基于學(xué)習(xí)分析技術(shù)的藏漢雙語數(shù)學(xué)題庫的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 錚，趙 穎

(1.西北民族大學(xué)教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730030；2.西北民族大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與信息管理中心，甘肅 蘭州 730030)

基于學(xué)習(xí)分析技術(shù)的藏漢雙語數(shù)學(xué)題庫的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 錚1，趙 穎2

(1.西北民族大學(xué)教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730030；2.西北民族大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與信息管理中心，甘肅 蘭州 730030)

以“互聯(lián)網(wǎng)＋教育”為指導(dǎo)思想，結(jié)合學(xué)習(xí)分析技術(shù)的方法和目前國家倡導(dǎo)的雙語教育教學(xué)模式，以藏漢雙語數(shù)學(xué)題庫入手，系統(tǒng)的對其功能設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)以及實(shí)現(xiàn)途徑等方面做出闡述，這為日后進(jìn)一步加強(qiáng)民族地區(qū)的教育信息化程度和個(gè)性化教學(xué)有著重要的意義.

學(xué)習(xí)分析技術(shù)；藏漢雙語；數(shù)學(xué)題庫

在2011年的首屆學(xué)習(xí)分析與國際知識(shí)會(huì)議上首次明確提出了“學(xué)習(xí)分析技術(shù)”這一概念，并為其作出定義——學(xué)習(xí)分析技術(shù)是測量、收集、分析和報(bào)告有關(guān)學(xué)習(xí)活動(dòng)的數(shù)據(jù)，用以理解和優(yōu)化學(xué)習(xí)及其環(huán)境的技術(shù).此后作為世界范圍內(nèi)教育技術(shù)領(lǐng)域最具影響力的刊物《NMC地平線報(bào)告》也多次提及大數(shù)據(jù)與學(xué)習(xí)分析技術(shù)是未來教育的發(fā)展趨勢.

2015年8月召開的第六次全國民族教育工作會(huì)議中著重強(qiáng)調(diào)了加快推進(jìn)雙語教育及其資源開發(fā)工作的進(jìn)程，與此同時(shí)我們也深刻的認(rèn)識(shí)到邊遠(yuǎn)少數(shù)民族地區(qū)尤其是藏族地區(qū)由于經(jīng)濟(jì)、地域、人文環(huán)境等因素的影響，在理科教育教學(xué)方面存在嚴(yán)重不足，雖然目前在藏族自治區(qū)內(nèi)學(xué)生普遍接受的是藏漢雙語教育，但在數(shù)字化學(xué)習(xí)領(lǐng)域中絕大多數(shù)資源都以漢語為主，這一個(gè)是有待我們?nèi)ジ纳频默F(xiàn)狀.近年來由于互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的快速興起，教育領(lǐng)域也在發(fā)生著翻天覆地的變化，所以本研究力爭在web3.0的背景下建設(shè)一款以藏漢兩種語言文字同時(shí)呈現(xiàn)的智能化數(shù)學(xué)題庫，進(jìn)而擴(kuò)充現(xiàn)有的藏漢雙語教育資源.

每個(gè)學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)的過程中，無論是教師還是自身都很難人為地記錄整個(gè)學(xué)習(xí)過程，而計(jì)算機(jī)卻可以幫助我們解決這一難題，利用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和web程序建設(shè)智能化的數(shù)學(xué)題庫，將藏、漢(其他)族同學(xué)在學(xué)習(xí)活動(dòng)中生成的大量個(gè)性化數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析，從而為藏、漢(其他)族學(xué)生的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)提供一種科學(xué)、高效的新模式.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

本研究中的數(shù)學(xué)題庫是在依托B/S的模式下進(jìn)行搭建的.標(biāo)準(zhǔn)的B/S框架具備三層結(jié)構(gòu)，分別是表示層、功能層和數(shù)據(jù)層，它們從三個(gè)方面擔(dān)負(fù)了整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)營工作.系統(tǒng)B/S框架如圖1所示:

