人工智能技術(shù)在中醫(yī)醫(yī)師評(píng)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

易 鋼 金 敏 羅堯岳 謝 輝

（1.湖南大學(xué)軟件學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2.湖南中醫(yī)藥大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410208）

1 引言

評(píng)測(cè)系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)應(yīng)用的典型應(yīng)用，利用計(jì)算機(jī)信息技術(shù)解決各種實(shí)際應(yīng)用中的信息數(shù)據(jù)處理。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代教育思想和教學(xué)手段的不斷變革，計(jì)算機(jī)輔助的評(píng)測(cè)系統(tǒng)越來越受到重視。通常評(píng)測(cè)系統(tǒng)是按照一定的教育測(cè)量理論，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的某個(gè)學(xué)科知識(shí)庫的集合，它是嚴(yán)格遵循教育測(cè)量理論，在精確的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上建立起來的教育測(cè)量工具。評(píng)測(cè)系統(tǒng)是保證考試或測(cè)驗(yàn)題目具有較高質(zhì)量、保持水平穩(wěn)定、更好地達(dá)到欲測(cè)目的的重要手段，并指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)。目前，國內(nèi)外己有許多評(píng)測(cè)系統(tǒng)，它們?yōu)樘岣呓處煿ぷ髻|(zhì)量和教學(xué)的現(xiàn)代化進(jìn)程起到重要作用。

但是在以往的評(píng)測(cè)系統(tǒng)中，學(xué)生的評(píng)估導(dǎo)學(xué)策略一般由學(xué)生自己選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容，制訂學(xué)習(xí)計(jì)劃和方案，評(píng)估效果不顯著。作者提出了將人工智能技術(shù)與評(píng)測(cè)系統(tǒng)系統(tǒng)相結(jié)合[1]，實(shí)現(xiàn)具有一定智能性的評(píng)測(cè)系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上特別針對(duì)中醫(yī)藥學(xué)科的獨(dú)特性[2]，提出了中醫(yī)藥學(xué)科的評(píng)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法。由于人工智能技術(shù)具有很強(qiáng)的推理功能和智能性，我們結(jié)合傳統(tǒng)學(xué)生模型中的評(píng)估方法重點(diǎn)設(shè)計(jì)評(píng)估Agent，讓其適應(yīng)中醫(yī)藥學(xué)科的獨(dú)特性，使其主動(dòng)搜集、分析來自學(xué)生的反饋信息，動(dòng)態(tài)地對(duì)反饋信息進(jìn)行計(jì)算，了解和評(píng)價(jià)學(xué)生的個(gè)人偏好和知識(shí)弱點(diǎn)，體現(xiàn)中醫(yī)藥學(xué)科與其它自然學(xué)科的不同之處。然后指導(dǎo)者Agent結(jié)合學(xué)生信息及知識(shí)庫，自動(dòng)生成切合學(xué)生實(shí)際的評(píng)估導(dǎo)學(xué)策略和自學(xué)方案等。因材施教、有的放矢地設(shè)計(jì)評(píng)估導(dǎo)學(xué)策略來實(shí)現(xiàn)中醫(yī)藥學(xué)科評(píng)測(cè)系統(tǒng)的智能性。

2 研究背景

2.1 中醫(yī)藥學(xué)科對(duì)評(píng)測(cè)系統(tǒng)的特殊性[2]

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和評(píng)估形式的要求，評(píng)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)教育測(cè)量學(xué)中的自動(dòng)化、智能化的工具。盡管人們開發(fā)了這些評(píng)估導(dǎo)學(xué)軟件，但這些計(jì)算機(jī)題庫系統(tǒng)的通用性是面向傳統(tǒng)的人文和理工科，難以適應(yīng)中醫(yī)藥學(xué)科。如果中醫(yī)院校采用這樣的評(píng)測(cè)系統(tǒng)將很難適應(yīng)中醫(yī)學(xué)科的需要。中醫(yī)學(xué)科需要的評(píng)測(cè)系統(tǒng)需要滿足以下幾點(diǎn)：第一，中醫(yī)學(xué)科不同于其它人文和理工科；第二，中醫(yī)學(xué)科的測(cè)評(píng)應(yīng)該是對(duì)一個(gè)中醫(yī)醫(yī)師總體中醫(yī)水平的測(cè)評(píng)，不能簡(jiǎn)單的分課程、分知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行；第三，因?yàn)橹嗅t(yī)學(xué)科是一個(gè)獨(dú)立的完整的知識(shí)體系，測(cè)評(píng)系統(tǒng)的組卷和測(cè)評(píng)也就不能按照已有的這些評(píng)測(cè)系統(tǒng)方式進(jìn)行。怎樣培養(yǎng)和衡量一個(gè)合格的中醫(yī)醫(yī)師，也不是簡(jiǎn)單的分?jǐn)?shù)能直接反映。應(yīng)進(jìn)行分?jǐn)?shù)的收集、整理、分析研究，通過對(duì)試卷做出全面統(tǒng)計(jì)分析，充分挖掘和利用這些信息，這也是促進(jìn)中醫(yī)醫(yī)師測(cè)評(píng)走向科學(xué)化、規(guī)范化必不可缺少的手段。

