中学化学虚拟实验室智能诊断平台知识表示研究

齐悦含

摘 要:为了能够让中学化学虚拟实验室的诊断功能更好的得到应用,本文给出了一种智能诊断的有限自动机的模型。首先,从实验操作完整性的角度给出了实验知识库的整体结构图。然后,根据实验的操作过程,分别给出了实验药品选择、实验仪器选择、实验操作步骤几方面的诊断规则及对应的有限自动机模型。最后搭建了统一模型,并给出有实际化学实验过程的有限自动机模型。为进一步通用中学化学虚拟实验智能诊断平台的开发奠定了基础。

关键词:虚拟实验知识表示智能诊断有限自动机

中图分类号:TP302.1 文献标识码:Ａ 文章编号:1674-098X(2012)07(c)-0013-04

实验教学是培养学生实践能力的重要途径,是学校教学的重要辅助手段,是学生真正理解理论知识,并将其运用于实践的重要保证,是激发学生学习兴趣的主要源泉,更是培养和发展学生思维能力和创新能力的重要方法和手段。但是面临着学校招生人数增多,相对试验仪器少,已有的部分实验仪器破损严重或落后,与试验操作脱轨,试验经费不足,试验的时间受限,教学形式单一,试验中存在大量危险等各种因素的影响,目前试验教学不能得以很好的展开,制约着学生的实践能力和创新能力的培养,改变传统的试验教学模式已迫在眉睫,采用计算机技术构建的各种虚拟实验室,为实验教学提供了一种新的解决方法。“虚拟试验”定义是指利用分散的信息和通信技术在科研及其他创新性活动中进行远距离合作和试验的一种电子协作。本文涉及的虚拟实验,是建立在中学化学学科课本中真实实验基础之上,对实验的药品、仪器进行计算机模拟,实验者通过鼠标点击与拖拽和键盘操作,可以像对真实的药品、仪器一样对虚拟实验中的设备进行操作,从而完成整个虚拟试验的过程,并将对试验结果进行反馈和分析,定义出诊断规则对其结果进行诊断[1-7]。

1 实验知识库的建立

所谓知识表示(Knowledge Representation)也可以表示为知识表达或知识描述,是为了方便人们认识和识别知识,并对世界进行描述而作的一组约定,把知识变成符号的过程。目前存在有多种不同的知识表示方法,来源于多种不同的形式化的知识模型。以下简单介绍常用知识表达方式[8]。

虚拟实验要想做到实验场景的真实再现,并得到广泛应用,在搭建平台时就要深入的研究实验过程中每个实验操作的环节,如实验药品和仪器的选取,实验的操作步骤等。

通过对中学化学实验的深入了解与分析,可以将实验中的共同点进行提取,不同点进行区别,建立一套科学适用的虚拟试验平台,为师生使用带来方便。

中学化学虚拟实验智能诊断平台知识库的是大量信息存贮的场所,同时也离不开大量信息的支撑。信息调用量大,信息交换频繁都是知识库应用的特点。为了更加方便有效的对信息进行管理,将知识库根据化学实验过程的需求进行分类,划分为若干个子知识库,每个子知识库对应于实验操作环节中的一部分。虚拟实验智能诊断平台知识库的整体结构如图1所示:

2 实验仪器知识表示的研究

2.1 实验仪器的诊断规则

根据虚拟实验的操作要求,对知识库中给出的虚拟实验仪器进行选择。设平台知识库中存入的实验仪器总个数为N,实验中应用到的实验仪器个数为i,分为别X1,X2,X3,…Xi。则对实验仪器的选择给出如下的诊断规则:

(1)如果选择仪器X1,X2,X3,…Xi中,没有一种与所需的实验仪器相同,不进行试验;

(2)如果选择仪器X1,X2,X3,…Xi中,只有一种与所需的实验仪器相同,不进行试验;

(3)如果选择仪器X1,X2,X3,…Xi中,只有两种与所需的实验仪器相同,不进行试验;

(4)如果选择仪器X1,X2,X3,…Xi中,只有三种与所需的实验仪器相同,不进行试验;

…

(i)如果选择仪器X1,X2,X3,…Xi中,全部与所需的实验仪器相同,则进行下一步操作。

2.2 实验仪器的知识表示

设一个有限自动机有以下几部分组成:

