李 楠，張 燕，趙宇軒，肖曉霞

（湖南中醫(yī)藥大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410208）

《中醫(yī)診斷學(xué)》是中醫(yī)相關(guān)專業(yè)學(xué)生的一門必修課程，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中不僅要學(xué)習(xí)望聞問(wèn)切四診法，還要建立唯物辨證思想，熟練掌握診察病情、判斷病證的方法和技能。其內(nèi)容抽象、重點(diǎn)繁瑣，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中較難掌握課程的核心思想，經(jīng)過(guò)死記硬背后的學(xué)習(xí)效果甚微。[1]根據(jù)對(duì)大學(xué)生移動(dòng)學(xué)習(xí)的需求分析，開發(fā)一款有效學(xué)習(xí)《中醫(yī)診斷學(xué)》、提升用戶體驗(yàn)度、促進(jìn)中醫(yī)學(xué)子交流的移動(dòng)端平臺(tái)企足而待。因此，本文的主要目的是開發(fā)一套能夠輔助學(xué)生用戶進(jìn)行《中醫(yī)診斷學(xué)》課程學(xué)習(xí)，滿足學(xué)生隨時(shí)隨地的學(xué)習(xí)需求，方便教師和學(xué)生進(jìn)行交流的移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)。

一、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外移動(dòng)學(xué)習(xí)主要集中在歐洲和北美部分發(fā)達(dá)國(guó)家。國(guó)外的移動(dòng)學(xué)習(xí)研究項(xiàng)目包括：應(yīng)用于中小學(xué)教育領(lǐng)域的歐洲Learning2GO項(xiàng)目，把課堂學(xué)習(xí)延伸到了戶外；[2]瑞典Vaxjo大學(xué)用Java和XML技術(shù)開發(fā)的C-Notes項(xiàng)目支持學(xué)生移動(dòng)協(xié)作學(xué)習(xí)；[3]芬蘭赫爾辛基大學(xué)的移動(dòng)學(xué)習(xí)項(xiàng)目UniWap為學(xué)習(xí)者和教師提供了一個(gè)可操作的移動(dòng)學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)習(xí)者和教師能夠通過(guò)智能手機(jī)隨時(shí)隨地訪問(wèn)教學(xué)和學(xué)習(xí)資源；斯坦福大學(xué)學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)室（SLL）針對(duì)語(yǔ)言學(xué)習(xí)，開發(fā)出了移動(dòng)學(xué)習(xí)模塊，其模塊包括了單詞、測(cè)驗(yàn)和生詞訓(xùn)練等功能，并且每個(gè)模塊的持續(xù)時(shí)間被控制在30s-10min之間；[4]新墨西哥大學(xué)開發(fā)的Mentira是一款結(jié)合GPS并貼近真實(shí)社會(huì)的游戲，使用者在游戲里與人物進(jìn)行交流，從而提高使用者的西班牙語(yǔ)交流能力[5]等。

2.國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)的移動(dòng)學(xué)習(xí)研究相對(duì)國(guó)外起步較晚，但在最近幾年也取得了不錯(cuò)的成就。如：應(yīng)用于英語(yǔ)學(xué)習(xí)領(lǐng)域的百詞斬、扇貝單詞；實(shí)現(xiàn)資源共享，提供快捷問(wèn)答交互功能的百度作業(yè)幫、學(xué)霸君；提供豐富課程資源的在線移動(dòng)課堂滬江網(wǎng)校、網(wǎng)易云課堂；為社會(huì)考試而生的提分利器駕考寶典、粉筆公考等。

從上述的研究實(shí)例可以看出，移動(dòng)學(xué)習(xí)的研究范圍已經(jīng)應(yīng)用到基礎(chǔ)教育、高校教育的補(bǔ)充、社會(huì)考試等領(lǐng)域，可以說(shuō)是非常廣泛。但目前市場(chǎng)上應(yīng)用于中醫(yī)學(xué)習(xí)方面的移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)還比較少，特別是只針對(duì)《中醫(yī)診斷學(xué)》的移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)幾乎沒(méi)有，所以積極開展《中醫(yī)診斷學(xué)》課程移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的研究尤為必要。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.需求分析

