基于深度學習中小學生錯題本的設計與實現

黃園媛 張鈺霖 梁滌青 肖紅光

（長沙理工大學計算機與通信工程學院 湖南長沙 410114）

在中小學生的日常練習中，經常會產生各類的錯題，其是學生自主學習的重要資源，能夠幫助學生了解自己的學習情況，能較為有效地避免錯誤重復出現的可能［1］。不過，手寫整理錯題本其實是非常繁瑣的，會給學生增加額外的學習負擔［2］，手寫的錯題本還存在不便查找、易丟失、易弄臟的缺點，使得學生難以進行針對性的復習，也無法直觀地反映學生對錯題的掌握程度，使得錯題本的作用大打折扣。盡管目前市面上已有多款錯題本APP，但其缺乏對錯題的復習和鞏固練習的關注。因此，設計并實現既能夠方便學生管理錯題，又可以幫助他們復習鞏固錯題、強化訓練未完全掌握的知識點的錯題軟件，具有較強的現實意義。

1 系統設計

分析研究其他相關的應用軟件，結合中小學生對錯題本的需求，該軟件系統設計了3個功能模塊，即管理用戶模塊、管理錯題本模塊、管理錯題模塊，如圖1所示。

圖1 系統功能結構

（1）用戶模塊：用戶注冊與登錄功能。

（2）管理錯題本模塊：錯題本基本的創建、刪除和展示錯題本列表功能。

（3）管理錯題模塊：采用圖像文字識別技術，實現錄入錯題、查看錯題詳情、編輯錯題、搜索錯題、推薦相似錯題和組卷自測功能，以及記錄錯題的熟練度。

軟件特別設計的熟練度模塊、推薦相似錯題及組卷自測功能都旨在幫助學生鞏固錯題，更高效直觀地反映用戶對不同錯題的掌握情況，并對錯題本中的錯題進行針對性的強化訓練。

2 關鍵技術

本軟件的特色亮點是熟練度標識系統和相似錯題推薦，市面上的軟件未見類似功能。通過完成錯題自測、系統推薦的相似錯題和組卷自測，進行自主學習，增加錯題的熟練度，減少反復錯誤的出現。借助軟件，幫助缺少了再學習、再認識、再總結、再提高過程的學生［3］。

在錄入錯題時，為操作便捷、節約學生時間、更完整地記錄錯，除提供編輯文字外，還采用了百度AI 平臺的OCR（Optical Character Recognition，OCR）文字識別來識別錯題文本和存儲錯題圖片，提供多種形式自主記錄［4］。依托百度優秀的深度學習算法和海量優質數據，針對特殊情況，進行專項優化，關鍵字段識別準確率高達99%，其提供高可靠性、彈性可伸縮、高并發承載的文字識別服務，服務可用性高達99.99%，軟件使用百度提供的SDK 實現對圖像的文字提取。此外，結合網絡爬蟲技術，利用關鍵詞，從公網中挖掘相似的錯題，存入軟件系統的錯題數據庫中，豐富錯題數據庫的題量，提高系統的實用性。二者在軟件中的具體實現過程如圖2所示。

圖2 使用文字識別錄入錯題與相似錯題入庫

從性能方面考慮，若將圖片直接存儲于數據庫，將占據大量空間，嚴重降低軟件性能，故本軟件借助阿里云OSS（Object Storage Service）對象存儲技術來保存圖片。本軟件采用文本匹配相似度算法，從錯題數據庫中推薦相似的錯題供學生練習，實現舉一反三、以練促學的目的。

3 軟件實現

3.1 用戶模塊

用戶模塊包含注冊和登錄。注冊與登錄都需要用戶提供手機號（或用戶名）和密碼，其中，用戶設置密碼時需要進行有效性校驗，保證密碼具有較高的復雜性，使其不易被攻擊。當用戶設置的密碼通過校驗后，系統將對其進行MD5加密，使用得到的密文進行傳輸與存儲。登錄時，校驗密碼則通過密文匹配將用戶輸入的密碼經過相同的MD5加密過程后進行密文匹配。

3.2 錯題本管理

錯題本模包含3個主要功能：查看錯題本列表、創建錯題本及刪除錯題本。查看錯題本列表：在錯題本管理界面可查看所有錯題本，此外，為了方便用戶使用，在首頁也設置有常用錯題本一欄（顯示最常用的4個錯題本）。創建錯題本：需要用戶填寫錯題本的名稱及所屬學科，這會方便錯題本的分類和管理，幫助學生歸納總結。刪除錯題本：通過長按錯題本進行操作。

3.3 錯題管理

錯題管理模塊包含錯題錄入、查看詳情和關鍵詞搜索功能。特別設計有相似錯題推薦及組卷自測功能，針對性解決傳統錯題本不方便進行錯題的鞏固復習和自查是否已掌握的痛點，加強學生對錯題的練習。根據美國心里學家桑代克提出的學習理論，練習次數越多，則聯結越穩定；練習次數越少，則聯結越薄弱［5］。

（1）錄入錯題。錄入錯題需要填寫的信息：題目文本、題目圖片、題目的答案、題目標簽（如不懂、模糊、做錯）及題目分類（自定義分類關鍵詞），其中，題目標簽關系到復習提醒，題目分類關系到相似錯題推薦。為了使得錄入錯題方便，采用圖像提取文本，直接通過上傳題目圖片進行文字識別來完成［6］。

（2）相似題目。軟件系統會推薦至多5 個相似錯題，完成相似錯題也會增加熟練度推薦的相似錯題。首先會隱藏題目的答案，點擊可查看，這是為了激發用戶對錯題的思考，達到鞏固強化的目的，并且錯題和相似錯題都可進行自測，自測的完成情況將和錯題的熟練度相關。

（3）關鍵詞搜索：根據關鍵詞檢測搜索錯題，與關鍵詞相關的錯題將會顯示在搜索結果列表中，并且會顯示題干、來源于哪個錯題本、熟練度及錯題的標簽等信息。

（4）組卷自測：選擇組卷測試，系統根據該用戶的錯題庫選擇高相似度題目組成試卷，對用戶進行綜合測試。用戶可以從測試結果得到反饋，從而得到真實情況，以便真正理解錯題。組卷自測有兩種模式，一種為復習模式，另一種為測驗模式，如圖3所示。

圖3 組卷自測界面

復習模式按錯題本中熟練度從小到大來自測復習。當用戶提交每道題的答案后，系統后臺將自動批閱，如果某道題目回答錯誤，則該題目對應的用戶錯題的糾錯結果反饋為未通過檢查，并提醒用戶繼續糾正。測驗模式根據錯題本中的錯題在題庫中找相似錯題來練習，測驗模式答對，可增加原錯題熟練度［7］。

此外，用戶通過每日瀏覽、自測推薦相似錯題、完成組卷測驗（答對熟練度增加反之減少）的錯題測驗改變相應錯題的熟練度。

4 結語

錯題本的利用在中小學生的學習當中具有相當重要的地位。利用圖像文字識別等深度學習技術，設計實現一款電子錯題本軟件，幫助中小學生進行高效的錯題管理，協助中小學科學使用錯題本，培養復習鞏固錯題的良好習慣。同時，本軟件在后續也需要進行優化，收集更多的易錯題數據，使系統推薦相似錯題的選擇更多、更準確；推薦相似錯題算法也可以進行改進，研究進一步提高匹配效率與質量。