2.2 評(píng)測(cè)系統(tǒng)的概念及標(biāo)準(zhǔn)

評(píng)測(cè)系統(tǒng)是是指通過因特網(wǎng)或其他數(shù)字化內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)與教學(xué)的活動(dòng)，它充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)所提供的、具有全新溝通機(jī)制與豐富資源的學(xué)習(xí)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)一種全新的學(xué)習(xí)方式；這種學(xué)習(xí)方式將改變傳統(tǒng)教學(xué)中教師的作用和師生之間的關(guān)系，從而根本改變教學(xué)結(jié)構(gòu)和教育本質(zhì)。

2.3 人工智能Agent技術(shù)[3]

Agent的原意是“代理”，即一個(gè)人代表另一個(gè)人或（另）一個(gè)組織去完成某件（些）事情。在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，Agent可認(rèn)為是被授權(quán)的“個(gè)人軟件助理（Personal Software Assistants）”，是一種在分布式系統(tǒng)或協(xié)作系統(tǒng)中能持續(xù)自主地發(fā)揮作用的計(jì)算實(shí)體，簡(jiǎn)稱為智能主體[4]，它具有以下特征：①自主性：Agent具有屬于其自身的計(jì)算資源和局部于自身行為控制的機(jī)制，能在無外界直接操縱的情況下，根據(jù)其內(nèi)部狀態(tài)和感知到的（外部）環(huán)境信息，決定和控制自身的行為；②交互性：能與其他Agent進(jìn)行多種形式的交互，能有效地與其他Agent協(xié)同工作；③反應(yīng)性：能感知所處的環(huán)境，并對(duì)相關(guān)事件做出適時(shí)的反應(yīng)；④主動(dòng)性：能遵循承諾采取主動(dòng)行動(dòng)，表現(xiàn)出面向目標(biāo)的行為。

2.4 MAS 系統(tǒng)

Multi-Agent system 是由多個(gè)Agent形成的松散耦合的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[4]，在MAS中，主要研究一組自治的智能主體之間智能行為的協(xié)調(diào)，多Agent協(xié)調(diào)它們的知識(shí)、目標(biāo)、技巧和規(guī)劃，聯(lián)合起來采取行動(dòng)或求解問題。

MAS的體系結(jié)構(gòu)是指多Agent系統(tǒng)中Agent間的信息關(guān)系和控制關(guān)系，以及問題求解能力的分布模式，它是結(jié)構(gòu)和控制的有機(jī)結(jié)合，是提供Agent活動(dòng)和交互的框架。它描述了組成Agent的基本成分及其作用、各成分的聯(lián)系及交互機(jī)制等，大致可分為審慎式、反應(yīng)式和混合式三種體系結(jié)構(gòu)。

MAS技術(shù)具有自主性、分布性、協(xié)調(diào)性，并具有自組織能力、學(xué)習(xí)能力和推理能力，采用MAS解決實(shí)際應(yīng)用問題，具有很強(qiáng)的可靠性，并具有較高的問題求解效率。MAS技術(shù)在表達(dá)實(shí)際系統(tǒng)時(shí)，通過各Agent之間的通訊、合作、互解、協(xié)調(diào)、調(diào)度、管理及控制來表達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能及行為特性。由于在同一個(gè)MAS中各Agent之間可以異構(gòu)，因此，MAS技術(shù)對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)具有無可比擬的表達(dá)力，它為各種實(shí)際系統(tǒng)提供了一種統(tǒng)一的模型，從而為各種實(shí)際系統(tǒng)的研究提供了一種統(tǒng)一的框架，具有廣闊的應(yīng)用前景。見圖1。

圖1 MAS的體系結(jié)構(gòu)

3 基于Agent的中醫(yī)藥學(xué)科評(píng)估導(dǎo)學(xué)模型設(shè)計(jì)[3]

整個(gè)MAS系統(tǒng)由四種Agent[5]組成，分別是指導(dǎo)者Agent，測(cè)評(píng)Agent，中介Agent，學(xué)生Agent和教師Agent，見圖2。

圖2 基于Agent的中醫(yī)學(xué)科評(píng)估導(dǎo)學(xué)MAS系統(tǒng)模型

3.1 中醫(yī)專家Agent管理整個(gè)評(píng)測(cè)系統(tǒng)

