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，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管理和多用戶管理的開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，通過圖數(shù)據(jù)庫存儲知識數(shù)據(jù)及其相互關(guān)系，并基于混合軟件架構(gòu)實現(xiàn)了編輯和瀏覽細(xì)粒度教科書內(nèi)容與知識結(jié)構(gòu)的交互功能。

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

中圖分類號： TP391.41 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： 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)計原理與實現(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，在知識傳播過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，它們在數(shù)據(jù)庫里的存儲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、存儲和檢索的方式難以被計算機(jī)理解和利用。如何解決傳統(tǒng)的純文本存儲方式中難以高效地對知識進(jìn)行概括或抽象描述的問題，有效地存儲和使用知識點一直是知識表示和知識管理研究中的熱點和難點。

伴隨著計算機(jī)的發(fā)展，大量電子教材隨之出現(xiàn)，電子教材的優(yōu)缺點以及它能否取代傳統(tǒng)教材一直是討論的熱點[1，2]。目前常見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)該是能夠自動根據(jù)用戶需求動態(tài)調(diào)整并生成所需文檔，可以在細(xì)粒度的知識數(shù)據(jù)管理上重建知識間的關(guān)系，并通過科學(xué)計算軟件實現(xiàn)知識的自動推理和自動計算。在電子教科書領(lǐng)域，王東明課題組開發(fā)的幾何電子教科書吸取了動態(tài)軟件的理念，專門為交互式處理幾何知識點編寫了一套用于幾何知識推理、圖表可視化、多版本教科書生成和一致性檢測的軟件工具[3，4]。這套幾何電子教科書系統(tǒng)描繪了一個具有沖擊性的、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實現(xiàn)了同時記錄書本內(nèi)容信息和用戶個人信息的功能[6]。此外還有通過加入知識表達(dá)和問題解答系統(tǒng)的電子教科書——Inquire Biology[7]，它是專門為了回答用戶問題而設(shè)計的。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)生提供個性化的學(xué)習(xí)方式和及時的數(shù)據(jù)反饋，同時綜合領(lǐng)域知識、問題求解方法、教學(xué)方法、學(xué)生資質(zhì)和個人信息進(jìn)行交互測驗[8]。

近幾年隨著移動設(shè)備的大量普及和互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，網(wǎng)頁應(yīng)用由于其學(xué)習(xí)成本低、不依賴平臺的特性得到了高速發(fā)展[9]。但隨著移動設(shè)備的激增和移動平臺的碎片化，應(yīng)用開發(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，我們啟動了一個名為LaText（Linear Algebra Textbook system）的項目，旨在結(jié)合計算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域中新興的混合應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計一套基于知識管理和知識存儲的智能電子教科書軟件。該系統(tǒng)在細(xì)粒度知識數(shù)據(jù)管理上能根據(jù)用戶需求自動生成書本內(nèi)容。本文主要研究知識體系的語義表示、知識在圖數(shù)據(jù)庫中的存儲方式以及實驗性軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)等問題。

1 ?知識數(shù)據(jù)模型設(shè)計

1.1 ?知識描述方法

知識的內(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了沒有語義信息的電子化書本內(nèi)容，這對于計算機(jī)理解和利用知識數(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)一的知識數(shù)據(jù)模型來管理和存儲知識數(shù)據(jù)。這樣的管理方式使得數(shù)據(jù)庫中的數(shù)學(xué)知識模型數(shù)據(jù)可以滿足未來研究的需求，也便于知識的融匯聚合、自由擴(kuò)展和按需索取。

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

本體語言是對特定領(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，多用于描述由對象、屬性及其關(guān)系所構(gòu)成的一套模型，如語義網(wǎng)、生物醫(yī)學(xué)信息等。就現(xiàn)有的本體語言而言，其具體結(jié)構(gòu)具有很大的相似性，大多數(shù)本體語言都包含類、個體、屬性、關(guān)系等要素，有些還包括約束、規(guī)則、公理等。類是對象或事物的種類，個體是類的一個實例，屬性是類或個體可能具有的特性等，關(guān)系是類或個體之間可能具有的聯(lián)系方式。

