zhǎng)的影響是共同增多與共同減少的，也就是語(yǔ)速較慢時(shí)，上個(gè)語(yǔ)音單元要大于段長(zhǎng)均值，下一個(gè)語(yǔ)音單元段長(zhǎng)大于上個(gè)語(yǔ)音單元。同時(shí)，處于很短的時(shí)段，教師的說話速率會(huì)較為平穩(wěn)，也就是一個(gè)短的時(shí)間中此種語(yǔ)速對(duì)段長(zhǎng)的影響是大致相等的，這樣就利用上一個(gè)語(yǔ)音單元段長(zhǎng)的平均值誤差來評(píng)估下一個(gè)語(yǔ)音單元段長(zhǎng)的改變走向。

語(yǔ)音識(shí)別模型一般將音子當(dāng)作識(shí)別單位，倘若音子模型具備的形態(tài)有L個(gè)類型，描述成sl，在時(shí)段n時(shí)的形態(tài)為xn，yn是形態(tài)xn的觀測(cè)特征，在形態(tài)xn持續(xù)停留的段長(zhǎng)為τn，將語(yǔ)音識(shí)別相關(guān)概率記作：

al=asl=P(xn=sl)

ai,j=asi,sj=P(xn+1=sj|xn=si)

bl(yn)=bsl(yn)=P(yn|xn=sl)

(7)

(8)

語(yǔ)音識(shí)別就是通過觀測(cè)序列計(jì)算最優(yōu)的形態(tài)序列S，獲得最優(yōu)的詞序列，也就是識(shí)別過程中最有可能出現(xiàn)的詞序列，詞序列計(jì)算過程為

(9)

假設(shè)Γ是相對(duì)于詞序列W可能形態(tài)序列S的數(shù)據(jù)集，得到如下公式：

(10)

倘若T1、Ti,1均為段長(zhǎng)分割點(diǎn)，同時(shí)O表示一個(gè)M階馬爾科夫鏈，則擁有下列不等式關(guān)系：

(11)

條件概率P(τn+1=τi,j|τn=τi,j-1,wi)的推導(dǎo)過程使用鄰近2個(gè)語(yǔ)音單元之間的段長(zhǎng)數(shù)據(jù)，這樣就能得到馬爾科夫族模型的段長(zhǎng)二元概率[6]。也可以采用鄰近的r個(gè)語(yǔ)音單元之間的段長(zhǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)獲取的結(jié)果就是段長(zhǎng)r元概率。

因?yàn)檎Z(yǔ)音數(shù)據(jù)的稀疏特性，條件概率P(τn+1=τi,j|τn=τi,j-1,wi)可以取趨近值P(τn+1=τi,j|τn=τi,j-1)或利用平滑計(jì)算模式得到，將條件概率表述成：

P(τn+1=τi,j|τn=τi,j-1,wi)≈(1-λwi)·

P(τn+1=τi,j|τn=τi,j-1i)+λwiP(τn+1=τi,j|τn=τi,j-1,wi)

(12)

式中，λw表示平滑參變量，0<λw<1，τi,j是形態(tài)段長(zhǎng)，也可以當(dāng)作半音節(jié)及音節(jié)的時(shí)間長(zhǎng)度。在本文方法中，形態(tài)i的停留概率ai,j是一個(gè)常數(shù)，模型處于形態(tài)i后在此形態(tài)持續(xù)停留的時(shí)長(zhǎng)τ要順從幾何分布規(guī)律，如式(13)所示，以此得到更加優(yōu)秀的語(yǔ)音識(shí)別精度。

(13)

2 基于統(tǒng)一建模語(yǔ)言的電子商務(wù)課程遠(yuǎn)程教學(xué)平臺(tái)開發(fā)

2.1 平臺(tái)設(shè)計(jì)思路

面向電子商務(wù)課程遠(yuǎn)程教學(xué)的核心需求，設(shè)計(jì)一個(gè)基于統(tǒng)一建模語(yǔ)言的電子商務(wù)課程遠(yuǎn)程教學(xué)平臺(tái)。本文平臺(tái)創(chuàng)建理念滿足電子商務(wù)課程教學(xué)規(guī)律，以心理學(xué)相關(guān)內(nèi)容為基礎(chǔ)，充分分析學(xué)生認(rèn)知水平及特點(diǎn)[7]，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。平臺(tái)設(shè)計(jì)風(fēng)格簡(jiǎn)潔明了，在操作實(shí)用性方面得到極大提升。

