【摘要】本文對教學(xué)答疑專家系統(tǒng)的涵義和組成以及功能進(jìn)行了分析，并從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作過程設(shè)計(jì)及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三方面對教學(xué)答疑專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】教學(xué) 答疑 專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前多媒體教學(xué)在各大中專院校已經(jīng)廣泛展開，受到了廣大教師和學(xué)生的普遍歡迎，但多媒體教學(xué)也帶來了新的問題，即學(xué)生課堂消化吸收的知識有限，要全面掌握所學(xué)知識必須課后復(fù)習(xí)鞏固，也就需要教師進(jìn)行輔導(dǎo)答疑。為解決這一問題，國內(nèi)許多高校已經(jīng)采用了網(wǎng)上輔助教學(xué)系統(tǒng)。目前，網(wǎng)上輔助教學(xué)系統(tǒng)中的答疑系統(tǒng)主要存在兩種形式，一種是通過網(wǎng)上對話進(jìn)行答疑。這種形式的不足在于教師時間有限，當(dāng)教師不在時，學(xué)生的問題無法得到解答。另一種是問題與答案一對一的單一數(shù)據(jù)庫。這種形式的不足在于學(xué)生對同一問題的提問方式千變?nèi)f化，與數(shù)據(jù)庫中的題干完全對應(yīng)的難度較大。而本文設(shè)計(jì)的教學(xué)答疑專家系統(tǒng)則可針對上述問題，整理專家的經(jīng)驗(yàn)知識，通過關(guān)鍵詞概率分析，搜索可能的問題及答案并顯示給學(xué)生。與其他網(wǎng)上輔助教學(xué)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動推理答疑。

一、教學(xué)答疑專家系統(tǒng)的涵義、組成和功能

(一)教學(xué)答疑專家系統(tǒng)的涵義

專家系統(tǒng)(Es)是人工智能(AI)應(yīng)用研究最活躍和最廣泛的課題之一，自從1965年第一個專家系統(tǒng)DENDRAL在美國斯坦福大學(xué)問世，經(jīng)過20年的研究開發(fā)，到20世紀(jì)80年代中期，各種專家系統(tǒng)已遍布各個專業(yè)領(lǐng)域，取得很大的成功。目前，專家系統(tǒng)得到了更為廣泛的應(yīng)用，并在應(yīng)用開發(fā)中得到進(jìn)一步發(fā)展。

專家系統(tǒng)是一個(或一組)能在某特定領(lǐng)域內(nèi)，以專家水平解決領(lǐng)域中困難問題的計(jì)算機(jī)程序。其內(nèi)部具有大量某個領(lǐng)域的專家水平的知識與經(jīng)驗(yàn)，能夠利用人類專家的知識和解決問題的方法來解決該領(lǐng)域的問題。而教學(xué)答疑專家系統(tǒng)是一種借助人工智能技術(shù)并具有大量專門知識與經(jīng)驗(yàn)的程序系統(tǒng)，同時也，是讓計(jì)算機(jī)扮演教師的角色實(shí)施個別化教學(xué)，向不同需求、不同特征的學(xué)習(xí)者傳授知識、提供指導(dǎo)的適應(yīng)性教學(xué)系統(tǒng)。它根據(jù)教學(xué)領(lǐng)域中一個或者多個人類專家提供的知識和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理和判斷，模擬人類專家的決策過程，以解決一類需要專家來解決的復(fù)雜問題：

(二)教學(xué)答疑專家系統(tǒng)的組成

一個結(jié)構(gòu)完整的教學(xué)答疑專家系統(tǒng)通常由以下六部分組成：

一是知識庫。用以庫存領(lǐng)域?qū)＜姨峁┑膶ｉT知識，并把獲取的知識進(jìn)行形式化表達(dá)。如規(guī)劃表示、框架表示、邏輯表示和語義網(wǎng)絡(luò)表示等。

二是推理機(jī)。在一定的控制策略下，識別和選取知識庫中對當(dāng)前問題的可用知識進(jìn)行推理，也就是搜索尋找所需要的解。推理機(jī)的控制策略通常有數(shù)據(jù)驅(qū)動的向前推理和目標(biāo)驅(qū)動的向后推理方式，及兩者混合型的推理方式。推理的組織方式有：循環(huán)逼近、聚焦結(jié)構(gòu)、深表層結(jié)構(gòu)、黑板結(jié)構(gòu)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理和不精確推理。

