程序设计课程案例知识系统的CBR技术应用,高等教育论文.docx

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1、程序设计课程案例知识系统的CBR技术应用,高等教育论文实践教学环节是程序设计课程非常重要的组成部分， 构建一个具有教学案例知识获取、存储、分享和应用等功能的知识管理系统具有特别重要的教学意义。 1 CBR 的工作机制 知识管理系统的关键技术是知识融合和模型构建， 它们是系统开发中的难点，基于案例推理CaseBased Reasoning，CBR技术是这一问题比拟好的解决方案。 CBR 最早于 1982 年由 美国耶 鲁大学 Roger Schank 教授 在 其 论 着 Dynamic inMemory 中提出，是人工智能中较新的一项推理技术，它的中心思想是通过应用类比推理选择和转换先前已经解

2、决的设计问题来获取新的解决方案，强调人在解决新问题时，利用积累下来的过去类似情况的处理经历体验通过适当修改正过错去类似情况的处理方式方法来解决新问题。 根据 CBR 的思想， 利用 CBR 技术在知识管理系统中构造案例库通常需要 案例表示 、 案例检索 、 案例重用 和 案例保存 等环节，整个推理经过可表示为如此图 1 的形式，其实图示的推理经过形式也是 CBR 界使用最为广泛的由 Aamodt 和Plaza 提出的 4R 推理形式。案例表示是案例检索的前提，在 CBR 系统的案例知识库中处于中心地位， 案例表示的方式方法能否合理关系到案例知识处理的效率和应用范围，所以案例表示的良好设计是 C

3、BR 系统中的一项关键问题。 案例检索主要的功能是实现案例的查询，它的准确度很大程度上决定了一个 CBR 系统的价值。 不同领域的CBR 系统的案例检索方式方法有所不同 ，但经太多年的发展 ，这方面也有了一些较为通用的技术，例如：近期相邻策略、归纳推理策略和基于连锁激活的类似检索算法等， 本文所述的系统在案例检索实现时采用的是当前应用最广泛的近期相邻策略算法。 案例重用也称之为案例修改， 是 CBR 中最具挑战性的问题之一， 由于案例重用的本质上是使用过去的经历体验解决新碰到的问题， 所以存在不管过去的经历体验有多丰富都可能无法解决当下出现的问题， 当前比拟常用的案例修改方式方法有构造修改和诱

4、导修改。 当 CBR 系统用于解决新问题时，假如案例库中的源案例和目的案例之间的类似度大于预设的阀值时， 能够直接借鉴源案例使用的过去经历体验，但类似度相差较大时，那么就需要更多的领域知识或人为参与重用的经过，在解决问题之后，应当将后面的解决经历体验作为一个新的案例存储于案例库中，也只要使 CBR 系统中的教学案例越来越丰富，才能使问题求解的效率越来越高，CBR 系统的推理能力才能不断提高 ， 因而案例保存也是 CBR系统中的关键一环。 2 程序设计课程案例知识系统的 CBR 技术应用 CBR 技术当前已经被广泛地应用到了机械 CAD、 医疗卫生、 企业管理和军事等领域， 在教育领域也有了一些

5、成功的应用， 如重庆工商职业学院已经将 CBR 技术成功地应用到了CAD CAM 技术课程。事实上，程序设计课程与 CAD CAM 技术课程一样，也具有一个特性：实践性非常强，编程能力在很大程度上是通过实践性环节获取的， 有赖于实践性经历体验知识的积累，所以 CBR 知识管理系统也非常合适于应用在程序设计类的课程。 为此，基于 CBR 的工作机制，我们设计实现了一套程序设计课程的案例知识管理系统，图 2 是该系统的主要功能模块，这些模块是从用户角色角度划分的，老师用户主要负责案例上传、案例修改和案例保存，被受权为 专家 的老师用户还需要负责案例审核，而学生用户主要是在学习经过中碰到问题时，在系

6、统中执行案例查询，检索出有效的问题解决方案，当然学生用户可以以在案例分析之后对案例做反应， 可以在线与其他师生进行沟通和共享。系统的实现经过中，关键技术主要还是具体表现出在 案例表示 、 案例检索 、 案例重用 和 案例保存 等环节，详细的实现方案如下： 1案例表示 对于案例的描绘叙述，当前还没有一个很好的标准，不同的知识领域其知识描绘叙述的方式会有所不同。 不过，一个合格的案例应该至少包含两部分：案例发生的背景或原因；案例的结果，即解决方式方法及效果。 结合程序设计课程的特点，本系统的案例描绘叙述由 案例背景 、 案例分析 、 案例效果 、 经过设计 、 归纳总结 等组成部分，施行时采用了框

