《中医诊断学》师生交互式智能学习系统的设计与实现*

李 楠，张 燕，赵宇轩，肖晓霞

（湖南中医药大学 信息科学与工程学院，湖南 长沙 410208）

《中医诊断学》是中医相关专业学生的一门必修课程，学生在学习过程中不仅要学习望闻问切四诊法，还要建立唯物辨证思想，熟练掌握诊察病情、判断病证的方法和技能。其内容抽象、重点繁琐，学生在学习过程中较难掌握课程的核心思想，经过死记硬背后的学习效果甚微。[1]根据对大学生移动学习的需求分析，开发一款有效学习《中医诊断学》、提升用户体验度、促进中医学子交流的移动端平台企足而待。因此，本文的主要目的是开发一套能够辅助学生用户进行《中医诊断学》课程学习，满足学生随时随地的学习需求，方便教师和学生进行交流的移动学习系统。

一、国内外研究现状

1.国外研究现状

国外移动学习主要集中在欧洲和北美部分发达国家。国外的移动学习研究项目包括：应用于中小学教育领域的欧洲Learning2GO项目，把课堂学习延伸到了户外；[2]瑞典Vaxjo大学用Java和XML技术开发的C-Notes项目支持学生移动协作学习；[3]芬兰赫尔辛基大学的移动学习项目UniWap为学习者和教师提供了一个可操作的移动学习环境，学习者和教师能够通过智能手机随时随地访问教学和学习资源；斯坦福大学学习实验室（SLL）针对语言学习，开发出了移动学习模块，其模块包括了单词、测验和生词训练等功能，并且每个模块的持续时间被控制在30s-10min之间；[4]新墨西哥大学开发的Mentira是一款结合GPS并贴近真实社会的游戏，使用者在游戏里与人物进行交流，从而提高使用者的西班牙语交流能力[5]等。

2.国内研究现状

国内的移动学习研究相对国外起步较晚，但在最近几年也取得了不错的成就。如：应用于英语学习领域的百词斩、扇贝单词；实现资源共享，提供快捷问答交互功能的百度作业帮、学霸君；提供丰富课程资源的在线移动课堂沪江网校、网易云课堂；为社会考试而生的提分利器驾考宝典、粉笔公考等。

从上述的研究实例可以看出，移动学习的研究范围已经应用到基础教育、高校教育的补充、社会考试等领域，可以说是非常广泛。但目前市场上应用于中医学习方面的移动学习系统还比较少，特别是只针对《中医诊断学》的移动学习系统几乎没有，所以积极开展《中医诊断学》课程移动学习系统的研究尤为必要。

二、系统设计

1.需求分析

结合不同操作系统的移动终端使用量，选择Android这一开源的开发平台进行开发。《中医诊断学》师生交互式智能学习系统 （以下称为“中诊学习小助手”）面向的主要用户是中医院校的教师和学生，我们通过发放问卷、访谈的方式，结合国内外先进的学习理念以及当前学习类App的特点，总结出学生的学习需求、教师的教学需求。

学生的学习需求主要为视频学习、习题检测和互动交流等。我们挖掘出以下5个功能：①系统学习。采用微课式教学方法，[6]基于中医诊断学界泰斗朱文峰教授主讲的《中医诊断学》视频资源，把视频进行分解，划分为相对独立的知识模块，每个学习视频用10min-15min来阐述一个独立小知识点，有助于学生利用碎片时间随时学习，提高学习效率。另外，每个视频还应配有知识概要、入门习题以及可供下载的资源。②名师讲解。这是中医诊断学系统理论的扩展部分，采用视频学习的方式，视频内容可以是名师的教学心得、病案分析、中医诊断学的现代研究进展等，用于扩充学生的知识面。③习题检测。应提供进阶练习：入门习题对应于系统学习模块的每个视频，即每个知识点；精通习题采用遗传算法进行智能组卷，根据用户选择的难易程度组出更适合学生的个性化试卷，这也是本系统的亮点之一；大师习题是看图辩证的习题，由于辩证是一个动态的过程，所以该处习题的图片采用的是GIF动图。④你问我答。给学生和教师提供交流社区，以发帖的形式提出问题、解答问题、分享学习经验和心得。⑤个人中心。学生用户可以在此对个人信息进行管理。

教师的教学需求主要为查看学生学习情况、互动交流、分享资源等。我们挖掘出以下3个功能：①查看学生学习情况。以柱状图和饼状图的形式展示学生的学习情况，一目了然。②你问我答。该功能同学生用户的你问我答。③个人中心。对教师来说，在此模块除了能对个人信息进行管理外，还提供了上传资源的功能，实现资源共享。

本系统还需设置后台管理员，后台管理员通过后台管理系统实现对用户、视频、题库、问答资源的管理。

图1 系统功能模块图

2.总体设计

（1）系统功能模块设计

中诊学习小助手分为学生端App、教师端App以及后台管理系统3个子系统，分别针对学生、教师、管理员三种不同的用户。

学生端App分为名师讲解、系统学习、习题检测、你问我答、个人中心5个功能模块；教师端App分为查看学生学习情况、你问我答、个人中心3个功能模块；后台管理系统分为用户管理、视频资源管理、题库资源管理、问答资源管理4个功能模块。其中，每个模块实现不同的功能，模块与模块之间有一定的联系，使用者可以根据自己的需求选择相应的模块使用系统。系统的功能模块图如图1所示。

