高職院校計(jì)算機(jī)類專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)圖譜構(gòu)建初探

劉曉瑞 莫懷訓(xùn)

【摘 要】高職院校計(jì)算機(jī)類專業(yè)中信息化教學(xué)資源利用逐日廣泛，本文提出了一種基于知識(shí)圖譜技術(shù)建立自適應(yīng)信息化學(xué)習(xí)系統(tǒng)提高教學(xué)資源利用率的方法。實(shí)施該方法的基礎(chǔ)是首先要構(gòu)造出不同課程對(duì)應(yīng)的知識(shí)圖譜，本文以計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)為例對(duì)知識(shí)圖譜的構(gòu)造技術(shù)進(jìn)行了介紹，對(duì)讀者建立其他課程乃至其他專業(yè)的知識(shí)圖譜具有一定的指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī)類專業(yè)；知識(shí)圖譜；自適應(yīng)

【中圖分類號(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】2095-3089（2018）22-0010-02

在目前職業(yè)學(xué)校中，各類信息化教學(xué)資源主要集中在虛擬仿真、網(wǎng)絡(luò)課程、微課視頻、遠(yuǎn)程教育等方面，這些資源使用的共同特點(diǎn)是高度依賴于教師的選擇和組織。如果缺乏教師引導(dǎo)，對(duì)于受教育者特別是職業(yè)院校的在校學(xué)生，難以明確自己的學(xué)習(xí)需求，從而不易自行匹配使用相關(guān)資源，最終導(dǎo)致學(xué)校提供的信息化資源利用率低，造成巨大的浪費(fèi)。多數(shù)高職院校各專業(yè)均存在類似的浪費(fèi)現(xiàn)象。

出現(xiàn)上述浪費(fèi)現(xiàn)象的本質(zhì)原因是這些信息化教學(xué)資源在應(yīng)用中不具有自適應(yīng)性，解決信息化教學(xué)資源應(yīng)用中的自適應(yīng)問題，就可以極大的提高資源的利用效率，解決自適應(yīng)性問題的主要工具有人工智能和知識(shí)圖譜等技術(shù)。本文重點(diǎn)介紹知識(shí)圖譜技術(shù)及其在計(jì)算機(jī)類專業(yè)信息化教學(xué)中的應(yīng)用。

一、知識(shí)圖譜技術(shù)簡介

知識(shí)圖譜本質(zhì)上是語義網(wǎng)絡(luò)，是一種基于圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，由節(jié)點(diǎn)（Point）和邊（Edge）組成。在知識(shí)圖譜里，每個(gè)節(jié)點(diǎn)表示現(xiàn)實(shí)世界中存在的“實(shí)體”，每條邊為實(shí)體與實(shí)體之間的“關(guān)系”。知識(shí)圖譜是關(guān)系的最有效的表示方式。通俗地講，知識(shí)圖譜就是把所有不同種類的信息（Heterogeneous Information）連接在一起而得到的一個(gè)關(guān)系網(wǎng)絡(luò)。知識(shí)圖譜提供了從“關(guān)系”的角度去分析問題的能力。

現(xiàn)有的大規(guī)模知識(shí)圖譜，國外主要有Yago、Dbpedia、Freebase、谷歌知識(shí)圖譜和Nell。這些知識(shí)圖譜中包含的事實(shí)數(shù)量均是億級(jí)。國內(nèi)主要有百度知心、搜狗知立方、阿里巴巴知識(shí)庫。對(duì)于垂直行業(yè)知識(shí)庫，國外主要有針對(duì)娛樂行業(yè)的IMDB、音樂庫MusicBrainz等，國內(nèi)有訊飛音樂知識(shí)庫、訊飛10086客服。垂直行業(yè)知識(shí)庫的描述目標(biāo)是特定的行業(yè)領(lǐng)域，通常需要依靠特定行業(yè)的數(shù)據(jù)才能構(gòu)建。

知識(shí)圖譜的建立方式主要有基于大數(shù)據(jù)的自動(dòng)分析構(gòu)建技術(shù)和基于工具的人工半自動(dòng)構(gòu)建方式兩種。

二、知識(shí)圖譜在高職計(jì)算機(jī)類專業(yè)信息化教學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建中的應(yīng)用

針對(duì)高職院校計(jì)算機(jī)類專業(yè)，以“以信息技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)”為切入點(diǎn)，應(yīng)用知識(shí)圖譜工具將基礎(chǔ)課程內(nèi)容重構(gòu)，課程中各知識(shí)點(diǎn)和技能點(diǎn)將通過關(guān)系網(wǎng)絡(luò)連接在一起。在此基礎(chǔ)上研制的信息化教學(xué)資源將可以自動(dòng)根據(jù)學(xué)生個(gè)體在學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)的問題調(diào)整接下來的學(xué)習(xí)路徑，從而使得學(xué)習(xí)系統(tǒng)對(duì)每一個(gè)使用者都具有了自適應(yīng)性，讓“因材施教”這個(gè)教育原則在技術(shù)上得到了根本保障。