圖1 系統(tǒng)整體B/S結(jié)構(gòu)Fig.1 B/S structure of system as a whole

表示層在web開發(fā)中也被稱為前端，是用戶直觀瀏覽的網(wǎng)頁界面，本題庫在表現(xiàn)層中融入了藏漢雙語題目的這一亮點(diǎn)，使其更具有民族特色和現(xiàn)實(shí)意義.功能層主要存在于服務(wù)器的后臺(tái)之中，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯處理，具體作用于個(gè)性化學(xué)習(xí)分析方面.數(shù)據(jù)層通常是指數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的應(yīng)用，是所有信息存儲(chǔ)和加工的載體，題庫中所涉及的數(shù)學(xué)題目和用戶在學(xué)習(xí)活動(dòng)中生成的個(gè)性化數(shù)據(jù)都記錄其中.

1.2 系統(tǒng)的功能模塊設(shè)計(jì)

通過問卷、訪談等方式對校園中藏、漢(其他)民族同學(xué)及老師進(jìn)行了調(diào)研和前期需求分析，明確了本系統(tǒng)包含的4個(gè)主要模塊，它們各自獨(dú)立并且擔(dān)負(fù)相應(yīng)的職責(zé)，題庫也正是由于這些模塊的存在才能實(shí)現(xiàn)一系列的復(fù)雜功能，系統(tǒng)的功能需求分析如圖2所示:

圖2 系統(tǒng)的功能分析Fig.2 Functional analysis of the system

1.2.1 用戶管理模塊

用戶管理模塊主要承擔(dān)用戶的賬號(hào)注冊和登錄校驗(yàn)任務(wù).在注冊環(huán)節(jié)要實(shí)時(shí)反饋給用戶的賬號(hào)是否已被占用或是否包含非法字符，并且將已填寫的個(gè)人資料存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中.在登錄過程中該模塊主要負(fù)責(zé)校對賬號(hào)和密碼是否匹配，同時(shí)為防止惡意登錄等攻擊行為還需進(jìn)行驗(yàn)證碼的審核.除服務(wù)器端的SESSION數(shù)據(jù)外，用戶管理模塊也會(huì)將用戶的部分信息和基礎(chǔ)設(shè)置存儲(chǔ)到本地的cookie文件中，這樣可以為用戶今后的使用提供最大便利.

1.2.2 交互模塊

交互模塊主要為使用者提供交流溝通和智能化信息呈現(xiàn)的功能.首先在所有的交互過程中都設(shè)置了藏漢兩種語言文字同時(shí)呈現(xiàn)的模式，使雙語的概念得到真正體現(xiàn).其次交互模塊設(shè)置了與學(xué)習(xí)者之間、師生之間的好友模式，支持在線即時(shí)通訊.交互模塊是前端和后臺(tái)緊密銜接的組件，主要任務(wù)是通過在瀏覽器中的輸入和點(diǎn)擊動(dòng)作完成表單的指定發(fā)送，同時(shí)也要讀取近期的聊天記錄并顯示出來，這里所采用的關(guān)鍵技術(shù)是JQuery庫中的Dialog窗體和AJAX異步更新數(shù)據(jù)，利用鼠標(biāo)點(diǎn)擊事件控制Dialog的開啟和關(guān)閉，AJAX可以讓用戶在不刷新頁面的前提下實(shí)時(shí)獲取聊天記錄，這兩種方法的融合為題庫實(shí)現(xiàn)高效通信起到了保障作用.