1.2 ?類設(shè)計

我們從語義層面、表現(xiàn)層面、標(biāo)注層面三個維度設(shè)計了領(lǐng)域知識的結(jié)構(gòu)。目前知識數(shù)據(jù)的概念模式包括三大類：知識（Knowledge）、資源（Resource）、元數(shù)據(jù)（Metadata）。所有概念模型在數(shù)據(jù)庫設(shè)計中皆是使用英語來標(biāo)識，且每一個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（Knowledge）類是用于刻畫知識內(nèi)涵的基本單位，稱為知識對象（或知識節(jié)點）。每個本體概念除了特有的屬性外都有一個唯一標(biāo)識用的ID屬性，同一種本體概念的ID互不相同，但多個不同的本體概念可以使用相同的ID。這樣的設(shè)計可以在精確編號數(shù)據(jù)的同時簡化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)使用了同一個名為determinant的id。

資源（Resource）類是可刻畫知識點的表現(xiàn)形式，描述了知識點除語義外的具體內(nèi)容是使用什么類型的資源進(jìn)行表示。元數(shù)據(jù)（Meta）類，刻畫知識對象和資源在界面中顯示的標(biāo)簽，用于多語言顯示，系統(tǒng)使用的標(biāo)簽，每一個都設(shè)為一個對象，系統(tǒng)加載是自動選擇配置文件。如圖2行列式這個概念有定義，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 ?知識關(guān)系設(shè)計

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

2 ?服務(wù)器設(shè)計

2.1 ?知識存儲設(shè)計

在智能電子教科書項目中，首先將課本文本知識按照知識結(jié)構(gòu)的存儲模型進(jìn)行拆解，然后按照知識的類型和關(guān)系將其存入數(shù)據(jù)庫，以便后續(xù)進(jìn)行管理和調(diào)用。項目初期按照知識語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)庫一般分為關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫在存儲和查找表型數(shù)據(jù)方面具有顯著的優(yōu)勢，但是用在本項目設(shè)計的數(shù)學(xué)知識存儲結(jié)構(gòu)中卻不太合適。這是因為關(guān)系型數(shù)據(jù)庫需要使用額外的表來存儲每一條數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，這樣的存儲方式不夠直觀且不便管理。相比于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫種類繁多，其中有一類數(shù)據(jù)庫稱為圖數(shù)據(jù)庫。在圖數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)不是按照表的方式而是按照圖的方式存儲的。圖的存儲方式中包含節(jié)點和邊，正好對應(yīng)知識模型中的類和關(guān)系。使用這類數(shù)據(jù)庫不需要為固化知識數(shù)據(jù)進(jìn)行額外的模型設(shè)計或改動，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源項目Neo4j[14]作為智能電子教科書的圖數(shù)據(jù)庫。Neo4j作為開源軟件擁有龐大的社區(qū)，便于資料查閱和后期維護(hù)，也能保證項目的質(zhì)量和長期運(yùn)作。作為高性能的圖數(shù)據(jù)庫，Neo4j的底層數(shù)據(jù)存儲通過圖而不是一般的數(shù)據(jù)庫表來實現(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可以跨平臺運(yùn)行在不同的服務(wù)器平臺，甚至是樹莓派這樣的嵌入式平臺，這也會對實驗性研究提供極大的幫助。Neo4j不僅包括了一般數(shù)據(jù)庫的特性，同時也是一個小型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，具備了如安全驗證、用戶登錄、web交互管理界面等企業(yè)級的特性，為電子教科書系統(tǒng)的開發(fā)提供了極大的便利。

2.2 ?文檔生成模塊設(shè)計

智能電子教科書的最終目標(biāo)是能夠根據(jù)用戶需求自動生成個性化的書本內(nèi)容。例如，在學(xué)生通過智能電子教科書學(xué)習(xí)線性代數(shù)時，則其中的內(nèi)容可以根據(jù)學(xué)生的能力自動做出適當(dāng)調(diào)整。學(xué)習(xí)能力強(qiáng)、表現(xiàn)不錯的學(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單的題目，在保證學(xué)習(xí)知識的前提下不打擊學(xué)習(xí)興趣。

在目前的軟件實現(xiàn)中先考慮如何利用知識模型自動生成文檔。在知識模型的設(shè)計中，除了一般的知識類之外，還有如Aggregation這樣的章節(jié)信息類。在現(xiàn)階段的知識點錄入中，知識數(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，發(fā)現(xiàn)章節(jié)、文檔結(jié)構(gòu)的信息類相互之間表現(xiàn)為樹狀結(jié)構(gòu)，遂以節(jié)點樹記錄原書的章節(jié)和文檔結(jié)構(gòu)，且該結(jié)構(gòu)也有利于已有知識節(jié)點的快速重復(fù)利用。

