理工科專業(yè)課知識圖譜的構(gòu)建與應(yīng)用*

于強(qiáng) 左 磊 李亞超

（1.西安電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 陜西西安 710071；2.安電子科技大學(xué)雷達(dá)信號處理國家重點實驗室 陜西西安 710071）

引言

課程教學(xué)是學(xué)校實現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)最主要、最直接的途徑。信息技術(shù)的高速發(fā)展、新冠疫情的延怠反復(fù)促使在線教學(xué)成為課程教學(xué)的新常態(tài)。在線教學(xué)模式具有傳統(tǒng)課堂教學(xué)無法比擬的優(yōu)勢與便利。它不受時間、空間的限制，教師和學(xué)生只要一臺電腦、一部手機(jī)，就可以在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下開展教學(xué)活動，而且學(xué)生還可以多次回放教學(xué)視頻、下載配套學(xué)習(xí)資源，自主控制學(xué)習(xí)進(jìn)度。然而，在線教學(xué)存在的問題同樣不容忽視。以教學(xué)內(nèi)容為例，就存在知識展示方式單一、課程相關(guān)知識缺乏顯性關(guān)聯(lián)等問題。這些問題在線下的課堂教學(xué)中可以通過師生實時互動、小組討論等形式得到彌補(bǔ)，但是在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中由于技術(shù)本身的限制，難以得到有效解決。左寒松等針對在線學(xué)習(xí)模式在理工科專業(yè)課程中的主要問題及原因進(jìn)行了探討，并指出理工科專業(yè)課對知識的系統(tǒng)化、思維的完整性及實踐能力均有較高要求，而目前的在線教學(xué)平臺所提供的教學(xué)內(nèi)容框架仍是章節(jié)性框架結(jié)構(gòu)[1]。章節(jié)性框架結(jié)構(gòu)的設(shè)置可以使教師根據(jù)章節(jié)將課程內(nèi)容進(jìn)行劃分，章節(jié)以下再細(xì)分小節(jié)。通過章節(jié)和小節(jié)，將教學(xué)內(nèi)容分配到各個不同的模塊。這種教學(xué)內(nèi)容的展示方式對應(yīng)教科書的編排形式，其優(yōu)勢顯而易見。教師可以按照教科書的進(jìn)度開展教學(xué)網(wǎng)絡(luò)直播、上傳講解視頻、課程資料并布置課后作業(yè)，發(fā)布測試題目定期對學(xué)生進(jìn)行考核。同樣，學(xué)生也可以遵循章節(jié)安排的先后順序進(jìn)行學(xué)習(xí)和測試。但是，這種循規(guī)蹈矩的學(xué)習(xí)路徑對于實現(xiàn)學(xué)生個性化的學(xué)習(xí)存在明顯不足，尤其對于理工科專業(yè)課而言。理工科專業(yè)課的知識點之間是相互依賴的，后面的章節(jié)內(nèi)容高度依賴前面章節(jié)中的某個或多個知識點。理工科專業(yè)課的教學(xué)內(nèi)容回溯性較強(qiáng)。某兩個或多個章節(jié)之間有一定的對應(yīng)關(guān)系，而這些依賴關(guān)系都無法在現(xiàn)有的章節(jié)框架結(jié)構(gòu)中體現(xiàn)出來，不利于學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容作整體的認(rèn)知，也不便于其查找某個知識點所關(guān)聯(lián)的內(nèi)容，同樣給復(fù)習(xí)增加了難度。

