基于知識點的智能學習系統

張俊杰，方文波

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基于知識點的智能學習系統

張俊杰，方文波

（武漢紡織大學 數學與計算機學院，湖北 武漢 430073）

介紹一種智能學習系統，該智能學習系統沒有試題庫，能根據知識點生成無窮道難度相同、不重復的題目，能有效防止學生作弊，并提高學生學習興趣。教師使用該系統能全面了解學生的知識點掌握情況，便于在教學過程中不斷調整教學內容，提高學生學習成績。該系統應用以來，已有5萬多學生使用，使用次數達100萬人次，教學效果良好。

知識點；智能；E-Learning；學習診斷

1 引言

隨著計算機和網絡技術的日益普及，遠程教育以其開放性、共享性和交互性等諸多優點不斷地改變著傳統教育。雖然現代遠程教育的發展使得基于網絡的自主學習進入前所未有的繁榮時期，并且已經取得了一些成果，但是課堂教學的模式依然普遍存在，現有的大多數網絡學習系統都普遍存在資源混雜、缺少反饋機制以及較差的測試和評價功能等問題。更由于在日常的實踐教學中缺乏對學生自主學習能力進行有針對性的培養，缺乏對學生自主學習有效指導，因此，網絡學習平臺在對學習者自主學習能力的培養方面存在明顯的弊病[1]：

（1）缺少有效的引導機制：由于學習者自主學習能力和控制能力比較差，在網絡中盲目漫游，既浪費了時間又達不到學習目標。所以在參加網絡學習的過程中，需要有效的引導機制加以引導。

（2）系統的智能性較低：不能根據學習者的水平和學習情況提供合適的、個性化的、交互的學習環境，調動學習者的學習興趣；無法根據學習者當前的薄弱環節，提供學習者補漏的提示和相應的學習計劃。系統的智能水平在設計階段就已經基本定型，所謂智能只是對專家知識部分的、有限的的反應，不能根據實際應用情況不斷的修改和豐富知識。

2 創新點

現有的網絡課程，存在的最大問題就是智能化程度太低，而本系統：首先，能夠根據學習者的學習情況，選擇出合適的知識點提供給學習者學習。其次，能夠全面掌握學習者的學習狀態，知道學習者已經學過哪些知識點，哪些知識點雖然學過但學習效果不好需要加強學習，這樣可以方便學習者隨時掌握自己的學習情況。第三，能對學習者進行智能輔導。學生在學習過程中教師能根據學生的學習情況調整教學內容和進度。

2.1 本系統創新點

（1）基于知識點而不是試題庫，生成無窮多道不重復的題目。

（2）題型豐富有判斷題、填空題、計算題、幾何題、證明題。

2.2 傳統測試系統

傳統的測試系統都設有試題庫，系統根據抽題算法選擇題目，有如下缺點：

（1）雖然有很多算法來保證出題質量，但是選出的題還是帶有一些偶然性，知識點可能會重復或者漏掉。

（2）學生自主學習完后，只能知道本次測試的成績以及那些題目正確，那些題目錯誤，無法了解對各個知識點的掌握情況，對后續學習沒有指導建議。

（3）教師也只能根據學生的測試成績了解全班同學對知識的大概掌握情況，無法掌握全班同學對各個知識點的掌握情況，對后續教學不能因地制宜的開展。

（4）在線學習系統，和最終的期末考試脫節，教師不容易控制期末考試的難度。

2.3 本系統優點

（1）基于同一個知識點，生成無窮多道難度相同，沒有重復的題目，能保證所有知識點的完全覆蓋。

（2）便于學生學習，前期：學生知道自己那些知識點掌握的好，那些掌握的不好，便于自主學習。

（3）便于教師教學，中期：教師知道自己班上學生那些知識點掌握的好，那些掌握的不好，便于因材施教調整教學。

（4）便于控制最終教學效果。后期：教師在期末考試前，已經知道學生對各個知識點的掌握情況了，能很好控制卷子難度，便于考查學生的綜合學習情況。

3 關鍵技術

3.1 知識點模板[2]