其中Φ表示给一个状态和符号就是唯一地确定一个状态的映射。

设符号集Σ(n,y),其中n表示虚拟实验中用到的药品总个数,y表示虚拟实验诊断规则。状态集合SS=(S0,S1,S2),其中S0表示开始状态,S1表示出现错误,不能继续做实验,S2表示选择正确,可以继续实验。终止状态集:{S1}转换函数如下:

3 实验药品知识表示的研究

3.1 实验药品的诊断规则

根据虚拟试验的操作要求,对知识库中给出的虚拟试验药品进行选择。设平台知识库中存入的实验药品总个数为M,实验中应用到的实验药品个数为n,分为别I1,I2,I3,…In。则对试验药品的选择给出如下的诊断规则:

(1)如果选择药品I1,I2,I3,…In中,没有一种与所需的实验药品相同,不进行试验;

(2)如果选择药品I1,I2,I3,…In中,只有一种与所需的实验药品相同,不进行试验;

(3)如果选择药品I1,I2,I3,…In中,只有两种与所需的实验药品相同,不进行试验;

(4)如果选择药品I1,I2,I3,…In中,只有三种与所需的实验药品相同,不进行试验;

…

(x)如果选择药品I1,I2,I3,…In中,全部与所需的实验药品相同,则进行实验具体操作。

3.2 实验药品的知识表示

设符号集Σ(x,q),其中n表示虚拟实验中用到的药品总个数,q表示虚拟实验诊断的规则。状态集合SS=(S0,S1,S2),其中S0,表示开始开始状态,S1表示出现错误,不能继续做实验,S2表示选择正确,可以继续实验。终止状态:｛S1｝。转换函数如下:

4 实验操作步骤知识表示的研究

4.1 实验操作步骤的分类

平台主要研究对象是中学化学实验,针对教学大纲实验要求的分析与研究,将实验过程细划分为若干个实验子动作,并进行如下分类:

(1)对化学实验操作分析,最基本的操作动作有拿起、放下、取出、倾倒、打开、移动、连接、删除、修改、添加等,将这些不可拆分的基本操作定义为知识库中的原子操作。

(2)对化学实验操作过程中实验仪器的使用方法分析,将使用情况相同的仪器分为一类,并将这些操作定义为知识库中的基本操作。例如:大试管、小试管的使用可分为一类。

(3)针对化学实验中仪器的使用分类,建立一套连贯的操作动作,并将此定义为知识库中的基本操作。例如:点燃酒精灯、用试管夹夹住试管等。

4.2 实验操作步的诊断规则

根据对实验操作过程中动作细致划分后得到的原子操作、基本操作、固定操作再做深入分析,可以发现在固定操作是将原子操作和基本操作合并起来后得到的操作。对固定操作进行诊断规则的制定同时,也给出了原子操作和基本操作的诊断规则。

4.2.1 实验原子操作和基本操作

在知识库中录入专业的实验原子操作和基本操作的动作后,对基本操作给出判定规则。以下给出几个简单的例子:

试管:试管有大试管和小试管两种。试管的主要用途是盛放少许固体或者液体,主要用作少量物质的反应的仪器。

对试管操作给出使用规范的诊断规则:试管可以直接加热但外壁不能有水,试管内装液体时不能超过试管容积的1/2,加热时不能超过1/3,加热时先使试管均匀加热,然后在试管有药品的部位集中加热,加热时试管应与水平面成45°,固体加热时,关口应向下倾斜。

4.2.2 实验固定操作

实验的固定操作这里定义为实验者在实验药品、实验仪器、实验药品和实验仪器使用时所有的操作动作。例如,实验者给出这样的动作指令:将大理石块放入到锥形瓶中。这个动作指令就由几个原子操作和几个基本操作共同组成,将其拆分为选择药品为大理石块、选择仪器为锥形瓶、用镊子夹取少量大理石块放入到锥形瓶内。

对固定操作给出诊断规则如下:

a如果实验药品的选择和操作有一种错误,则不能继续实验;

b如果实验仪器的选择和实验仪器的操作有一种不正确,则不能继续实验;

c如果实验药品的选择、操作,实验仪器的选择、操作均正确,则继续实验。

4.3 实验操作步的知识表示

根绝对实验固定操作的分析和已给出的诊断规则,建立实验操作步骤知识表示如下:

设符号集Σ(x),x=｛x1,x2,x3,x4｝其中x1,x2,x3,x4表示固定操作给出的规则。状态集合SS=(S0,S1,S2),其中S0表示开始开始状态,S1表示操作出现错误,不能继续实验,S2表示操作正确,可以继续实验。终止状态:的下一个阶段。转换函数如下:

根据真实的化学实验,将实验的操作整体的步骤进行分解,并录入到平台的知识库中,给出操作步骤的诊断规则。

设化学实验有N个实验步骤,分别表示为N1,N2,N3,…Ni则在操作过程中给出如下诊断规则:

(1)如果实验操作步骤N1正确,则进行下一个实验操作步骤N2;如果不正确,则返回开始状态。

(2)如果实验操作步骤N2正确,则进行下一个实验操作步骤N3;如果不正确,则返回上一步操作N1。

…

(i)如果实验操作步骤Ni-1正确,则进行下一个实验操作步骤Ni;如果不正确,则返回上一步操作Ni-2。

设符号集Σ=(x,YES,NO),x=｛x1,x2,x3,…xi｝其中x表示已给定规则的诊断顺序,YES,NO分别表示诊断结果为继续执行和返回上一步。状态集SS={s1,s2,s3,…sn},so表示开始状态,s1,s2,s3,…sn分别表示不同诊断步骤的结果状态,si*表示最终的结束状态。表格表示和状态转换图分别如表3,图5:

4.4 实验完整操作的建模

设有限自动机字符集Σ=(y,x,q,YES,NO),其中y表示在虚拟实验操作中,实验药品选择的诊断规则,q表示实验仪器选择的诊断规则,x表示实验固定操作的诊断规则,YES表示当前阶段的操作执行正确,可以继续操作,NO表示当前阶段的执行操作不正确,不能继续操作,需要返回到上一步重新操作。状态集合SS={S0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,…Si},其中S0指虚拟实验操作的开始状态,S1表示药品选择不正确,操作自动终止的停止状态。S2表示虚拟实验中,药品选择正确,继续进行仪器选择,S3表示器选择操作不正确,不能继续操作的停止状态,S4表示操作仪器选择正确,可以继续操作。S5表示虚拟实验操作步骤中第一个固定操作不正确,不能继续进行实验,即实验停止状态。S6表示虚拟实验操作中的第一个固定操作正确,可以继续进行试验,即第二个固定操作开始的状态,…,Si-1表示虚拟实验操作过程中,第i-1个实验固定操作出现错误,实验不能正常进行,即实验停止状态,Si表示实验操作的最后一个固定操作正确,即整个实验的操作完全结束,状态停止,用Si*表示。用表格和状态转换图表示如表4,图6:

4.5 实验室制取二氧化碳实例

设有限自动机的字符集为Σ=(X,Y,Q,YES,NO)。其中X表示实验药品选择的诊断规则,Y表示实验仪器选择的诊断规则,Q表示实验操作步骤的诊断规则,YES表示诊断匹配正确,继续进行实验,NO表示诊断匹配不正确,不能继续进行实验并返回上一步操作步骤。状态集合SS=[S0,S1,S2,S3,S4,S5,…S14],其中S0表示实验开始,选择实验药品的状态,S1表示经过诊断规则X2的判定后,得到实验停止的状态,S2表示经过诊断规则X1判定后,继续进行下一步骤的状态,S3表示经过诊断规则Y2判定后,到实验停止的状态,S4表示经过诊断规则Y1判定后,继续进行实验下一步骤的状态,即实验步骤开始操作状态,S5表示表示经过诊断规则Q1判定后,到实验停止的状态,S6表示经过诊断规则Q1判断,继续进行实验,即开始实验操作步骤第二步,…依次类推,直到实验操作步骤经过Q5判定,操作过程全部匹配,实验结束,用状态S14*表示。表格表示和状态转换图表示如图7所示:

5 结语

结合中学化学学科实验特点,将中学化学虚拟实验中的实验药品选取、实验药品仪器的选取、实验操作步骤进行形式化描述,给出智能诊断规则,建立知识表示的自动机模型。可为以后解决实验中学生操作的随意性、反复性多带来的实验学列性和归并性等问题的研究奠定基础。

参考文献

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