以“知識庫+智能搜索”為核心的知識圖譜技術(shù)為解決上述難題提供了思路。知識圖譜是一種用圖模型來描述知識和建模世界萬物之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的大規(guī)模語義網(wǎng)絡(luò)，支持非線性的、高階關(guān)系的分析，幫助機(jī)器實現(xiàn)理解、解釋和推理的能力，是認(rèn)知智能的底層支撐[2，3]。知識圖譜極大地推廣了語義網(wǎng)絡(luò)，同時也促進(jìn)了自然語言、數(shù)據(jù)圖技術(shù)的發(fā)展，為描繪物理世界的生產(chǎn)、生活行為提供了有效的方法和工具[4，5]。作為一種對復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并提供決策的有效手段，知識圖譜分別在醫(yī)療、金融、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，但是在教育領(lǐng)域的應(yīng)用還局限在語言學(xué)習(xí)、語言推理等與語言學(xué)習(xí)過程，缺少在具體學(xué)科方面的教學(xué)應(yīng)用。李振等研究者對教育知識圖譜的內(nèi)涵進(jìn)行了剖析并重點探討了教育知識譜圖的應(yīng)用前景。他們指出，知識圖譜以知識為核心來驅(qū)動智能教育的發(fā)展，能夠為教學(xué)資源的語義化聚合、教學(xué)資源的優(yōu)化、個性化學(xué)習(xí)推薦等教育應(yīng)用提供技術(shù)支撐[6]?；诖耍卷椖繃@理工科專業(yè)課知識圖譜的構(gòu)建展開研究并進(jìn)行教學(xué)應(yīng)用。首先，探討理工科專業(yè)課知識圖譜的構(gòu)建思路，包括概念設(shè)計、專業(yè)設(shè)計以及在教學(xué)中的應(yīng)用。然后，以《算法分析與設(shè)計》課程為例重點展示了本體層的構(gòu)建。最后，結(jié)合智能問答系統(tǒng)對知識圖譜在理工科專業(yè)課教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

一、理工科專業(yè)課知識圖譜構(gòu)建思路

理工科專業(yè)課知識圖譜構(gòu)建思路如圖1所示。整體包含理工科專業(yè)課概念設(shè)計（知識圖譜建模）、知識圖譜構(gòu)建和應(yīng)用層三個模塊。因為面向的是理工科專業(yè)課這一特定領(lǐng)域，所以構(gòu)建垂直知識圖譜，在構(gòu)建時采用自頂向下的方式。

圖1 理工科專業(yè)課知識圖譜構(gòu)建思路

建模的第一步是確定該領(lǐng)域的核心概念。在本體層中，核心概念對應(yīng)的是“類”，也就是說，每個核心概念都對應(yīng)著許多的實例。我們采用人工設(shè)計的方式得到課程領(lǐng)域的核心概念。首先，通過梳理教材、書籍、文獻(xiàn)提煉其中蘊(yùn)含的概念元素，并將這些元素歸入不同的類別。其次，整理現(xiàn)有的課程資源的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，從中提取出包含的概念元素，將其補(bǔ)充到不同的類別中。最后，由本學(xué)科資深的專業(yè)課教師確定專業(yè)課知識圖譜中所設(shè)計的概念。

“關(guān)系”是本體的核心基本要素。它是對領(lǐng)域中的概念、實體之間的相互作用的描述。定義“關(guān)系”是本體設(shè)計中的一個重要部分。為了提高“關(guān)系”的覆蓋率，我們以課程為單位，分別邀請了一門課程的多位主講教師參與到 “關(guān)系”的定義中，在此基礎(chǔ)上邀請該學(xué)科資深的專業(yè)課教師指導(dǎo)并確定不同概念之中的關(guān)系。資深的專業(yè)課教師有多年執(zhí)教經(jīng)驗，對整個專業(yè)課的脈絡(luò)十分清晰，可以客觀準(zhǔn)確地給出不同概念之間的關(guān)系，保證了所定義的“關(guān)系”的準(zhǔn)確率?；谇懊嫠鶚?gòu)建的本體和“關(guān)系”，由具有豐富教學(xué)經(jīng)驗的一線教師來提取知識點實體，逐步構(gòu)建出知識圖譜。

應(yīng)用包含兩個層面，一方面是構(gòu)建知識圖譜的網(wǎng)站系統(tǒng)，并利用網(wǎng)站系統(tǒng)對理工科專業(yè)課知識圖譜進(jìn)行展示。另一方面是基于網(wǎng)站系統(tǒng)的教學(xué)應(yīng)用。具體而言，通過該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，學(xué)生可以對課程知識和習(xí)題進(jìn)行查詢、提問、查看課程概覽，同時系統(tǒng)可以推薦相關(guān)知識的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