它指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)，評(píng)估模塊進(jìn)行評(píng)估，然后根據(jù)評(píng)測(cè)結(jié)果，結(jié)合系統(tǒng)知識(shí)庫產(chǎn)生導(dǎo)學(xué)策略，生成評(píng)估知識(shí)庫，包括中醫(yī)基礎(chǔ)理論、中醫(yī)方劑、針灸推拿等知識(shí)塊，形成覆蓋中醫(yī)全科的特有知識(shí)庫。

3.2 測(cè)評(píng)Agent接收中醫(yī)專家Agent的評(píng)估任務(wù)

對(duì)學(xué)生進(jìn)行評(píng)估。評(píng)估任務(wù)主要分成兩塊：一塊內(nèi)容是根據(jù)中介Agent對(duì)學(xué)生行為信息的收集對(duì)學(xué)生進(jìn)行行為分析；另一塊是對(duì)學(xué)生復(fù)習(xí)練習(xí)和階段測(cè)試的建模評(píng)估，這一塊是確定學(xué)生學(xué)習(xí)水平最核心的一塊，測(cè)評(píng)Agent會(huì)根據(jù)練習(xí)或測(cè)試內(nèi)容結(jié)合學(xué)生信息生成貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，初始知識(shí)評(píng)估概率由專家給出。在學(xué)生Agent解題的過程中，更新貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)評(píng)估任務(wù)結(jié)束，保存最終的概率，即學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，更新學(xué)生信息庫，并分析主要的性能指標(biāo)，反饋信息給中醫(yī)專家Agent。

3.3 中介Agent跟蹤學(xué)生Agent

記錄其動(dòng)作行為信息，保存在跟蹤信息庫中。跟蹤信息在中醫(yī)專家Agent的指示下傳遞給測(cè)評(píng)Agent以進(jìn)行分析。干涉其它Agent的行為， 起著一個(gè)總調(diào)度的作用。 中介Agent體現(xiàn)了Agent的自主性、反應(yīng)性及合作性。

3.4 學(xué)生Agent

它不僅為對(duì)應(yīng)的學(xué)生提供交互界面，還為學(xué)生提供他人的理解度和個(gè)性，這是學(xué)生Agent的關(guān)鍵功能。學(xué)生知識(shí)更新與學(xué)習(xí)的成長(zhǎng)直接通過學(xué)生Agent表達(dá)。

3.5 教師Agent

可以由實(shí)際的專業(yè)任課教師進(jìn)行控制，也可以獨(dú)立運(yùn)行，它可根據(jù)學(xué)生信息和背景，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)行指導(dǎo)。通過中介Agent傳遞的消息來了解學(xué)生的學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)反應(yīng)。還可以從習(xí)題庫中抽出相關(guān)的問題進(jìn)行討論以加強(qiáng)理解。

4 評(píng)估結(jié)果

我們對(duì)湖南中醫(yī)藥大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院5年級(jí)學(xué)生進(jìn)行中醫(yī)基礎(chǔ)理論網(wǎng)上測(cè)試，將網(wǎng)上測(cè)試情況作為樣本空間集合，使用EM參數(shù)估計(jì)法得到貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，并對(duì)學(xué)生進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估結(jié)果如表1所示。

在表中，當(dāng)學(xué)生答對(duì)了所有題目的85%左右時(shí)， 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)更新結(jié)果顯示該學(xué)生對(duì)經(jīng)絡(luò)的概念和經(jīng)絡(luò)系統(tǒng)這章的掌握程度三種情況的概率分別為：71.5%，22.14%，5.86%學(xué)生熟練掌握了該章節(jié)，熟練掌握系數(shù)為71.5%家給出的評(píng)估結(jié)果也為熟練掌握，則該結(jié)果與專家給出的評(píng)估結(jié)果大體一致，系統(tǒng)具有真實(shí)的評(píng)估指導(dǎo)作用。見表1。

表1 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的學(xué)生評(píng)估結(jié)果

5 總結(jié)

使用Agent技術(shù)，建立了中醫(yī)藥學(xué)科的評(píng)測(cè)系統(tǒng)，其中學(xué)生學(xué)習(xí)水平的評(píng)估主要是通過貝葉斯網(wǎng)絡(luò)概率模型的建立和更新來評(píng)價(jià)的。同時(shí)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中會(huì)受到跟蹤Agent的監(jiān)控，以便對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度及時(shí)掌握，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)分析學(xué)生的個(gè)人行為特征，結(jié)合評(píng)估信息，由指導(dǎo)者Agent給予學(xué)生必要的指導(dǎo)。

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