1.2.3 資源管理模塊

該模塊是對“學(xué)習(xí)分析技術(shù)”概念在系統(tǒng)中的進(jìn)一步落實(shí)，是數(shù)據(jù)層中的主要應(yīng)用技術(shù).筆者認(rèn)為在本研究中最重要的資源應(yīng)該是數(shù)字化的藏漢雙語題目，尤其是翻譯成藏語的題目資源更是十分珍貴，那么如何高效合理地管理這些資源是題庫建設(shè)者必須認(rèn)真思考的問題.依托web程序搭建的題庫平臺(tái)在數(shù)字化題目管理方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，資源管理模塊利用數(shù)據(jù)庫服務(wù)器可以永久無損的保存數(shù)量繁多的題目.此外這些習(xí)題隨著時(shí)間的推移也不可能毫無疏漏或一成不變，這就涉及了對于這些數(shù)字化題目的增、刪、改、查等操作，這也是資源管理模塊中的核心任務(wù).該模塊除了數(shù)字化習(xí)題的管理外還有一項(xiàng)重要的功能就是存儲(chǔ)學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)活動(dòng)中生成的個(gè)性化學(xué)習(xí)數(shù)據(jù).同一道題對每個(gè)人來說都可能會(huì)經(jīng)歷不同的解答過程、得到不同的結(jié)果，而這一環(huán)節(jié)對于指導(dǎo)個(gè)性化學(xué)習(xí)有著至關(guān)重要的意義.資源管理模塊可以將學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的全部數(shù)據(jù)(答題知識(shí)點(diǎn)頻數(shù)、正確率、答題耗時(shí)、所得分?jǐn)?shù)等)進(jìn)行記錄，將這些數(shù)據(jù)保存到用戶個(gè)人的數(shù)據(jù)庫表單中，在需要的時(shí)候可以將這些信息進(jìn)行提取，這是實(shí)施個(gè)性化學(xué)習(xí)輔助過程中最重要的現(xiàn)實(shí)依據(jù).

1.2.4 學(xué)習(xí)分析模塊

學(xué)習(xí)分析模塊位于功能層的業(yè)務(wù)邏輯處理環(huán)節(jié)中，可以說它既是本研究的創(chuàng)新之處也是整個(gè)體系的靈魂，它可以直接促成個(gè)性化學(xué)習(xí)的指導(dǎo)行為，使因材施教不僅僅停留在理論層面，通過“學(xué)習(xí)分析”等技術(shù)的支持以實(shí)證研究的方式為學(xué)習(xí)者提供私人訂制級(jí)別的優(yōu)質(zhì)服務(wù).在資源管理模塊中已經(jīng)提及關(guān)于學(xué)習(xí)者個(gè)性化數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能，而學(xué)習(xí)分析模塊的設(shè)計(jì)正是為了如何更好地使用這些數(shù)據(jù)讓他們發(fā)揮自身的功效.學(xué)習(xí)分析模塊處于后臺(tái)服務(wù)器腳本之中，其自身的本質(zhì)是一類復(fù)雜的數(shù)據(jù)算法，首先服務(wù)器從數(shù)據(jù)庫中提取出指定學(xué)習(xí)者的數(shù)據(jù)，然后將其按照預(yù)定的評價(jià)程序進(jìn)行分類和運(yùn)算處理，最后將結(jié)果反饋至學(xué)習(xí)者，使學(xué)習(xí)者可以明確的認(rèn)識(shí)到自己存在的問題，從而有針對性的進(jìn)行整改，這就是學(xué)習(xí)分析模塊設(shè)置的初衷.除了反饋分析結(jié)果外，該模塊還可以提供干預(yù)措施，如某一知識(shí)點(diǎn)錯(cuò)誤率較高需要強(qiáng)化練習(xí)，那么系統(tǒng)會(huì)引導(dǎo)學(xué)習(xí)者反復(fù)練習(xí)該知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)容，最后直至合格為止.以上就是題庫設(shè)計(jì)的主體思路和結(jié)構(gòu)，本著以學(xué)習(xí)者為核心的理念，融入藏漢雙語的呈現(xiàn)方式，強(qiáng)調(diào)個(gè)性化輔助學(xué)習(xí)是本題庫的發(fā)開原則.