首先我們要確定基礎(chǔ)課程的內(nèi)容，其主要由課程體系中的專業(yè)課程學(xué)習(xí)需求來確定的，也就是說例如后面《網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用基礎(chǔ)》課學(xué)習(xí)需要學(xué)習(xí)掌握網(wǎng)絡(luò)地址，IP地址的分配計(jì)算，則在前面《計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)》課程中訓(xùn)練學(xué)生掌握各種進(jìn)制的區(qū)別和轉(zhuǎn)換的計(jì)算；另外基礎(chǔ)課程中還有一部分內(nèi)容不是后期專業(yè)課程直接所需，但是本身學(xué)習(xí)過程中必需的基礎(chǔ)概念。

當(dāng)課程內(nèi)容確定后，需要將其中的概念和計(jì)算方法全部提煉出來作為圖譜當(dāng)中的實(shí)體，實(shí)體的屬性包括內(nèi)容、難度值和學(xué)習(xí)資源鏈接等。本圖譜中各實(shí)體之間的關(guān)系主要就是學(xué)習(xí)過程中體現(xiàn)的邏輯順序關(guān)系，有的必須在先，有的必須在后，還有的可以并行；同時(shí)為了便于使用者學(xué)習(xí)本門課程，我們還應(yīng)該提供各實(shí)體之間的相似關(guān)系。

當(dāng)我們建立好知識(shí)圖譜之后，就可以在此基礎(chǔ)上建立一個(gè)基于問題驅(qū)動(dòng)的學(xué)習(xí)系統(tǒng)。當(dāng)學(xué)生個(gè)體進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，首先面對(duì)的是問題，當(dāng)學(xué)生不能解決該問題時(shí)，將進(jìn)行該問題有關(guān)的知識(shí)學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)界面中可以點(diǎn)擊相關(guān)的學(xué)習(xí)資源鏈接；學(xué)習(xí)完成后，系統(tǒng)再次提出相關(guān)問題，如果學(xué)生能解決則系統(tǒng)將根據(jù)知識(shí)圖譜中的關(guān)系連接自動(dòng)提出下一步的問題，否則將退回到比當(dāng)前知識(shí)點(diǎn)更前的知識(shí)學(xué)習(xí)。如此往復(fù)進(jìn)行，直到學(xué)生成功回答到系統(tǒng)預(yù)設(shè)的一系列目標(biāo)問題為止。

在該系統(tǒng)中，各資源將以鏈接的形式存儲(chǔ)在知識(shí)圖譜的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上。從而我們就可以把各類教學(xué)資源有機(jī)整合起來，通過學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度自動(dòng)推送，從而避免了學(xué)生由于需求不明無法自行選擇的問題，從根本上提高了信息化教學(xué)資源的有效利用率。

三、需要解決的重點(diǎn)問題

1.合理控制知識(shí)圖譜的構(gòu)建規(guī)模。

就學(xué)科知識(shí)而言，計(jì)算機(jī)類基礎(chǔ)課程主要包含計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)知識(shí)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用基礎(chǔ)知識(shí)。很明顯，對(duì)于不同層次的計(jì)算機(jī)類專業(yè)學(xué)生來講，計(jì)算機(jī)類基礎(chǔ)課程包含的知識(shí)范圍有較大區(qū)別。例如計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)里的計(jì)算機(jī)發(fā)展史基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)于高職學(xué)生來講，在后續(xù)的專業(yè)學(xué)習(xí)中基本不會(huì)再涉及，那么我們?cè)跇?gòu)建知識(shí)圖譜時(shí)可以不必將其包含進(jìn)去；而計(jì)算機(jī)軟件硬件基礎(chǔ)知識(shí)，在之后的軟件相關(guān)課程學(xué)習(xí)和網(wǎng)絡(luò)相關(guān)課程學(xué)習(xí)中會(huì)頻繁使用到，必須構(gòu)建到知識(shí)圖譜中間去。因此確定知識(shí)范圍，合理構(gòu)建知識(shí)圖譜將是運(yùn)用知識(shí)圖譜技術(shù)的重點(diǎn)，是保障項(xiàng)目成功進(jìn)行的關(guān)鍵。

2.知識(shí)圖譜構(gòu)建方法。

如何根據(jù)基礎(chǔ)課程的知識(shí)內(nèi)容構(gòu)建知識(shí)圖譜的關(guān)鍵是正確提取其中的實(shí)體和關(guān)系。實(shí)體和關(guān)系的提取涉及到自然語言的理解和推理，如果我們采用工具純自動(dòng)化的建立，涉及到的理論和技術(shù)障礙較多。由于我們建立的是一個(gè)規(guī)模較小、范圍有限、垂直行業(yè)應(yīng)用的知識(shí)圖譜，因此我們可以采用自動(dòng)化工具和專家人工相結(jié)合來構(gòu)建。