為了保存用于生成文檔的知識節(jié)點樹以便多次使用，在智能電子教科書中使用JSON文件記錄知識節(jié)點樹，將每一個知識點以樹的層級方式進(jìn)行存儲。圖4展示了具有層級關(guān)系的知識節(jié)點在線性代數(shù)第一章的結(jié)構(gòu)。圖5展示了章節(jié)點的實際構(gòu)成節(jié)點，這些節(jié)點皆是知識模型數(shù)據(jù)。

2.3 ?服務(wù)器架構(gòu)設(shè)計

服務(wù)器的操作系統(tǒng)選用Linux的一個發(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)，且兼容項目中所需的運(yùn)行庫。服務(wù)器代碼運(yùn)行在Node.js平臺上.Node.js是一個基于Chrome V8引擎的JavaScript運(yùn)行環(huán)境。由于使用了事件驅(qū)動、非阻塞式I/O的模型，它具備輕量又高效的優(yōu)點，同時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，服務(wù)器多用戶控制和日志系統(tǒng)的實現(xiàn)。

服務(wù)器通過面向?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框架實現(xiàn)的RESTful風(fēng)格API?；诖孙L(fēng)格設(shè)計的軟件更為簡潔、富有層次，易于實現(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)行長期維護(hù)[21]。該項目的RESTful API結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖6所示。

服務(wù)器的用戶登錄、會話保持與權(quán)限控制通過JSON Web Tokens（JWT）實現(xiàn)。JWT是一種用于安全表示雙方請求的開源工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)（RFC7519）[16]。服務(wù)器通過對npm[17]（Node.js包管理器）中的JWT官方庫[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)證和過濾。用戶數(shù)據(jù)在服務(wù)器中通過MongoDB進(jìn)行存儲。在服務(wù)器平臺部署MongoDB的服務(wù)端后，智能電子教科書服務(wù)器通過封裝MongoDB在npm上的官方庫對此服務(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)庫中存儲的知識模型數(shù)據(jù)，而涉及的數(shù)據(jù)操作權(quán)限可概括為數(shù)據(jù)庫的讀權(quán)限與寫權(quán)限。此外，由于知識模型數(shù)據(jù)在閱讀者使用時會由服務(wù)器自動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)計時要保持與其他權(quán)限的互斥，這樣便可以用二進(jìn)制的一個比特位來代表一種權(quán)限。例如，第一位表示數(shù)據(jù)庫的讀取權(quán)限、第二位表示數(shù)據(jù)庫的寫入權(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)的一個屬性記錄在數(shù)據(jù)庫中，在生成JWT時放入載荷中以便于用戶訪問時進(jìn)行權(quán)限驗證。

為保障服務(wù)器的正常運(yùn)行，智能教科書系統(tǒng)還需要提供一個輕量級的日志系統(tǒng)來監(jiān)控服務(wù)器的運(yùn)行狀態(tài)和敏感權(quán)限的操作。本項目中用JavaScript在Node.js下開發(fā)了一個具有多日志、日志分塊、日志舍棄和多級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日志文件大小時，會將當(dāng)前日志文件加上序號并新建一個新的日志文件繼續(xù)寫入。在日志文件總數(shù)超過最大數(shù)量約束后，日志模塊會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，同時也保障了系統(tǒng)故障之后一定時間內(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

客戶端選用的開發(fā)框架是Ionic，它是一個基于Angular 和Cordova的混合應(yīng)用架構(gòu)。Ionic底層通過Cordova實現(xiàn)與平臺無關(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現(xiàn)了大量美觀的控件。該混合應(yīng)用架構(gòu)通過將響應(yīng)式網(wǎng)頁內(nèi)容部署到瀏覽器，再將傳統(tǒng)應(yīng)用中的硬件訪問接口通過瀏覽器容器暴露給網(wǎng)頁內(nèi)容，從而實現(xiàn)一次開發(fā)、跨平臺應(yīng)用[22]。