2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)在Windows的環(huán)境下進(jìn)行研發(fā)，采用目前最主流的web開發(fā)模式—LAMP中的Apache、MySql、PHP進(jìn)行搭建，所有技術(shù)開源穩(wěn)定，并且已經(jīng)得到互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的廣泛認(rèn)可，題庫運(yùn)行的概要流程如圖3所示:

2.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

本研究采用MySql數(shù)據(jù)庫的可視化操作系統(tǒng)—PHPMyAdmin，通過對題庫業(yè)務(wù)需求的分類、聚集和概括，建立抽象的概念模型，明確題庫中的各個(gè)實(shí)體及其屬性、實(shí)體之間的關(guān)系，以及制約條件等.本研究所涉及的主要實(shí)體包括:習(xí)題、知識(shí)點(diǎn)、學(xué)習(xí)者、試卷、答題記錄五部分.作為一款題庫系統(tǒng)，習(xí)題自然是本研究的重中之重，所以它擁有較多的屬性字段，此外答題記錄能夠?yàn)槿蘸箝_展個(gè)性化學(xué)習(xí)分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)，這二者構(gòu)成了系統(tǒng)的核心業(yè)務(wù)要素，其它實(shí)體主要負(fù)責(zé)描述性數(shù)據(jù)的存儲(chǔ).系統(tǒng)E-R結(jié)構(gòu)如圖4-1所示:

圖3 運(yùn)行流程圖Fig.3 Flow chart of operation

圖4 系統(tǒng)E-R圖Fig.4 E-R chart of System

在E-R圖中除了各個(gè)實(shí)體所包含的屬性外，我們也不難發(fā)現(xiàn)，在本系統(tǒng)實(shí)體之間關(guān)系的鍵主要分為二種，一是1:1即每個(gè)實(shí)體的鍵都是關(guān)系的候選鍵，二是1:n即n端實(shí)體的鍵是關(guān)系的鍵，這樣從而實(shí)現(xiàn)了將實(shí)體、屬性和聯(lián)系轉(zhuǎn)換為關(guān)系模式.在落實(shí)好邏輯設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，我們就可以將E-R圖轉(zhuǎn)化為二維表格，本研究中的核心功能數(shù)據(jù)主要位于習(xí)題表(Exercises)和答題記錄表(Record)中，因此現(xiàn)將該兩張表的物理結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行展示，如下表1和2.

表1 習(xí)題表4-2Table 1 4-2 Exercise

表2 答題記錄表4-3Table 2 4-3 Record

習(xí)題表、知識(shí)點(diǎn)表等是由網(wǎng)站管理人員事先將數(shù)據(jù)導(dǎo)入的，在PHPMyAdmin的界面中可以非常容易的對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行添加或刪除，其他表單中的內(nèi)容均為用戶在學(xué)習(xí)活動(dòng)中動(dòng)態(tài)生成的數(shù)據(jù).當(dāng)整個(gè)數(shù)據(jù)庫搭建完畢后，如果想進(jìn)一步得到更具意義的個(gè)性化分析結(jié)果，還需要我們使用SQL語句對答題記錄進(jìn)行一系列的操作，這其中包括以 SESSION為條件的WHERE、LIMIT限制命令、模糊查詢、表與表之間的聯(lián)立查詢和嵌套查詢等.學(xué)習(xí)者在題庫中的學(xué)習(xí)行為越多，所得到的相關(guān)學(xué)習(xí)活動(dòng)數(shù)據(jù)就越趨近于客觀，最后形成到的個(gè)性化分析結(jié)果也就越準(zhǔn)確，這是在線學(xué)習(xí)“形成性評價(jià)”積累的過程.