三是知識獲取。教學(xué)答疑專家系統(tǒng)自動獲取知識的能力，稱為學(xué)習(xí)，即指系統(tǒng)通過一定方式把領(lǐng)域知識轉(zhuǎn)化為自己知識庫中的知識的機(jī)制。

四是解釋器。用于回答用戶對系統(tǒng)的提問，對系統(tǒng)的求解、作出結(jié)論的過程和系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)提供解釋、說明。它不僅能說服用戶相信系統(tǒng)的推理，也能幫助用戶改進(jìn)知識庫。

五是界面。將設(shè)計(jì)者的輸入信息轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)可以理解的內(nèi)部形式，同時把系統(tǒng)的輸出信息轉(zhuǎn)換為用戶能理解的表達(dá)形式。

六是知識庫管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要用于對輸入的知識進(jìn)行語法檢查，檢查所輸入知識與已有知識的一致性；或是提供對知識的檢索，其靜態(tài)檢索功能類似于數(shù)據(jù)庫的功能，而動態(tài)檢索功能則能把推理過程中使用知識的情況顯示出來。

(三)教學(xué)答疑專家系統(tǒng)的功能

教學(xué)答疑專家系統(tǒng)的基本功能取決于它所包含的知識，因此，教學(xué)答疑專家系統(tǒng)也可稱為基于知識的系統(tǒng)。它通常具有以下功能：

一是實(shí)現(xiàn)教育教學(xué)的功能。它如同一位知識淵博的教師，不僅能幫助學(xué)生學(xué)習(xí)，還能對學(xué)生在課堂教學(xué)或自學(xué)中產(chǎn)生的問題一一進(jìn)行答疑。

二是改進(jìn)教師教學(xué)的功能。它改變傳統(tǒng)的教師和學(xué)生在課堂上面對面教學(xué)的模式，采用異步交互教學(xué)方式，教與學(xué)均不受時間、空間的限制，利于自主學(xué)習(xí)。

三是促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的功能。主要體現(xiàn)在激勵學(xué)生自我學(xué)習(xí)、幫助學(xué)生充分利用課余時間和促進(jìn)學(xué)生課后復(fù)習(xí)幾方面。

四是自學(xué)習(xí)功能。它能根據(jù)知識庫中已有的知識和用戶對系統(tǒng)的提問動態(tài)應(yīng)答進(jìn)行推理以獲得新知識，總結(jié)新經(jīng)驗(yàn)，從而不斷擴(kuò)充知識庫，這即所謂自學(xué)習(xí)新型機(jī)制。

二、教學(xué)答疑專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

(一)教學(xué)答疑專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

教學(xué)答疑專家系統(tǒng)也是一種計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，因而其開發(fā)過程也要遵循軟件工程的步驟和原則。但又由于它是專家系統(tǒng)，而不是一般的軟件系統(tǒng)，因而又有其獨(dú)特的地方。教學(xué)答疑專家系統(tǒng)將專家系統(tǒng)開發(fā)過程和軟件開發(fā)過程的特點(diǎn)結(jié)合起來，主要分為總體分析、總體設(shè)計(jì)、知識獲取、編碼與測試四部分，以下主要分析前三部分。

1，系統(tǒng)總體分析與設(shè)計(jì)。教學(xué)答疑專家系統(tǒng)包含智能推理的過程，學(xué)生的工作僅是輸入問題，系統(tǒng)通過自身的推理機(jī)制，演化為自己能夠理解的方式，再將合理的答案輸出。教學(xué)答疑專家系統(tǒng)必須既使學(xué)生與教師之間可以實(shí)時地進(jìn)行問題解答，同時又能在沒有教師的情況下，由系統(tǒng)自動解答問題，并且保證系統(tǒng)具有可擴(kuò)充性。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程如下圖所示：

2，系統(tǒng)知識的獲取。知識獲取是建設(shè)教學(xué)答疑專家系統(tǒng)的關(guān)鍵一步，此處采用人工整理專家知識的方法獲取專家知識，將課程中可能出現(xiàn)的問題按章給出，由專家給出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)答案，并分析給出該問題的關(guān)鍵詞以及出現(xiàn)該關(guān)鍵詞的概率，然后將知識存入知識庫中。教學(xué)答疑專家系統(tǒng)中的知識庫主要由三張表組成，即存放問題知識的數(shù)據(jù)庫表QUESTION、存放問題與關(guān)鍵詞匹配知識的數(shù)據(jù)庫表QUESTION KEY-WORD和關(guān)鍵詞知識數(shù)據(jù)庫表KEY-WORD，各表的數(shù)據(jù)庫字段卣專家錄入相應(yīng)的知識。