7、架描绘叙述法，表示方式如下：教学案例：背景属性列表，案例分析，案例效果，经过设计，归纳总结，子教学案例列表；背景属性列表：属性 1，属性 2，属性 3， ；属性：文字、数值、符号或其它类型的值；案例分析：案例包含的知识点，各知识点的结合、镶嵌，子教学案例的顺序构造、循环构造等的描绘叙述；案例效果：程序运行效果、程序运行经过截图等；经过设计：界面设计，代码设计，关键代码解析；归纳总结：运行结果分析，学生反应，专家点评，反思日志；子教学案例列表：子教学案例 1，子教学案例 2，子教学案例 3， ；子教学案例：教学案例指针， 案例的唯一标识或元素对象集合。 2案例检索 本系统的案例检索方式方法采用了

8、应用比拟广泛的近期相邻策略算法，以下为系统在实现时利用该算法进行类似检索的经过： 1利用层次分析 Analytical Hierarchy Process，AHP法确定教学案例中各个特征属性的权重。 2计算待求解案例中每个特征属性与第 n 个源案例相应特征属性的类似度。 当特征属性是字符型时，设 fi取值于集合邀 1， 2， ， n妖，则f1i和 f2i的类似度可按公式1计算：Simf1i，f2i0，f1i f2i1，f1if2i 1当特征属性是数值型时，设 fi取值于区域a，b，则 f1i和 f2i的类似度可按公式2计算：Simf1i，f2i1f1if2iba2在公式1和2中，fi表示某案例

9、的第 i 个属性，f1i和 f2i则分别表示待求解案例和源案例的第 i 个属性的属性值。 3按公式3计算待求解案例与第 n 个源案例的总体类似度。SIMT，Ski 1 Wi SimTi，Si 3华而不实，T 代表目的案例，即待求解案例；S 代表源案例，即案例库中某个案例；Wi是第 i 个特征属性的权重；SimTi，Si代表目的案例与源案例第 i 个特征属性的类似度；SIMT，S代表目的案例与源案例的总体类似度。 4重复步骤 2和 3，逐个计算待求解案例与案例资源库中各案例的总体类似度。 对最终的总体类似度数值进行排序，最后输出案例资源库中与待求解案例最类似的一个或多个案例。 3案例重用 案例重

10、用是系统中最难的环节。 假如从已有的案例资源库中检索出来案例能够得到新问题的有效解决方案， 那么用户求解时的案例描绘叙述及解决方案将作为一个新的案例直接参加到教学案例库中，这也称为系统的自我学习。 假如从已有的案例资源库中检索出来案例缺乏以解决新问题时， 系统无法做到根据检索出来的案例直接完成修改， 在这个方面业界也尚无一个有效的规则， 本系统的详细做法是让老师重用并整合检索出的若干类似案例， 由这些类似案例的解决方案结合老师的设计补充成为新问题的解决方案，最后构成一个新案例，再将该案例包括案例背景、案例分析、案例效果、经过设计和归纳总结上传到数据库中。 4案例保存 初始案例库中的案例数量是有

11、限的， 只要在系统运行中通过系统的不断自我学习经过及人为参与的重用经过， 不断将新的案例存储在案例库中， 才能使 CBR 系统的推理能力不断提高，最终以获得更好的案例检索结果。 本系统在实现时，采用了下面的机制：1系统中有两个案例库，一个是临时案例库，用于存储未审核的案例，另一个是正式案例库，用于存储审核过的案例；2新上传的案例都要存储在临时案例库中 ，由受权为 专家 的老师对其进行审核，审核合格的转入正式案例库，不合格的仍存在临时案例库中；3临时案例库中的案例不作为案例检索的案例来源 ，案例检索的案例只能来自于正式案例库。 3 结束语 采用 CBR 技术的知识管理系统使教学案例知识的分享、转

12、化、创新和应用变得愈加完善，并且很好地实现了对教学案例的求解，当师生碰到一个新问题时，利用该系统能够在案例知识库中检索出有效的或类似的解决方案，减少了老师的重复工作，也为学生的学习提供了一条便捷的有效之道。 以下为参考文献 1程德蓉基于 CBR 的数控机床故障诊断学习系统J制造技术与机床，20182：135138 2Aamodt A,Plaza E CaseBased Reasoning: Foundational Is-sues, Methodological Variations, and System Approaches JArtificial Intelligence Communications, 1994, 7(1): 3959 3程德蓉，何玉林，李彩霞基于 CBR 的 CAD CAM 技术UG 课程的教学改革J教育与职业，201817：150151 4张光前，邓世贵基于事例推理的技术及其应用前景J计算机工程及应用，2002，3820：5255