張俊杰，方文波

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基于知識(shí)點(diǎn)的智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)

張俊杰，方文波

（武漢紡織大學(xué) 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 武漢 430073）

介紹一種智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)，該智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)沒(méi)有試題庫(kù)，能根據(jù)知識(shí)點(diǎn)生成無(wú)窮道難度相同、不重復(fù)的題目，能有效防止學(xué)生作弊，并提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。教師使用該系統(tǒng)能全面了解學(xué)生的知識(shí)點(diǎn)掌握情況，便于在教學(xué)過(guò)程中不斷調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)。該系統(tǒng)應(yīng)用以來(lái)，已有5萬(wàn)多學(xué)生使用，使用次數(shù)達(dá)100萬(wàn)人次，教學(xué)效果良好。

知識(shí)點(diǎn)；智能；E-Learning；學(xué)習(xí)診斷

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益普及，遠(yuǎn)程教育以其開(kāi)放性、共享性和交互性等諸多優(yōu)點(diǎn)不斷地改變著傳統(tǒng)教育。雖然現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育的發(fā)展使得基于網(wǎng)絡(luò)的自主學(xué)習(xí)進(jìn)入前所未有的繁榮時(shí)期，并且已經(jīng)取得了一些成果，但是課堂教學(xué)的模式依然普遍存在，現(xiàn)有的大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)都普遍存在資源混雜、缺少反饋機(jī)制以及較差的測(cè)試和評(píng)價(jià)功能等問(wèn)題。更由于在日常的實(shí)踐教學(xué)中缺乏對(duì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力進(jìn)行有針對(duì)性的培養(yǎng)，缺乏對(duì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)有效指導(dǎo)，因此，網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)在對(duì)學(xué)習(xí)者自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)方面存在明顯的弊病[1]：

（1）缺少有效的引導(dǎo)機(jī)制：由于學(xué)習(xí)者自主學(xué)習(xí)能力和控制能力比較差，在網(wǎng)絡(luò)中盲目漫游，既浪費(fèi)了時(shí)間又達(dá)不到學(xué)習(xí)目標(biāo)。所以在參加網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的過(guò)程中，需要有效的引導(dǎo)機(jī)制加以引導(dǎo)。

（2）系統(tǒng)的智能性較低：不能根據(jù)學(xué)習(xí)者的水平和學(xué)習(xí)情況提供合適的、個(gè)性化的、交互的學(xué)習(xí)環(huán)境，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣；無(wú)法根據(jù)學(xué)習(xí)者當(dāng)前的薄弱環(huán)節(jié)，提供學(xué)習(xí)者補(bǔ)漏的提示和相應(yīng)的學(xué)習(xí)計(jì)劃。系統(tǒng)的智能水平在設(shè)計(jì)階段就已經(jīng)基本定型，所謂智能只是對(duì)專家知識(shí)部分的、有限的的反應(yīng)，不能根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況不斷的修改和豐富知識(shí)。

2 創(chuàng)新點(diǎn)

現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)課程，存在的最大問(wèn)題就是智能化程度太低，而本系統(tǒng)：首先，能夠根據(jù)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)情況，選擇出合適的知識(shí)點(diǎn)提供給學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)。其次，能夠全面掌握學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)狀態(tài)，知道學(xué)習(xí)者已經(jīng)學(xué)過(guò)哪些知識(shí)點(diǎn)，哪些知識(shí)點(diǎn)雖然學(xué)過(guò)但學(xué)習(xí)效果不好需要加強(qiáng)學(xué)習(xí)，這樣可以方便學(xué)習(xí)者隨時(shí)掌握自己的學(xué)習(xí)情況。第三，能對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行智能輔導(dǎo)。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中教師能根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和進(jìn)度。

2.1 本系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)

（1）基于知識(shí)點(diǎn)而不是試題庫(kù)，生成無(wú)窮多道不重復(fù)的題目。

（2）題型豐富有判斷題、填空題、計(jì)算題、幾何題、證明題。

2.2 傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)

傳統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)都設(shè)有試題庫(kù)，系統(tǒng)根據(jù)抽題算法選擇題目，有如下缺點(diǎn)：

（1）雖然有很多算法來(lái)保證出題質(zhì)量，但是選出的題還是帶有一些偶然性，知識(shí)點(diǎn)可能會(huì)重復(fù)或者漏掉。

（2）學(xué)生自主學(xué)習(xí)完后，只能知道本次測(cè)試的成績(jī)以及那些題目正確，那些題目錯(cuò)誤，無(wú)法了解對(duì)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，對(duì)后續(xù)學(xué)習(xí)沒(méi)有指導(dǎo)建議。

（3）教師也只能根據(jù)學(xué)生的測(cè)試成績(jī)了解全班同學(xué)對(duì)知識(shí)的大概掌握情況，無(wú)法掌握全班同學(xué)對(duì)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，對(duì)后續(xù)教學(xué)不能因地制宜的開(kāi)展。