結(jié)合不同操作系統(tǒng)的移動(dòng)終端使用量，選擇Android這一開源的開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)?！吨嗅t(yī)診斷學(xué)》師生交互式智能學(xué)習(xí)系統(tǒng) （以下稱為“中診學(xué)習(xí)小助手”）面向的主要用戶是中醫(yī)院校的教師和學(xué)生，我們通過(guò)發(fā)放問(wèn)卷、訪談的方式，結(jié)合國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的學(xué)習(xí)理念以及當(dāng)前學(xué)習(xí)類App的特點(diǎn)，總結(jié)出學(xué)生的學(xué)習(xí)需求、教師的教學(xué)需求。

學(xué)生的學(xué)習(xí)需求主要為視頻學(xué)習(xí)、習(xí)題檢測(cè)和互動(dòng)交流等。我們挖掘出以下5個(gè)功能：①系統(tǒng)學(xué)習(xí)。采用微課式教學(xué)方法，[6]基于中醫(yī)診斷學(xué)界泰斗朱文峰教授主講的《中醫(yī)診斷學(xué)》視頻資源，把視頻進(jìn)行分解，劃分為相對(duì)獨(dú)立的知識(shí)模塊，每個(gè)學(xué)習(xí)視頻用10min-15min來(lái)闡述一個(gè)獨(dú)立小知識(shí)點(diǎn)，有助于學(xué)生利用碎片時(shí)間隨時(shí)學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)效率。另外，每個(gè)視頻還應(yīng)配有知識(shí)概要、入門習(xí)題以及可供下載的資源。②名師講解。這是中醫(yī)診斷學(xué)系統(tǒng)理論的擴(kuò)展部分，采用視頻學(xué)習(xí)的方式，視頻內(nèi)容可以是名師的教學(xué)心得、病案分析、中醫(yī)診斷學(xué)的現(xiàn)代研究進(jìn)展等，用于擴(kuò)充學(xué)生的知識(shí)面。③習(xí)題檢測(cè)。應(yīng)提供進(jìn)階練習(xí)：入門習(xí)題對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)學(xué)習(xí)模塊的每個(gè)視頻，即每個(gè)知識(shí)點(diǎn)；精通習(xí)題采用遺傳算法進(jìn)行智能組卷，根據(jù)用戶選擇的難易程度組出更適合學(xué)生的個(gè)性化試卷，這也是本系統(tǒng)的亮點(diǎn)之一；大師習(xí)題是看圖辯證的習(xí)題，由于辯證是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，所以該處習(xí)題的圖片采用的是GIF動(dòng)圖。④你問(wèn)我答。給學(xué)生和教師提供交流社區(qū)，以發(fā)帖的形式提出問(wèn)題、解答問(wèn)題、分享學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)和心得。⑤個(gè)人中心。學(xué)生用戶可以在此對(duì)個(gè)人信息進(jìn)行管理。

教師的教學(xué)需求主要為查看學(xué)生學(xué)習(xí)情況、互動(dòng)交流、分享資源等。我們挖掘出以下3個(gè)功能：①查看學(xué)生學(xué)習(xí)情況。以柱狀圖和餅狀圖的形式展示學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，一目了然。②你問(wèn)我答。該功能同學(xué)生用戶的你問(wèn)我答。③個(gè)人中心。對(duì)教師來(lái)說(shuō)，在此模塊除了能對(duì)個(gè)人信息進(jìn)行管理外，還提供了上傳資源的功能，實(shí)現(xiàn)資源共享。

本系統(tǒng)還需設(shè)置后臺(tái)管理員，后臺(tái)管理員通過(guò)后臺(tái)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶、視頻、題庫(kù)、問(wèn)答資源的管理。

圖1 系統(tǒng)功能模塊圖

2.總體設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

中診學(xué)習(xí)小助手分為學(xué)生端App、教師端App以及后臺(tái)管理系統(tǒng)3個(gè)子系統(tǒng)，分別針對(duì)學(xué)生、教師、管理員三種不同的用戶。

學(xué)生端App分為名師講解、系統(tǒng)學(xué)習(xí)、習(xí)題檢測(cè)、你問(wèn)我答、個(gè)人中心5個(gè)功能模塊；教師端App分為查看學(xué)生學(xué)習(xí)情況、你問(wèn)我答、個(gè)人中心3個(gè)功能模塊；后臺(tái)管理系統(tǒng)分為用戶管理、視頻資源管理、題庫(kù)資源管理、問(wèn)答資源管理4個(gè)功能模塊。其中，每個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)不同的功能，模塊與模塊之間有一定的聯(lián)系，使用者可以根據(jù)自己的需求選擇相應(yīng)的模塊使用系統(tǒng)。系統(tǒng)的功能模塊圖如圖1所示。