（2）技术架构设计

本系统的学生端App、教师端App与服务器端进行交互，是基于C/S架构的智能学习平台，后台管理系统通过浏览器与服务器端进行交互，即B/S架构。在系统的整体设计上，采用两种架构结合的方式——扩展化的B/S架构。[7]

系统分为终端层、服务器端接入层、服务器端业务层、服务器端数据层。通过这种分层的形式，实现了前后端的分离，降低了各层之间的耦合度，使得代码更加简洁，同时也便于系统后期的优化和维护工作。本系统的终端有浏览器终端和移动终端两种类型，用于显示界面、向服务器发送请求；服务器端接入层主要负责接收终端的请求以及给终端发送响应；服务器端业务层用于处理各种业务逻辑；服务器端数据层与数据库进行交互，为上层提供数据访问服务。为了提高代码的复用度，每一层都将提供一个通用的接口Java实现类。

终端与服务器的通讯采用HTTP协议，用Servlet技术接收或响应请求，JSON作为数据传输的格式。针对通信安全的问题，采用MD5数据加密算法对私密信息进行加密处理。

（3）数据库设计

系统采用SQL Server 2005数据库实现数据的存储。系统数据库包括用户表、章表、视频表、习题表、问题表、回答表、错题表、资源表。

数据库中存在以下实体类：用户、视频、习题、问题、回答、资源等，这些实体中存在“一对一”“一对多”以及“多对多”的关系。在设计表结构时，把存在“一对一”关系的放在一张表中，存在“一对多”关系的拆分在两张表中，对于“多对多”的实体，建立一张中间表，将其拆分成“一对一”和“一对多”的关系。

本着建立冗余较小、结构合理的数据库的原则，在设计数据库时遵循了三大范式：①数据库中的每张表的每一个字段都保证了其原子性，满足了第一范式。②数据库中的每张表的每一个字段都和所在表的主键相关，而不能仅满足主键的一部分，即一个表中只能保存一种数据，如有多种数据应进行拆分，用多张表进行存储，这就满足了第二范式。③数据库中的每一张表的每一个字段都和主键直接相关，而不能间接相关，满足第三范式。另外，考虑到在查询数据时的性能，适当增加了一些数据冗余，以达到时间性能的要求。

三、关键技术实现

1.Android客户端与服务器数据交互

Android客户端与服务器端数据交互的主要工作流程为：Android客户端通过HTTP协议，采用POST或者GET方法向服务器提交数据请求。服务器将数据请求通过服务器的Servlet子类HttpServlet对象提交给服务器的业务逻辑部分处理，服务器的业务逻辑部分根据Android客户端的要求进行运算，将运算的结果封装成JSON格式，再通过服务器端的HttpServlet响应到Android客户端。Android客户端将接收到的JSON格式的数据进行解析后显示在UI界面上。[8-10]

2.在线视频播放

通过服务器端的授权访问，采用HTTP协议从服务器获取课程视频的资源路径，并使用Vitamio框架，通过调用其提供的接口，访问资源路径进行视频播放。

3.智能组卷

在设计系统时，在习题检测的精通模块，要求进行智能组卷，试卷要满足用户的难度需求，区分度高。针对这样的多目标多约束求最优解问题，分析了多种算法，发现遗传算法非常适合解决此类问题。

遗传算法的过程类似于基因演化：①随机产生N个个体作为初始种群，设置最大迭代次数；②计算个体适应度，如果个体适应度符合期望值或迭代次数达到最大值，则输出最优解并结束，否则进入下一步；③依据适应度、采用轮盘赌的方式选择父代个体；④按照一定的交叉概率和交叉方法生成新的子代；⑤按照一定的变异概率和变异方法生成新的子代；⑥交叉和变异产生了新一代的种群，返回到步骤②。其流程图如图2所示。

考虑到使用传统的遗传算法进行组卷时会出现迭代后期效率慢、易陷入局部最优等问题，本系统在设计时对遗传算法进行了一些改进。在编码时，采用了分段实数的编码方案；在执行选择操作时，融入了精英保留策略；在执行交叉操作时，采用了分段单点交叉的方式。

图2 遗传算法的流程图

四、系统功能测试

学生端App和教师端App使用魅族MX5手机安装直接运行进行测试，测试机参数见表1。后台管理系统采用Google浏览器访问网站运行进行测试。测试用例及结果见表2。

表1 测试机性能参数表

表2 测试用例表

测试结果表明，各个模块的功能基本实现。在测试过程中，系统没有出现崩溃的情况，性能良好，能够满足学生的学习需求和教师的教学需求。

五、结束语

本文针对《中医诊断学》内容抽象、重点繁琐的特点，从移动学习的理论入手，对系统进行需求分析、总体设计和关键技术研究，使用Android Studio和MyEclipse开发了一套基于Android系统的《中医诊断学》课程移动学习系统，为中医专业学生的学习提供了科学有效的资源、方法，给学生和教师提供更好的学习交流平台，有助于提高学生的学习效率和学习效果。另外，本文采用的设计理念和实现方法符合移动学习系统的设计原则，适合大多数课程的学习情况。只需少量修改即可运用于其他课程或学科的学习，具有一定的实用和参考价值。但由于时间和技术等原因，本系统的智能组卷模块还未完整实现，这是系统下一步需要完善的部分。