本系統是以武漢紡織大學方文波教授的《線性代數及其應用》為藍本進行設計，每章設有一套測試題，試題有五種題型：判斷題、填空題、計算題、幾何題和證明題。每套測試題有18道試題，共90道題。每道題就是一個知識點模板，本測試系統由90個不同的知識點模板構成，每一個試題模板就相當于一個類，每次系統生成題目就是一次試題模板實例化從而產生一個具體對象的過程，每次實例化時試題模板的數據都是按照一定要求隨機產生的，所以本系統能保證產生同一知識點的無窮道試題并且每次題目的難度相同。

以第五章測試題中計算機題為例說明。（注：為了真實展示系統，以下舉例都是直接從測試系統中截圖）

第一次生成的試題如圖1所示：

圖1 第一次生成的試題

第二次進入系統時，題目已經變成如圖2所示：

圖2 第二次進入系統所生成的試題

對比上面兩次生成的題目，可以看出他們都是同一個知識點，但是每次進入系統后看到的題目里面的參數都是不一樣的。

3.2 有知識點的統計分析功能

傳統在線學習系統只能統計出學生的平均分，方差，期望等等數據，通過這些數據，教師只能知道學生的整體情況，無法掌握每位學生對各個知識點的掌握情況，也就無法通過這些數據對教學進行調整。本測試系統可以精確掌握每位學生對于每個知識點的掌握情況，教師可以根據這些信息，及時、有針對性的展開教學工作。

3.3 系統展示

“線性代數智能教學平臺”（見圖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，服務器端的數據庫只存放各類用戶的登錄信息和每次的測試成績。用戶安裝客戶端后，可在任何地方通過互聯網連接本系統。該系統的用戶分為四個級別：無級管理員、超級管理員、管理員和學生用戶[3]。

圖3 每章學習情況

圖4 學生自己的知識點掌握情況

4 系統展示

4.1 測試結果展示，讓學生了解每個知識點的得分情況

如圖4所示，學生通過本系統能知道自己每章最好成績和當時測試所需要的時間是多少，這樣能知道自己那章掌握的好，那章掌握的不好，為期末考試復習合理分配復習時間，提高復習效率，最終達到提高學習成績的目的。

具體到知識點，學生做完每章測試題，馬上能看到成績分析報告，如圖4所示，本次測試知識點有行列式、矩陣及其運算、初等變換、線性相關性、方程組的解和相似矩陣及二次型這樣六大知識點并列出了每個知識點的分值。下面是本次測試的成績和各個知識點的得分情況，系統會根據這些信息給出相關的測試結果，告訴學生那些知識點掌握好了，那些知識點掌握的不好，并且能給出整體的結論。

有了這些信息，學生在做完測試后能馬上知道自己各個知識點掌握的情況，并根據系統給出的建議，有針對性的復習。

4.2 教師了解全班學生知識點掌握情況

如圖5所示，教師通過系統的查詢統計功能，可以全面了解整個班級第三章各個知識點的掌握情況，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，以后在教學中就知道哪些知識點可以簡略的講，哪些知識點需要重點講解了。

圖5 全班知識點掌握情況

如果教師希望知道某個學生某章各知識點的掌握情況也可以通過該系統查詢得到，如圖6所示，信科101班周念這位學生第三章中每個知識點的掌握情況。這樣教師就可以準確知道每位學生每個知識點的掌握情況，可以針對每位學生開展個性化教學。

圖6 某學生知識點掌握情況

5 結論與展望

武漢紡織大學線性代數智能教學平臺于2006年9月正式用于教學，全國已有80多所高校使用，注冊用戶5萬多人，測試次數達100多萬人次（圖7）。90%的同學認為該系統對學生非常有幫助，并對該系統給予了很高的評價，喜歡利用該系統進行自主學習。該系統自使用以來，取得了良好的教學效果。

系統展望：

（1）使用數據挖掘技術，通過以往積累的大量數據，挖掘出更多有價格的信息，更進一步對教學改革提供依據。

（2）加入更多人工智能反饋策略。如根據學生對知識點的掌握狀況來出題，掌握的好的知識點少出題，掌握的不好的知識點多出題。

（3）加入難度選擇，目前所有使用者使用該系統時，難度完全一樣，以后準備加入難度選擇，如把試題分為易、中、難三個等次，考生可以根據自己的實際情況選擇不同難度的試題測試。

圖7 每章測試次數和注冊用戶數

[1] 王衛娜. 計算機網絡中自主學習存在的問題及解決方法[J]. 中國教育技術裝備，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：數據挖掘、教育技術.

湖北省統計科研計劃項目（HB112－20）.