2.2 PHP后臺(tái)腳本

PHP程序存在于后臺(tái)服務(wù)器中，它可以良好的與Apache進(jìn)行通信并執(zhí)行相應(yīng)操作，是系統(tǒng)處理業(yè)務(wù)邏輯的關(guān)鍵所在，是實(shí)現(xiàn)個(gè)性化學(xué)習(xí)分析的主要途徑.在本研究中PHP腳本承擔(dān)了對數(shù)據(jù)庫的增刪改查操作以及分析運(yùn)算的功能，它作為功能層的核心元素使整個(gè)系統(tǒng)更具有智能化的特征.答題、查看答案等常規(guī)實(shí)現(xiàn)就不再過多贅述，本研究新引入了記錄學(xué)習(xí)者相關(guān)活動(dòng)數(shù)據(jù)的功能，并以此為基礎(chǔ)展開“學(xué)習(xí)分析”，相關(guān)分析功能的流程圖如圖5所示:

圖5 學(xué)習(xí)分析流程圖Fig.5 Flow chart of learning analysis

在圖5中我們可以清晰的看到PHP腳本在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中所履行的各項(xiàng)使命，總的來說它起到了關(guān)鍵橋梁紐帶的作用.首先在與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互方面，由于本題庫在答題頁面中所使用的全部為＜form/＞表單并且采用method＝”post”方式發(fā)送，所以我們可以運(yùn)用PHP的內(nèi)置方法——＄_POST[‘form-Name’]來獲取學(xué)習(xí)者在前端所填寫的內(nèi)容，進(jìn)而與正確答案進(jìn)行比對，并寫入答題記錄表中.在獲取數(shù)據(jù)的環(huán)節(jié)中，通過面向?qū)ο蟮膎ew mysqli()方法，將查詢到的結(jié)果集以對象的形式進(jìn)行輸出，其表的字段名稱就作為對象的成員屬性，然后利用分頁類(class page)來控制數(shù)據(jù)顯示規(guī)則.“學(xué)習(xí)分析”的核心就在于獲取答題記錄表中的數(shù)據(jù)，并將其整合、運(yùn)算，再結(jié)合習(xí)題表與知識(shí)點(diǎn)表的聯(lián)立，便可以形成就某一學(xué)習(xí)者個(gè)體而言的，關(guān)于習(xí)題、知識(shí)點(diǎn)、正確率、平均耗時(shí)、分?jǐn)?shù)、答題難度分布等多項(xiàng)要素的綜合分析報(bào)告.此外在學(xué)習(xí)指導(dǎo)干預(yù)環(huán)節(jié)中，以正確率和分?jǐn)?shù)為主要的測量依據(jù)，在項(xiàng)目文件中創(chuàng)建指導(dǎo)類(class guide)并在其中設(shè)置強(qiáng)化練習(xí)方法，若學(xué)習(xí)者就某一知識(shí)點(diǎn)掌握情況不理想時(shí)，則獲取正確率較低的知識(shí)點(diǎn)ID(字段名KnowledgePoint_id)，并生成該知識(shí)點(diǎn)的專項(xiàng)練習(xí)試卷，以供學(xué)習(xí)者鞏固該內(nèi)容.除了“形成性的學(xué)習(xí)分析”外，每當(dāng)學(xué)習(xí)者答完任一套試題后系統(tǒng)會(huì)立即將剛才的所得分?jǐn)?shù)、標(biāo)準(zhǔn)答案進(jìn)行及時(shí)反饋，從而確保在線學(xué)習(xí)的有效性.以上就是PHP腳本程序在答題與個(gè)性化分析過程中所發(fā)揮的主要作用.

2.3 前端開發(fā)