二、理工科專業(yè)課知識圖譜構(gòu)建示例

算法是計算機(jī)科學(xué)的核心。在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)深度普及的今天，算法已經(jīng)融入人們生活的方方面面?！端惴ǚ治雠c設(shè)計》課程是面向計算機(jī)和信息技術(shù)專業(yè)的專業(yè)核心課。本文以該課程為例對理工科專業(yè)課知識圖譜構(gòu)建中核心的知識圖譜建模，即本體層的構(gòu)建進(jìn)行說明。所設(shè)計的本體如表1所示。在該算法課程的示例中，提取出了算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法策略、算法復(fù)雜度和計算問題等概念，其中每個概念包含有相關(guān)的屬性，如名稱、定義和掌握程度等；同時對每個概念的一些實體進(jìn)行了列舉，并且包括了每個概念的實體之間的關(guān)系。

表1 理工科專業(yè)課知識圖譜本體示例

本體層的構(gòu)建實質(zhì)上是知識抽取和知識融合的過程。需要指出的是，概念的確定需考慮學(xué)生的接受度，過于抽象或過于具體的概念表示都會影響到關(guān)系的界定和實體的歸類，從而降低學(xué)習(xí)效率。

三、教學(xué)應(yīng)用探討

構(gòu)建完成的知識圖譜在具體的教學(xué)應(yīng)用可以有多種場景。其中一個典型的知識圖譜應(yīng)用是智能問答系統(tǒng)。智能問答系統(tǒng)通過在海量數(shù)據(jù)中進(jìn)行信息搜索來找到所需的問題答案并返回給提問者。將知識圖譜和智能問答系統(tǒng)緊密結(jié)合可以實現(xiàn)兩種技術(shù)的優(yōu)勢互補(bǔ)。一方面，知識圖譜對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化組織保證答案的專業(yè)性和正確性；另一方面，智能問答可以將知識可視化，兩者共同促成了教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。

具體來說，知識圖譜智能問答系統(tǒng)可以利用知識圖譜的結(jié)構(gòu)化展示數(shù)據(jù)，分析理解用戶提問，并在知識庫中進(jìn)行查詢和推理，而后返回精確的答案給到用戶。以《算法分析與設(shè)計》課程構(gòu)建的知識智能問答系統(tǒng)為例，學(xué)生輸入所需要查找的關(guān)鍵詞，系統(tǒng)會根據(jù)關(guān)鍵詞在知識圖譜中進(jìn)行查找，并顯示出所關(guān)聯(lián)的知識點等內(nèi)容，關(guān)系限定為兩層。如圖2所示，學(xué)生輸入“最小生成樹的相關(guān)內(nèi)容”，系統(tǒng)輸出和最小生成樹相關(guān)的內(nèi)容，其中包括最小生成樹所在章節(jié)、所需掌握的程度、所需的先驗知識以及包含最小生成樹的相關(guān)習(xí)題和習(xí)題難易程度等內(nèi)容。學(xué)生可以通過返回內(nèi)容，快速獲取最小生成樹的相關(guān)信息，有針對性地學(xué)習(xí)最小生成樹的相關(guān)知識點。

圖2 知識圖譜在問答系統(tǒng)中應(yīng)用示例

結(jié)語

本文介紹了理工科專業(yè)課知識圖譜的構(gòu)建與教學(xué)應(yīng)用，從理工科專業(yè)課知識圖譜的構(gòu)建思路、構(gòu)建示例以及在教學(xué)中的應(yīng)用三個方面進(jìn)行了介紹。將知識圖譜結(jié)合到理工科專業(yè)課教學(xué)資源的信息化中可以解決當(dāng)前在線教學(xué)平臺中教學(xué)資源展示方法單一、課程相關(guān)知識缺乏顯性關(guān)聯(lián)的問題。本文的研究拓展了知識圖譜在教育教學(xué)中的應(yīng)用，為在線教學(xué)的課程建設(shè)提供了新思路。整體而言，知識圖譜技術(shù)在教育信息化的研究領(lǐng)域還處于探索階段。由于篇幅的限制，本文未對知識圖譜的技術(shù)路線做進(jìn)一步展開，這有待于在后續(xù)的研究中得到完善。