（4）在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)，和最終的期末考試脫節(jié)，教師不容易控制期末考試的難度。

2.3 本系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

（1）基于同一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，生成無(wú)窮多道難度相同，沒(méi)有重復(fù)的題目，能保證所有知識(shí)點(diǎn)的完全覆蓋。

（2）便于學(xué)生學(xué)習(xí)，前期：學(xué)生知道自己那些知識(shí)點(diǎn)掌握的好，那些掌握的不好，便于自主學(xué)習(xí)。

（3）便于教師教學(xué)，中期：教師知道自己班上學(xué)生那些知識(shí)點(diǎn)掌握的好，那些掌握的不好，便于因材施教調(diào)整教學(xué)。

（4）便于控制最終教學(xué)效果。后期：教師在期末考試前，已經(jīng)知道學(xué)生對(duì)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況了，能很好控制卷子難度，便于考查學(xué)生的綜合學(xué)習(xí)情況。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 知識(shí)點(diǎn)模板[2]

本系統(tǒng)是以武漢紡織大學(xué)方文波教授的《線性代數(shù)及其應(yīng)用》為藍(lán)本進(jìn)行設(shè)計(jì)，每章設(shè)有一套測(cè)試題，試題有五種題型：判斷題、填空題、計(jì)算題、幾何題和證明題。每套測(cè)試題有18道試題，共90道題。每道題就是一個(gè)知識(shí)點(diǎn)模板，本測(cè)試系統(tǒng)由90個(gè)不同的知識(shí)點(diǎn)模板構(gòu)成，每一個(gè)試題模板就相當(dāng)于一個(gè)類，每次系統(tǒng)生成題目就是一次試題模板實(shí)例化從而產(chǎn)生一個(gè)具體對(duì)象的過(guò)程，每次實(shí)例化時(shí)試題模板的數(shù)據(jù)都是按照一定要求隨機(jī)產(chǎn)生的，所以本系統(tǒng)能保證產(chǎn)生同一知識(shí)點(diǎn)的無(wú)窮道試題并且每次題目的難度相同。

以第五章測(cè)試題中計(jì)算機(jī)題為例說(shuō)明。（注：為了真實(shí)展示系統(tǒng)，以下舉例都是直接從測(cè)試系統(tǒng)中截圖）

第一次生成的試題如圖1所示：

圖1 第一次生成的試題

第二次進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，題目已經(jīng)變成如圖2所示：

圖2 第二次進(jìn)入系統(tǒng)所生成的試題

對(duì)比上面兩次生成的題目，可以看出他們都是同一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，但是每次進(jìn)入系統(tǒng)后看到的題目里面的參數(shù)都是不一樣的。

3.2 有知識(shí)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)分析功能

傳統(tǒng)在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)只能統(tǒng)計(jì)出學(xué)生的平均分，方差，期望等等數(shù)據(jù)，通過(guò)這些數(shù)據(jù)，教師只能知道學(xué)生的整體情況，無(wú)法掌握每位學(xué)生對(duì)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，也就無(wú)法通過(guò)這些數(shù)據(jù)對(duì)教學(xué)進(jìn)行調(diào)整。本測(cè)試系統(tǒng)可以精確掌握每位學(xué)生對(duì)于每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，教師可以根據(jù)這些信息，及時(shí)、有針對(duì)性的展開(kāi)教學(xué)工作。

3.3 系統(tǒng)展示

“線性代數(shù)智能教學(xué)平臺(tái)”（見(jiàn)圖3），采用了C/S模式，其客戶端完成試題的生成、試題的批改、試題的解答，服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫(kù)只存放各類用戶的登錄信息和每次的測(cè)試成績(jī)。用戶安裝客戶端后，可在任何地方通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接本系統(tǒng)。該系統(tǒng)的用戶分為四個(gè)級(jí)別：無(wú)級(jí)管理員、超級(jí)管理員、管理員和學(xué)生用戶[3]。

圖3 每章學(xué)習(xí)情況

圖4 學(xué)生自己的知識(shí)點(diǎn)掌握情況

4 系統(tǒng)展示

4.1 測(cè)試結(jié)果展示，讓學(xué)生了解每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的得分情況

如圖4所示，學(xué)生通過(guò)本系統(tǒng)能知道自己每章最好成績(jī)和當(dāng)時(shí)測(cè)試所需要的時(shí)間是多少，這樣能知道自己那章掌握的好，那章掌握的不好，為期末考試復(fù)習(xí)合理分配復(fù)習(xí)時(shí)間，提高復(fù)習(xí)效率，最終達(dá)到提高學(xué)習(xí)成績(jī)的目的。