(二)教學(xué)答疑專家系統(tǒng)的工作過程設(shè)計(jì)

存放問題知識的數(shù)據(jù)庫表中的字段“QUESTION”是問題編號，“ANSWER”是問題對應(yīng)的答案，“PROBILITY”表示是該問題的概率；存放問題與關(guān)鍵詞匹配知識的數(shù)據(jù)庫表QUESTION KEY-WORD中的“KEYWORD”表示問題中包含的關(guān)鍵詞，“PROBILITY”表示該問題與該關(guān)鍵詞匹配的概率。在建設(shè)知識庫的過程中，由專家為QUESTION KEY-WORD表中的“PROBILITY”賦一個數(shù)值。在系統(tǒng)啟動后，自動將QUESTION表中的“PROBILITY”置為“O”，將STATUS的項(xiàng)全置為“N”。用戶輸入問題，按下“輸出問題”按鈕后，推理機(jī)的工作過程如下圖所示：

最終，根據(jù)QUESTION表中概率大小進(jìn)行排序，輸出可能的問題列表，點(diǎn)擊選中問題即可顯示問題的答案。對于同一個知識點(diǎn)，不同的學(xué)生表述的問題可能不完全相同，但只要所表述的問題含有相應(yīng)的關(guān)鍵詞，即可得到基本相同的答案。

(三)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

教學(xué)答疑專家系統(tǒng)是采用B／S結(jié)構(gòu)模式進(jìn)行開發(fā)和設(shè)計(jì)的，具有以下特點(diǎn)：

一是服務(wù)器端配置要求較高。服務(wù)器包括Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，Web服務(wù)器要提供大量的信息服務(wù)；數(shù)據(jù)庫服務(wù)器不僅要存儲所有的媒體數(shù)據(jù)，還要提供對數(shù)據(jù)庫操作的響應(yīng)，因而服務(wù)器端不管是軟件配置還是硬件配置都有較高的要求。當(dāng)然，Web服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器可以在同一臺機(jī)器上，也可以在不同的機(jī)器上。

二是用戶端配置要求較低。用戶端只要安裝Web瀏覽器，即可運(yùn)行課件，而無需在用戶端再安裝課件系統(tǒng)，這就大大降低了用戶端的配置要求，且決定了課件的通用性及與平臺無關(guān)性。

三是以數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)存儲的核心。數(shù)據(jù)庫中可存放大量的多媒體數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)支持并發(fā)操作，適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的特點(diǎn)；同時對數(shù)據(jù)庫的操作具有統(tǒng)一的格式，利于在結(jié)構(gòu)不變的情況下進(jìn)行二次開發(fā)。

因此，教學(xué)答疑專家系統(tǒng)是用VB6.0開發(fā)的，因?yàn)閂BSCPdPT容易掌握，開發(fā)速度較快；服務(wù)器端的腳本執(zhí)行環(huán)境為ASP；由于數(shù)據(jù)量不大，因而數(shù)據(jù)庫采用ACCESS2000。

三、教學(xué)答疑專家系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)意義

教學(xué)答疑專家系統(tǒng)的開發(fā)具有明顯的現(xiàn)實(shí)意義：能及時有效地利用專家知識和經(jīng)驗(yàn)，為學(xué)生提供較準(zhǔn)確的答案，可解決教師因個人知識有限而無法提供準(zhǔn)確答案的困難，易于普及課程知識；可避免教師重復(fù)回答，使教師能夠集中精力從事新的創(chuàng)新研究。教學(xué)答疑專家系統(tǒng)的開發(fā)是一個長期的過程，是系統(tǒng)不斷修改、不斷完善的進(jìn)化過程，因?yàn)橹R獲取是一項(xiàng)長期而艱苦的工作，而知識庫的內(nèi)容又需要隨著科技的發(fā)展而不斷進(jìn)行更新和補(bǔ)充?？梢哉雇?，將來的教學(xué)答疑專家系統(tǒng)應(yīng)具有先進(jìn)的智能人機(jī)接口，能夠理解自然語言，實(shí)現(xiàn)語聲、文字’、圖形和圖像的直接輸入輸出。而自動排錯和自我完善功能是教學(xué)答疑專家系統(tǒng)的又一個追求的目標(biāo)。有了這種功能后，系統(tǒng)就會隨著時間的推移通過反復(fù)的運(yùn)行不斷地修正錯誤，不斷完善自身，并使知識越來越豐富。