智能電子教科書客戶端通過混合架構(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、知識模型數(shù)據(jù)編輯等）通過Cordova封裝在不同平臺的客戶端以提供相同的用戶體驗。這樣的架構(gòu)可以減少用戶對于高性能硬件的需求，但又可以提供相同的用戶體驗。此外，服務(wù)端沒有像移動端那樣的軟硬件限制，可以更好地實現(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)器生成的帶有語義的文檔緩存通過處理生成適合閱讀且美觀的HTML文檔，同時在渲染的過程中還需在每個知識節(jié)點處加入跳轉(zhuǎn)的錨記和編輯的按鈕。編輯功能通過使用編輯器庫CKEditor[19]實現(xiàn)數(shù)學(xué)公式友好的知識點編輯。文檔渲染和編輯預(yù)覽中的數(shù)學(xué)公式渲染由MathJax庫[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)庫展示

數(shù)據(jù)庫存儲了智能電子教科書系統(tǒng)中重要的用戶信息、知識模型數(shù)據(jù)。本項目使用的數(shù)據(jù)庫包括用于存儲用戶數(shù)據(jù)的MongoDB分布式文件數(shù)據(jù)庫和用于存儲知識模型數(shù)據(jù)的Neo4j圖數(shù)據(jù)庫，其中Neo4j存儲的知識模型數(shù)據(jù)是本項目的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。圖11展示了用于構(gòu)建線性代數(shù)第一章知識模型數(shù)據(jù)的節(jié)點拓?fù)鋱D，圖12展示了圖11中所圈數(shù)據(jù)節(jié)點的詳細(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)平臺和分辨率分為桌面端界面和移動端界面。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，這是因為編輯是對各知識類及其相應(yīng)關(guān)系的編輯，搜索也是基于知識類的各種屬性、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)來源于服務(wù)器根據(jù)JSON結(jié)構(gòu)樹自動生成的文檔緩存。文檔緩存經(jīng)由HTTP協(xié)議傳輸?shù)娇蛻舳撕髣討B(tài)渲染為文檔頁面?？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）通過編輯按鈕對知識點及時進(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，從知識模型、服務(wù)器和客戶端設(shè)計三個方面對智能電子教科書系統(tǒng)的實現(xiàn)原理展開研究，實現(xiàn)了一個初級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)計框架。目前最新版本的智能電子教科書系統(tǒng)已經(jīng)能夠為用戶提供知識點的增刪查改、知識點數(shù)據(jù)的拓?fù)鋱D瀏覽以及知識點的檢索等功能，同時能夠根據(jù)用戶需求自動生成書本內(nèi)容并將其渲染展示。為了實現(xiàn)教科書內(nèi)容的精確查詢、數(shù)學(xué)表達(dá)式的自動計算和書本內(nèi)容的自動生成等功能，今后智能電子教科書系統(tǒng)的研究將致力于設(shè)計和開發(fā)一種介于自然語言和軟件可識別語言之間的中間語言，用于完成知識數(shù)據(jù)在兩種語言間的互相轉(zhuǎn)換，進(jìn)而實現(xiàn)用戶友好的文檔展示和軟件工具的自動計算與自動推理。此外，利用互聯(lián)網(wǎng)的群體協(xié)作能力可以調(diào)動大量用戶的群體智慧參與到知識內(nèi)容的創(chuàng)作中。隨著教科書內(nèi)容的不斷完善，還可針對特定領(lǐng)域通過科學(xué)計算工具（如WolframAlpha，Maple等）實現(xiàn)自動計算、自動推理等功能，在此基礎(chǔ) ? ?上可針對教育領(lǐng)域開發(fā)自動測評和反饋的功能，并根據(jù)反饋信息自動生成符合用戶需求的書本和測試內(nèi)容。

未來軟件的全平臺或跨平臺趨勢已經(jīng)不可阻擋，云應(yīng)用就是一個很好的例子。近年來混合應(yīng)用經(jīng)過快速發(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。本文除了對知識存儲和知識管理等理論展開研究外，也是一次理論研究與工程實踐的結(jié)合，通過混合應(yīng)用技術(shù)來實現(xiàn)前景廣闊的智能電子教科書系統(tǒng)。本文實現(xiàn)的智能電子教科書系統(tǒng)只是一個初級版本，希望這些理論和項目基礎(chǔ)可以為后續(xù)研究做出貢獻(xiàn)。

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