本研究中的前端開發(fā)首先以HTML＜framset/＞框架標(biāo)簽和CSS樣式布局為頁面基礎(chǔ)，同時(shí)在漢語題目的上方預(yù)留出相應(yīng)的div層作為題目藏文翻譯的展示區(qū)域.在注冊、登錄、答題等模塊中都融入了大量JavaScript腳本控制，這樣可以將部分運(yùn)算任務(wù)從后臺(tái)轉(zhuǎn)移至用戶瀏覽器中從而減輕服務(wù)器的負(fù)荷，并且還能夠很大程度上提升用戶的操作體驗(yàn).配合JQuery庫中的AJAX{}方法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁在不刷新的情況下完成更新，此技術(shù)在檢測注冊賬號(hào)是否被占用、登錄密碼錯(cuò)誤提示、題庫公告以及在線信息交互的環(huán)節(jié)中均有所涉及.在前端開發(fā)過程中采用最核心的技術(shù)就是PHP的Smarty模板技術(shù)，它可以將PHP的變量動(dòng)態(tài)地解析到瀏覽器頁面中，并且使HTML標(biāo)簽與后臺(tái)PHP代碼完全分離.Smarty模板是在.tpl文件中寫入HTML元素，然后在起到控制器作用的php文件中注入變量，通過模板引擎(解析類)將{＄xxx}特定形式的變量進(jìn)行解析(例如＜strong id＝"title"＞{＄title}＜/strong＞)并將結(jié)果置入編譯文件中，再由編譯文件向?yàn)g覽器進(jìn)行輸出的同時(shí)也生成了相應(yīng)的緩存文件，這樣可以極大的提高下次訪問的速度.系統(tǒng)最終效果如圖6所示:

圖6 最終效果圖Fig.6 The final result

3 結(jié)語

本研究中的藏漢雙語數(shù)學(xué)題庫以WEB程序?yàn)橐劳?，基于學(xué)習(xí)分析技術(shù)的方法對在線學(xué)習(xí)活動(dòng)中生成的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、處理并得到具有指導(dǎo)意義的個(gè)性化分析結(jié)果，從而有針對性地指出當(dāng)前存在的不足，使因材施教的理念在數(shù)據(jù)分析的支持下得以實(shí)現(xiàn).在語言呈現(xiàn)方面具備藏漢雙語的特色，這是在積極弘揚(yáng)少數(shù)民族文化的基礎(chǔ)上，使少數(shù)民族文字與現(xiàn)代科學(xué)知識(shí)相融合，讓廣大藏族同學(xué)在母語和漢語雙重呈現(xiàn)的情況下進(jìn)行學(xué)習(xí)，這不僅對藏族同學(xué)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)等自然科學(xué)知識(shí)有極大的促進(jìn)作用，同時(shí)也能為藏族地區(qū)的雙語教育注入新的活力.

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[14]楊新斌.計(jì)算機(jī)化自適應(yīng)考試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].江西:江西師范大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)專業(yè)，2006.

[15]楊帆.Web環(huán)境下基于 IRT的自適應(yīng)考試系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].成都:電子科技大學(xué)軟件工程專業(yè)，2007.

[16]XITAOFAN.Item response theory and classical test theory:an empirical comparison of their item/person statistics[J].Educational and Psychological Measurement，June 1998，P357.

(責(zé)任編輯：張陽，付強(qiáng)，李建忠，羅敏；英文編輯：周序林)

Design and implementation of Tibetan-Chinese bilingual math question bank based on learning analysis technology

WANG Zheng1，ZHAO Ying2

(1.Education Institute of Science and Technology，Northwest University for Nationalities，Lanzhou 730030，P.R.C.；2.Network and Information Management Center，Northwest University for Nationalities Lanzhou 730030，P.R.C.)

Based on the Internet＋education，this paper combines the method of learning analysis technology with current national advocacy of bilingual education teaching mode，starts with Tibetan-C-hinese bilingual math question bank，and systematically explains the design of its function，key technology and realization ways and so on.This is significant in further strengthening the informationization level of education in ethnic regions，and individualized teaching.

learning analysis technology；Tibetan-Chinese bilingual；math question bank

TP311.52

A

2095-4271(2016)04-0436-07

10.11920/xnmdzk.2016.04.012

2016-03-20

王錚(1989-)，男，漢族，吉林長春人，碩士研究生，研究方向:動(dòng)態(tài)網(wǎng)站的設(shè)計(jì)與開發(fā).

趙穎(1973-)，男，回族，教授，研究方向:新媒體技術(shù)與應(yīng)用.

西北民族大學(xué)研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):Yxm2015081).