一种基于数据挖掘和公式发现的智能教具系统

摘要

教育创新是一个民族的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力。新的教学理念也必须有相应的教学手段给予支持。随着现代信息技术与计算机技术的飞速发展，许多新的技术都应用到教育领域，促进着教育技术的进步，为现代教育技术注入了新的内容。人工智能是信息技术发展的重要方向之一。世界各国都在开展智能教具的研究工作，智能型教学仪器的发展方向是智能化和小型化。 我国教学用具的特点主要表现为：智能化程度低、系统尺寸庞大，现行教具只能为学习者提供进行验证型实践活动的支持，对学习者创造力和想象力的培养作用十分有限。 目前，世界上只有美国德州仪器公司开发成功了手持式的具有知识发现能力的智能教具——图形化计算器。但是，它在公式发现上仍然采用的是传统的数据拟合技术，存在着当行列式元素微小变化引起解的显著变化的问题，即线性方程组系数行列式存在“病态问题”。并且，图形化计算器发掘出来的公式只有多项式一种类型，知识形式单一、可理解性、可用性差。 为了解决这个问题，本文采用人工智能理论、数据挖掘、知识发现与嵌入式系统设计技术相结合，研究新型智能教具系统。 在本文中，我们对FDD(Formula Discovery from Data)公式发现的基本理论做了深入的研究，对FDD基本理论中的误差计算、函数库(原型库)功能、搜索标准、以及误差比较做了改进和优化，并在此基础上，围绕FDD的基本思想，在PC机上实现了改进型FDD公式发现系统。改进型FDD公式发现系统可以对学习者所输入的实验数据进行公式挖掘，以初等函数的形式表示出实验数据之间的公式，并且通过大量实验证明其公式发现的效果比单纯按照FDD基本理论所设计的系统有明显提高。另外，此系统具备强大的图形显示功能，能够将公式发现过程与结果以图形形式直观地呈现给学习者。 改进型FDD公式发现系统的实现为嵌入式智能教具系统的研究提供了算法原型，形成了整个项目中具有开创性的研究成果。

目录

文摘

英文文摘

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第一章 绪论

1.1研究智能教具的意义

1.2研究现状及存在的问题

1.2.1公式发现方法综述

1.2.2本文的研究背景

1.2.3开发环境与工具

1.3本文拟解决的问题

第二章 FDD公式发现理论

2.1 FDD.1

2.1.1问题描述

2.1.2 FDD的设计思想

2.1.3 FDD系统的结构

2.1.4 FDD系统中的知识

2.1.5 FDD.1系统实例

2.2 FDD.2

2.3 FDD.3

2.4本章小结

第三章对FDD算法的改进和优化

3.1误差dt的计算

3.2引入误差方差作为判断搜索方向的标准

3.3系统原型函数库的扩展

3.3.1 FDD基本理论中函数库存在的问题

3.3.2对函数库的扩展

3.4对误差率dt的比较

3.5本章小结

第四章改进型FDD算法

4.1改进型FDD算法的总体结构

4.2函数库形式

4.3辅助计算模块设计

4.4 FDD核心算法实现

4.5本章小结

第五章基于PC机实现改进型FDD算法

5.1系统总体介绍

5.2 FDD算法模块介绍

5.2.1模块总体设计

5.2.2函数库模块的实现

5.2.3辅助计算模块的实现

5.2.4辅助数据结构模块

5.2.5 FDD算法模块

5.2.6 FDD算法模块各类关系图说明

5.3 MFC模块介绍

5.3.1 MFC框架简介

5.3.2系统与MFC的结合

5.4 Matcom模块

5.4.1 Matcom简介

5.4.2本系统与Matcom的结合

5.5本章小结

第六章实验与分析

6.1行星运动开普勒第三定律的重新发现

6.2带参数的三角函数实验

6.3本章小结

第七章总结与展望

7.1主要工作

7.2今后工作

参考文献

攻读硕士论文期间参予的学术活动

致谢