具體到知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生做完每章測(cè)試題，馬上能看到成績(jī)分析報(bào)告，如圖4所示，本次測(cè)試知識(shí)點(diǎn)有行列式、矩陣及其運(yùn)算、初等變換、線性相關(guān)性、方程組的解和相似矩陣及二次型這樣六大知識(shí)點(diǎn)并列出了每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的分值。下面是本次測(cè)試的成績(jī)和各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的得分情況，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)這些信息給出相關(guān)的測(cè)試結(jié)果，告訴學(xué)生那些知識(shí)點(diǎn)掌握好了，那些知識(shí)點(diǎn)掌握的不好，并且能給出整體的結(jié)論。

有了這些信息，學(xué)生在做完測(cè)試后能馬上知道自己各個(gè)知識(shí)點(diǎn)掌握的情況，并根據(jù)系統(tǒng)給出的建議，有針對(duì)性的復(fù)習(xí)。

4.2 教師了解全班學(xué)生知識(shí)點(diǎn)掌握情況

如圖5所示，教師通過(guò)系統(tǒng)的查詢統(tǒng)計(jì)功能，可以全面了解整個(gè)班級(jí)第三章各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，信科101班方程組有解的條件掌握最好，而幾何題證明題掌握最差，有了這些信息，以后在教學(xué)中就知道哪些知識(shí)點(diǎn)可以簡(jiǎn)略的講，哪些知識(shí)點(diǎn)需要重點(diǎn)講解了。

圖5 全班知識(shí)點(diǎn)掌握情況

如果教師希望知道某個(gè)學(xué)生某章各知識(shí)點(diǎn)的掌握情況也可以通過(guò)該系統(tǒng)查詢得到，如圖6所示，信科101班周念這位學(xué)生第三章中每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。這樣教師就可以準(zhǔn)確知道每位學(xué)生每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，可以針對(duì)每位學(xué)生開(kāi)展個(gè)性化教學(xué)。

圖6 某學(xué)生知識(shí)點(diǎn)掌握情況

5 結(jié)論與展望

武漢紡織大學(xué)線性代數(shù)智能教學(xué)平臺(tái)于2006年9月正式用于教學(xué)，全國(guó)已有80多所高校使用，注冊(cè)用戶5萬(wàn)多人，測(cè)試次數(shù)達(dá)100多萬(wàn)人次（圖7）。90%的同學(xué)認(rèn)為該系統(tǒng)對(duì)學(xué)生非常有幫助，并對(duì)該系統(tǒng)給予了很高的評(píng)價(jià)，喜歡利用該系統(tǒng)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。該系統(tǒng)自使用以來(lái)，取得了良好的教學(xué)效果。

系統(tǒng)展望：

（1）使用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，通過(guò)以往積累的大量數(shù)據(jù)，挖掘出更多有價(jià)格的信息，更進(jìn)一步對(duì)教學(xué)改革提供依據(jù)。

（2）加入更多人工智能反饋策略。如根據(jù)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握狀況來(lái)出題，掌握的好的知識(shí)點(diǎn)少出題，掌握的不好的知識(shí)點(diǎn)多出題。

（3）加入難度選擇，目前所有使用者使用該系統(tǒng)時(shí)，難度完全一樣，以后準(zhǔn)備加入難度選擇，如把試題分為易、中、難三個(gè)等次，考生可以根據(jù)自己的實(shí)際情況選擇不同難度的試題測(cè)試。

圖7 每章測(cè)試次數(shù)和注冊(cè)用戶數(shù)

[1] 王衛(wèi)娜. 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中自主學(xué)習(xí)存在的問(wèn)題及解決方法[J]. 中國(guó)教育技術(shù)裝備，2012，(6):151-152.

[2] The Design and Realization of the Intelligentized Online Testing System Based on Templates [C]. 2009 The 2nd International Symposium on Knowledge Acquisition and Modeling, 2009. 548-551.

[3] Fang Wen-bo. Research and practice on the teaching mode of linear algebra course under the condition of information technology [C]. ACC, 2009, 343-346.

Intelligent Learning System Based on Knowledge Point

ZHANG Jun-jie, FANG Wen-bo

(College of Mathematics & Computer Science, Wuhan Textile University,Wuhan Hubei 430073, China)

This article describes an intelligent learning system; the learning system does not have the test database. This system can generated billions of questions based on knowledge points. Therefore, through this method, we can prevent students from cheating effectively and increase students' study interest. The teachers use this system to understand how many points of the knowledge students have learned, and adjust content constantly in order to improve student achievement in the teaching process. Up to now, more than 50,000 students have applied this system, the frequency of use of up to one million people, and learning effect is obvious.

Knowledge Point; Intelligent; E-Learning; Learning Diagnosis

G434

A

2095－414X(2013)03－0064－04

張俊杰（1980-），男，碩士，講師，研究方向：數(shù)據(jù)挖掘、教育技術(shù).

湖北省統(tǒng)計(jì)科研計(jì)劃項(xiàng)目（HB112－20）.