知識(shí)圖譜的存儲(chǔ)不能采用一般的關(guān)系數(shù)據(jù)庫，因?yàn)橐话愎?jié)點(diǎn)之間關(guān)聯(lián)深度超過5的話，關(guān)系數(shù)據(jù)庫將不能解決。本文項(xiàng)目采用較為流行的圖形數(shù)據(jù)庫neo4j來構(gòu)建，通過Python來編程使用。示例如下：

例如“進(jìn)制轉(zhuǎn)換”、“進(jìn)制規(guī)則”、“轉(zhuǎn)換算法”、“IP地址”這四個(gè)知識(shí)點(diǎn)的關(guān)系如下圖。

現(xiàn)在利用圖形數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存，并獲得“IP地址”知識(shí)點(diǎn)的上一步應(yīng)該學(xué)習(xí)的所有知識(shí)點(diǎn)，并為“進(jìn)制規(guī)則”知識(shí)點(diǎn)過關(guān)后可以推薦給用戶的后續(xù)知識(shí)點(diǎn)。構(gòu)建方法見下面代碼。

#！/usr/bin/env python

# -*- coding： utf-8 -*-

# 以下為使用Neo4j圖形數(shù)據(jù)庫建立計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)知識(shí)圖譜的示例

#

from neo4j import GraphDatabase， INCOMING

# 創(chuàng)建或連接數(shù)據(jù)庫

db =GraphDatabase（'neodb'）

# 在一個(gè)事務(wù)內(nèi)完成寫或讀操作

with db.transaction：

#創(chuàng)建計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)知識(shí)圖譜

dgdztp =db.node（）

# 連接到參考節(jié)點(diǎn)，方便查找

db.reference_node.USERS（dgdztp）

# 為知識(shí)節(jié)點(diǎn)建立索引，便于快速查找

dgdz_idx =db.node.indexes.create（' dgdztp '）

#創(chuàng)建知識(shí)節(jié)點(diǎn)函數(shù)

def create_dgdznode（name）：

with db.transaction：

dgdznode =db.node（name=name）

dgdznode.INSTANCE_OF（dgdz）

# 建立基于節(jié)點(diǎn)name的索引

dgdz_idx['name'][name] =dgdznode

return dgdznode

#根據(jù)節(jié)點(diǎn)名獲得知識(shí)節(jié)點(diǎn)

def get_dgdznode （name）：

return dgdz_idx['name'][name].single

#建立節(jié)點(diǎn)

for name in['IP地址'， '進(jìn)制轉(zhuǎn)換'，'轉(zhuǎn)換規(guī)則'，'轉(zhuǎn)換算法']：

create_ dgdznode （name）

#為節(jié)點(diǎn)間添加關(guān)注關(guān)系（FOLLOWS）

with db.transaction：

get_dgdznode （'進(jìn)制規(guī)則'）.FOLLOWS（get_dgdznode （'IP地址'））

get_dgdznode （'進(jìn)制轉(zhuǎn)換'）.FOLLOWS（get_dgdznode （'IP地址'））

get_dgdznode （'轉(zhuǎn)換算法'）.FOLLOWS（get_dgdznode （'進(jìn)制規(guī)則'））

# 獲得“IP地址”的上一級(jí)知識(shí)節(jié)點(diǎn)

for relationship in get_dgdznode （'IP地址'）.FOLLOWS.incoming：

u = relationship.start

print u['name']

#輸出結(jié)果：進(jìn)制轉(zhuǎn)換，禁止規(guī)則

#查詢“轉(zhuǎn)換規(guī)則”節(jié)點(diǎn)的上一級(jí)知識(shí)節(jié)點(diǎn)的上一級(jí)節(jié)點(diǎn)

nid = get_dgdznode （'轉(zhuǎn)換規(guī)則'）.id

#設(shè)置查詢語句

query = “START n=node（{id}） MATCH n-[：FOLLOWS]->m-[：FOLLOWS]->fof RETURN n，m，fof”

for row in db.query（query，id=nid）：

node = row['fof']

print node['name']

#輸出結(jié)果：IP地址

目前已基本完成了高職計(jì)算機(jī)類專業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)知識(shí)圖譜的構(gòu)建工作，為下一步開發(fā)自適應(yīng)信息化學(xué)習(xí)系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。本文拋磚引玉，希望能對(duì)開發(fā)其他課程乃至整個(gè)專業(yè)的基于知識(shí)圖譜的自適應(yīng)信息化學(xué)習(xí)系統(tǒng)有所幫助。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：劉曉瑞（1980-），女，河南開封人，廣州城市職業(yè)學(xué)院信息技術(shù)系，碩士，研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)應(yīng)用，數(shù)據(jù)庫技術(shù)。