通過上述設(shè)計(jì)思路分析，劃分系統(tǒng)內(nèi)包含如下角色：平臺(tái)管理員、學(xué)習(xí)人員。用戶經(jīng)過功能選擇，可以找到不同的功能頁(yè)面，平臺(tái)設(shè)計(jì)主要順序如圖1所示。

圖1 平臺(tái)設(shè)計(jì)順序

即便用戶類型較多，且不同的用戶具備自身的功能權(quán)限與事務(wù)，但訓(xùn)練平臺(tái)軟件類目標(biāo)的構(gòu)成可以分成用戶頁(yè)面包、事務(wù)處理包和后臺(tái)信息處理包，將三者的關(guān)聯(lián)表示為圖2。

圖2 軟件包之間的關(guān)聯(lián)

統(tǒng)一建模語(yǔ)言處于編碼階段時(shí)，運(yùn)用Visual Studio.Net當(dāng)作前端研發(fā)工具[8]，SQL Server是平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)完成編程任務(wù)。編碼過程中，會(huì)挖掘出平臺(tái)的潛在缺陷與隱患，使用Rational Rose逆向工程的功能來修正平臺(tái)不足。

測(cè)試的根本目標(biāo)是明確平臺(tái)研發(fā)的錯(cuò)誤。測(cè)試工作使用例描述作為基礎(chǔ)，查看平臺(tái)是否實(shí)現(xiàn)最初的設(shè)計(jì)需求，平臺(tái)配置為真實(shí)的交付系統(tǒng)，包含文檔與模型等子系統(tǒng)，測(cè)試、配置與統(tǒng)一建模語(yǔ)言之間的關(guān)聯(lián)可參見圖3。

圖3 測(cè)試、配置與統(tǒng)一建模語(yǔ)言之間的關(guān)聯(lián)示意圖

2.2 電子商務(wù)課程遠(yuǎn)程教學(xué)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

遠(yuǎn)程教學(xué)平臺(tái)架構(gòu)包含服務(wù)器/客戶機(jī)(Client-Server，C/S)與瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server，B/S)兩種架構(gòu)。C/S架構(gòu)在平臺(tái)集成維護(hù)、操作頁(yè)面一致性、平臺(tái)拓展性、安全性等方面擁有顯著局限性，而B/S為三層結(jié)構(gòu)包含界面層、事務(wù)層與數(shù)據(jù)庫(kù)層。數(shù)據(jù)庫(kù)無法直接給各個(gè)客戶機(jī)提供操作服務(wù)，而是運(yùn)用Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)交互，完成對(duì)用戶數(shù)據(jù)服務(wù)的即時(shí)性與動(dòng)態(tài)性，在用戶機(jī)內(nèi)無需設(shè)置應(yīng)用程序，將應(yīng)用程序架設(shè)于事務(wù)層所處的計(jì)算機(jī)內(nèi)，信息均儲(chǔ)存于數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器內(nèi)，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更具安全性。本文平臺(tái)構(gòu)建于Web架構(gòu)中，采用ASP.NET開發(fā)技術(shù)，將ASP.NET開發(fā)技術(shù)的編譯流程記作圖4。

圖4 ASP.NET開發(fā)技術(shù)編譯流程

平臺(tái)設(shè)計(jì)包含軟件與硬件兩個(gè)平臺(tái)。硬件包含網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)連接與局域網(wǎng)至廣域網(wǎng)的接入，軟件包含網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、操作子系統(tǒng)、平臺(tái)制作工具與數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，這里采用Windows NT的軟硬件開發(fā)工具。

統(tǒng)一建模語(yǔ)言對(duì)平臺(tái)的環(huán)境支撐應(yīng)當(dāng)擁有如下功能：畫圖、目標(biāo)存儲(chǔ)、產(chǎn)生代碼、導(dǎo)航、集成及模型互換?；谝陨祥_發(fā)環(huán)境建設(shè)，將電子商務(wù)課程遠(yuǎn)程教學(xué)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)表示成圖5。

圖5 遠(yuǎn)程教學(xué)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

管理板塊中，平臺(tái)可以自動(dòng)管理全部用戶資料，同時(shí)追蹤用戶對(duì)遠(yuǎn)程教學(xué)資料的使用狀況，組織在線考試與疑難問題解答，利用成績(jī)管理子板塊明確學(xué)生的真實(shí)學(xué)習(xí)狀態(tài)，給學(xué)生正確的學(xué)習(xí)指導(dǎo)，完成學(xué)生對(duì)電子商務(wù)課程的自主學(xué)習(xí)。