（2）技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的學(xué)生端App、教師端App與服務(wù)器端進(jìn)行交互，是基于C/S架構(gòu)的智能學(xué)習(xí)平臺(tái)，后臺(tái)管理系統(tǒng)通過(guò)瀏覽器與服務(wù)器端進(jìn)行交互，即B/S架構(gòu)。在系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)上，采用兩種架構(gòu)結(jié)合的方式——擴(kuò)展化的B/S架構(gòu)。[7]

系統(tǒng)分為終端層、服務(wù)器端接入層、服務(wù)器端業(yè)務(wù)層、服務(wù)器端數(shù)據(jù)層。通過(guò)這種分層的形式，實(shí)現(xiàn)了前后端的分離，降低了各層之間的耦合度，使得代碼更加簡(jiǎn)潔，同時(shí)也便于系統(tǒng)后期的優(yōu)化和維護(hù)工作。本系統(tǒng)的終端有瀏覽器終端和移動(dòng)終端兩種類型，用于顯示界面、向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求；服務(wù)器端接入層主要負(fù)責(zé)接收終端的請(qǐng)求以及給終端發(fā)送響應(yīng)；服務(wù)器端業(yè)務(wù)層用于處理各種業(yè)務(wù)邏輯；服務(wù)器端數(shù)據(jù)層與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互，為上層提供數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)。為了提高代碼的復(fù)用度，每一層都將提供一個(gè)通用的接口Java實(shí)現(xiàn)類。

終端與服務(wù)器的通訊采用HTTP協(xié)議，用Servlet技術(shù)接收或響應(yīng)請(qǐng)求，JSON作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷?。針?duì)通信安全的問(wèn)題，采用MD5數(shù)據(jù)加密算法對(duì)私密信息進(jìn)行加密處理。

（3）數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)包括用戶表、章表、視頻表、習(xí)題表、問(wèn)題表、回答表、錯(cuò)題表、資源表。

數(shù)據(jù)庫(kù)中存在以下實(shí)體類：用戶、視頻、習(xí)題、問(wèn)題、回答、資源等，這些實(shí)體中存在“一對(duì)一”“一對(duì)多”以及“多對(duì)多”的關(guān)系。在設(shè)計(jì)表結(jié)構(gòu)時(shí)，把存在“一對(duì)一”關(guān)系的放在一張表中，存在“一對(duì)多”關(guān)系的拆分在兩張表中，對(duì)于“多對(duì)多”的實(shí)體，建立一張中間表，將其拆分成“一對(duì)一”和“一對(duì)多”的關(guān)系。

本著建立冗余較小、結(jié)構(gòu)合理的數(shù)據(jù)庫(kù)的原則，在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)遵循了三大范式：①數(shù)據(jù)庫(kù)中的每張表的每一個(gè)字段都保證了其原子性，滿足了第一范式。②數(shù)據(jù)庫(kù)中的每張表的每一個(gè)字段都和所在表的主鍵相關(guān)，而不能僅滿足主鍵的一部分，即一個(gè)表中只能保存一種數(shù)據(jù)，如有多種數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行拆分，用多張表進(jìn)行存儲(chǔ)，這就滿足了第二范式。③數(shù)據(jù)庫(kù)中的每一張表的每一個(gè)字段都和主鍵直接相關(guān)，而不能間接相關(guān)，滿足第三范式。另外，考慮到在查詢數(shù)據(jù)時(shí)的性能，適當(dāng)增加了一些數(shù)據(jù)冗余，以達(dá)到時(shí)間性能的要求。

