高中生物实验助教系统的设计与实现—以“叶绿素的提取”实验为例

广东省江门市培英高级中学 陈小驹

1.引言

实验操作是高中生物课程的重要组成部分，对培养学生的动手实践能力和知识运用能力具有重要的作用。但在实际的实验教学过程中，学生往往达不到预期教学目标，运用专家系统技术，开发高中生物实验助教系统（简称“实验助教系统”），解决高中生物实验中存在的各种问题具有现实的意义。

2.高中生物实验助教系统的设计思路与系统结构

2.1 设计思路

实验助教系统集成诊断和助教的功能，诊断部分包括一次诊断系统和二次诊断系统，其模型如下：

图1 实验助教系统模型

2.2 系统结构

在专家系统外壳中的专家系统可以定义为：专家系统=知识库+专家系统外壳（控制与推理+用户接口），知识获取机制，解释机制，全局数据库等。

图2 专家系统结构

3.高中生物实验助教系统的实现技术——以“叶绿素的提取”实验为例

3.1 开发工具ESTA简介

ESTA是PDC推出的一款专家系统工具，它是基于Vissual prolog 开发而来的专家系统外壳。ESTA开发知识系统简易，效率高，可重复利用性高的特点。

3.2 ESTA知识库的基本概念

知识库是其构建的专家系统的核心，存放着大量的知识和经验，在ESTA中，知识库由节(Section)、参数(Parameter)等组成。

参量的语法如下：

3.3 实验助教系统的知识库

3.3.1 知识库中推理规则的设计

该系统包含的规则、知识补充及建议和参量如下：

(1)一次诊断规则：

1号规则：if 滤液黄绿色（不是透明深绿色） then 结论是滤液浓度太低

2号规则：if 滤液有杂质或变质then 结论是滤液不纯

3号规则：if 滤液正常 then结论是其他问题

4号规则：if 滤液浓度低且材料选用不当 then 选材问题

5号规则：if 滤液浓度低且叶片问题 then 叶片问题

6号规则：if 滤液浓度低且研磨问题a或研磨问题b then 研磨问题

7号规则：if 滤液浓度低且过滤问题a和过滤问题b then 过滤问题

8号规则：if 滤液浓度低且提取液过多 then 提取液问题

9号规则：if 滤液不纯且含水then 含水问题

10号规则：if 滤液不纯且添加剂问题 then 添加剂问题

11号规则：if 滤液不纯且时间过长 then 时间问题

12号规则：if 滤液不纯且储存条件 then 条件问题

13号规则：if 其他问题且滤线问题a then 滤线问题a

14号规则：if 其他问题且滤线问题b then 滤线问题b

15号规则：if 其他问题且层析液问题a then 层析液问题a

16号规则：if 其他问题且层析液问题b then 层析液问题b

(2)二次诊断规则：

二次诊断系统的通用诊断规则如下，

If问题且知识盲区 then 知识补充和建议

例：

17号规则：If 选材问题且知识盲区1，not知识盲区2 then 知识补充1，选材建议

18号规则：If 选材问题且知识盲区2，not知识盲区1 then 知识补充2

选材建议

19号规则：If 选材问题且知识盲区1，知识盲区2 then 知识补充1，知识补充2，选材建议

(3)建议及知识补充举例

知识补充1：不同种类植物的叶片,其色素含量和色素种类也各不相同,恰当的选择叶片是获得高浓度叶绿体色素的保障。

知识补充2：实验证明,那些叶表蜡质厚或输导组织发达的叶片,难以研磨提取叶绿体色素,如杨树叶、榆树叶等。应选择那些颜色较深,叶绿体色素含量相对较高,又便于研磨提取的植物叶片。

建议：请重新选择老嫩适中且浓绿的植物叶子进行实验，如用菠菜叶、小白菜叶、天竺葵叶等。

3.3.2 知识库中逻辑参量的设计

实验助教系统一共包含了55个参量，包括用于表示事实和中间结论，本文列举了以下几个参量（yepian,zm1,adv1），

代码段一

3.3.3 知识库中“节”的设计

实验助教系统包括了52个节，用于推理的过程，start为咨询的开始节，通过各个节的求值和跳转实现推理。

4. 总结与展望

教育是一个国家兴盛强大的重要推动力，专家系统正在逐步应用于教育领域中，发挥其重要的作用。相信在未来，专家系统将更广泛地应用于教育教学中，为教育事业的发展做出贡献。