教學(xué)板塊包含電子商務(wù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、電子教案和實(shí)驗(yàn)軟件模擬教學(xué)3個(gè)子版塊，很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)方式不足，讓學(xué)生身臨其境地感受電子商務(wù)的真實(shí)交互狀態(tài)，增強(qiáng)學(xué)生的課程掌握能力。

學(xué)生學(xué)習(xí)板塊使用選擇題與問答題對(duì)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)檢測(cè)，利用評(píng)分體系快速明確學(xué)生成績(jī)，讓學(xué)生自行規(guī)劃學(xué)習(xí)進(jìn)度，并提供對(duì)應(yīng)的教程資源，拓寬學(xué)生視野。

術(shù)語(yǔ)查找板塊讓學(xué)生運(yùn)用搜索功能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的電子商務(wù)術(shù)語(yǔ)查找，還能利用模糊查找快速有效地查看生僻術(shù)語(yǔ)，提升自身學(xué)習(xí)速率。

系統(tǒng)演示功能板塊可以使用Flash技術(shù)對(duì)教學(xué)、學(xué)生學(xué)習(xí)與名詞術(shù)語(yǔ)查找進(jìn)行生動(dòng)演示，可以提高系統(tǒng)全局教學(xué)質(zhì)量，讓師生更加快速地了解平臺(tái)的操作步驟與技巧，完成電子商務(wù)遠(yuǎn)程教學(xué)預(yù)期目標(biāo)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了證明所提方法的有效性，選擇某高校電子商務(wù)專業(yè)的35名學(xué)生作為實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，進(jìn)行為期一個(gè)月的遠(yuǎn)程教學(xué)，列舉若干因素與課程問題，對(duì)學(xué)生進(jìn)行電子商務(wù)課程遠(yuǎn)程教學(xué)問卷調(diào)查，將學(xué)生問卷評(píng)估指標(biāo)分為良、優(yōu)、差，計(jì)算出相應(yīng)分?jǐn)?shù)。研究采集的數(shù)據(jù)使用SPSS 12.0 for windows與statistics完成統(tǒng)計(jì)處理，將問卷調(diào)查后的結(jié)果表示為表1。

表1 電子商務(wù)課程遠(yuǎn)程教學(xué)問卷調(diào)查結(jié)果

從表1可知，電子商務(wù)專業(yè)學(xué)生對(duì)本文方法的教學(xué)效果擁有極高的評(píng)價(jià)，證明所提方法能夠根據(jù)電子商務(wù)專業(yè)的學(xué)生特點(diǎn)與需求制定極具針對(duì)性的教學(xué)內(nèi)容，并且本文采用了馬爾科夫模型的電子商務(wù)課程遠(yuǎn)程教學(xué)語(yǔ)音識(shí)別方法，可以保證授課教師所講內(nèi)容有效地傳遞給學(xué)生，讓學(xué)生得到更好的交互體驗(yàn)同時(shí)，也培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

為了更進(jìn)一步地展現(xiàn)方法的可靠性，對(duì)比傳統(tǒng)教學(xué)與遠(yuǎn)程教學(xué)模式，從出勤率、小測(cè)成績(jī)、月考成績(jī)、小組討論積極性等幾方面進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，每5天為一個(gè)周期，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6～圖8所示。

由圖6～圖8可知，與電子商務(wù)課程傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，本文方法的遠(yuǎn)程教學(xué)模式獲得了更加優(yōu)秀的學(xué)習(xí)效果，顯著提升了學(xué)生的考核成績(jī)，與問卷調(diào)查結(jié)果基本相同，表明本文方法擁有優(yōu)秀的實(shí)用性，為電子商務(wù)課程教學(xué)的深入改革發(fā)揮重要作用。

圖6 出勤率情況對(duì)比

圖7 小測(cè)成績(jī)與月考成績(jī)的教學(xué)情況對(duì)比

圖8 小組討論積極性對(duì)比

4 總結(jié)

針對(duì)傳統(tǒng)電子商務(wù)課程灌輸式教學(xué)弊端，提出基于馬爾科夫模型的電子商務(wù)課程遠(yuǎn)程教學(xué)方法。所提方法能夠從根本上扭轉(zhuǎn)學(xué)生對(duì)電子商務(wù)課程的刻板印象，加強(qiáng)師生間的互動(dòng)性，有效提升學(xué)生考核成績(jī)。接下來會(huì)在方法上引入更細(xì)致的多媒體文件分類查找業(yè)務(wù)，進(jìn)一步提高平臺(tái)用戶體驗(yàn)感。