三、關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

1.Android客戶端與服務(wù)器數(shù)據(jù)交互

Android客戶端與服務(wù)器端數(shù)據(jù)交互的主要工作流程為：Android客戶端通過(guò)HTTP協(xié)議，采用POST或者GET方法向服務(wù)器提交數(shù)據(jù)請(qǐng)求。服務(wù)器將數(shù)據(jù)請(qǐng)求通過(guò)服務(wù)器的Servlet子類HttpServlet對(duì)象提交給服務(wù)器的業(yè)務(wù)邏輯部分處理，服務(wù)器的業(yè)務(wù)邏輯部分根據(jù)Android客戶端的要求進(jìn)行運(yùn)算，將運(yùn)算的結(jié)果封裝成JSON格式，再通過(guò)服務(wù)器端的HttpServlet響應(yīng)到Android客戶端。Android客戶端將接收到的JSON格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析后顯示在UI界面上。[8-10]

2.在線視頻播放

通過(guò)服務(wù)器端的授權(quán)訪問(wèn)，采用HTTP協(xié)議從服務(wù)器獲取課程視頻的資源路徑，并使用Vitamio框架，通過(guò)調(diào)用其提供的接口，訪問(wèn)資源路徑進(jìn)行視頻播放。

3.智能組卷

在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，在習(xí)題檢測(cè)的精通模塊，要求進(jìn)行智能組卷，試卷要滿足用戶的難度需求，區(qū)分度高。針對(duì)這樣的多目標(biāo)多約束求最優(yōu)解問(wèn)題，分析了多種算法，發(fā)現(xiàn)遺傳算法非常適合解決此類問(wèn)題。

遺傳算法的過(guò)程類似于基因演化：①隨機(jī)產(chǎn)生N個(gè)個(gè)體作為初始種群，設(shè)置最大迭代次數(shù)；②計(jì)算個(gè)體適應(yīng)度，如果個(gè)體適應(yīng)度符合期望值或迭代次數(shù)達(dá)到最大值，則輸出最優(yōu)解并結(jié)束，否則進(jìn)入下一步；③依據(jù)適應(yīng)度、采用輪盤賭的方式選擇父代個(gè)體；④按照一定的交叉概率和交叉方法生成新的子代；⑤按照一定的變異概率和變異方法生成新的子代；⑥交叉和變異產(chǎn)生了新一代的種群，返回到步驟②。其流程圖如圖2所示。

考慮到使用傳統(tǒng)的遺傳算法進(jìn)行組卷時(shí)會(huì)出現(xiàn)迭代后期效率慢、易陷入局部最優(yōu)等問(wèn)題，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)遺傳算法進(jìn)行了一些改進(jìn)。在編碼時(shí)，采用了分段實(shí)數(shù)的編碼方案；在執(zhí)行選擇操作時(shí)，融入了精英保留策略；在執(zhí)行交叉操作時(shí)，采用了分段單點(diǎn)交叉的方式。

圖2 遺傳算法的流程圖

四、系統(tǒng)功能測(cè)試

學(xué)生端App和教師端App使用魅族MX5手機(jī)安裝直接運(yùn)行進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試機(jī)參數(shù)見表1。后臺(tái)管理系統(tǒng)采用Google瀏覽器訪問(wèn)網(wǎng)站運(yùn)行進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試用例及結(jié)果見表2。

表1 測(cè)試機(jī)性能參數(shù)表

表2 測(cè)試用例表

測(cè)試結(jié)果表明，各個(gè)模塊的功能基本實(shí)現(xiàn)。在測(cè)試過(guò)程中，系統(tǒng)沒(méi)有出現(xiàn)崩潰的情況，性能良好，能夠滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和教師的教學(xué)需求。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)《中醫(yī)診斷學(xué)》內(nèi)容抽象、重點(diǎn)繁瑣的特點(diǎn)，從移動(dòng)學(xué)習(xí)的理論入手，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行需求分析、總體設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)研究，使用Android Studio和MyEclipse開發(fā)了一套基于Android系統(tǒng)的《中醫(yī)診斷學(xué)》課程移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，為中醫(yī)專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)提供了科學(xué)有效的資源、方法，給學(xué)生和教師提供更好的學(xué)習(xí)交流平臺(tái)，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)效果。另外，本文采用的設(shè)計(jì)理念和實(shí)現(xiàn)方法符合移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，適合大多數(shù)課程的學(xué)習(xí)情況。只需少量修改即可運(yùn)用于其他課程或?qū)W科的學(xué)習(xí)，具有一定的實(shí)用和參考價(jià)值。但由于時(shí)間和技術(shù)等原因，本系統(tǒng)的智能組卷模塊還未完整實(shí)現(xiàn)，這是系統(tǒng)下一步需要完善的部分。