基于知識網(wǎng)格的智能輔助教學(xué)系統(tǒng)

李濤

（武漢科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，武漢 430081）

基于知識網(wǎng)格的智能輔助教學(xué)系統(tǒng)

李濤

（武漢科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，武漢 430081）

基于知識網(wǎng)格的智能輔助教學(xué)系統(tǒng)利用網(wǎng)格技術(shù)，構(gòu)建以知識共享為核心的服務(wù)體系，實(shí)現(xiàn)了知識的動(dòng)態(tài)聚合、智能評測、精細(xì)反饋的目標(biāo)，達(dá)到知識“一點(diǎn)接入，全局漫游”的目的，貫穿了整體化、網(wǎng)絡(luò)化的指導(dǎo)思想。建立一個(gè)以知識共享為核心，智能服務(wù)為基礎(chǔ)的教學(xué)平臺，依托該平臺，開展基于知識網(wǎng)格的教學(xué)方法研究，評測學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)短板，提升學(xué)生對概念的理解和總結(jié)能力。該方法已經(jīng)在武漢科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院的實(shí)際教學(xué)過程中得到應(yīng)用，取得良好的效果。

知識網(wǎng)格；輔助教學(xué)系統(tǒng)；本體

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在教學(xué)中廣泛應(yīng)用，教育信息化建設(shè)已處于由數(shù)字化轉(zhuǎn)向智能化，硬件建設(shè)轉(zhuǎn)化為服務(wù)建設(shè)，資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為知識優(yōu)勢的關(guān)鍵階段。打造一個(gè)高層次，以知識共享為核心，智能服務(wù)為基礎(chǔ)的教學(xué)平臺，對提升教學(xué)質(zhì)量，深化教學(xué)改革，帶動(dòng)教育現(xiàn)代化具有重要意義。

基于知識網(wǎng)格的智能輔助教學(xué)系統(tǒng)利用網(wǎng)格技術(shù)，構(gòu)建了以知識共享為核心的服務(wù)體系，實(shí)現(xiàn)了知識的動(dòng)態(tài)聚合、智能評測、精細(xì)反饋的目標(biāo)，達(dá)到了知識“一點(diǎn)接入，全局漫游”的目的，貫穿了整體化、網(wǎng)絡(luò)化的指導(dǎo)思想。

網(wǎng)格是指將大量的分布、離散的計(jì)算機(jī)、存儲器等信息資源組織起來，形成一個(gè)有機(jī)的信息整體，形成多層次的協(xié)同，達(dá)到資源一點(diǎn)接入、全局共享的目的[1]。知識網(wǎng)格是一種建立在網(wǎng)絡(luò)之上的知識共享環(huán)境。它以網(wǎng)格網(wǎng)為基礎(chǔ)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)語義資源的整合與獲取，并提供基于語義資源的知識服務(wù)。其本質(zhì)是知識資源和知識服務(wù)的協(xié)同與共享[2]。

基于“知識網(wǎng)格”的智能輔助教學(xué)系統(tǒng)，從資源共享提升為知識共享，構(gòu)建了多層次的知識服務(wù)體系，在知識的集成、評測、答疑上實(shí)現(xiàn)了智能化，可以為廣大師生提供多維的知識服務(wù)，如：開展“知識漫游”式的教學(xué)；從學(xué)生某個(gè)缺失的知識點(diǎn)出發(fā)，動(dòng)態(tài)評測其缺失的知識鏈結(jié)構(gòu)；根據(jù)評測結(jié)果，實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的個(gè)性化、有針對性的答疑，從而提供提供完整的、更為有效的教學(xué)服務(wù)，有效地解決目前面臨的“網(wǎng)絡(luò)利用率低”、“互動(dòng)與個(gè)性化服務(wù)存在嚴(yán)重不足”、“資源缺乏共享性”、“知識獲取難度較大”等主要問題。

1 基于知識網(wǎng)格的智能輔助教學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于“知識網(wǎng)格”的智能輔助教學(xué)系統(tǒng)（如圖1）主要包含三個(gè)內(nèi)容：知識共享、動(dòng)態(tài)評測、智能答疑。教學(xué)過程中所涉及到的所有角色，包括教師、教輔人員、學(xué)生、研究人員都可以從三個(gè)層面（學(xué)科、課程、概念）共享相關(guān)知識，由知識網(wǎng)格提供目錄，引導(dǎo)用戶訪問所需的知識。例如某個(gè)用戶希望了解操作系統(tǒng)的知識，知識網(wǎng)格首先提供該課程與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫原理之間的課程關(guān)系，接著列出操作系統(tǒng)的核心概念，當(dāng)用戶希望進(jìn)一步了解時(shí)，則進(jìn)入第三層，概念共享層，訪問相關(guān)資源。

動(dòng)態(tài)評測主要解決的問題，主要是針對目前的評測基本上是靜態(tài)評價(jià)，利用知識網(wǎng)格提供的概念之間的各種關(guān)系，動(dòng)態(tài)追蹤學(xué)生的缺失知識鏈，實(shí)現(xiàn)對學(xué)生知識體系的網(wǎng)狀評價(jià)。

智能答疑針對評測得到的學(xué)生缺失知識鏈，實(shí)現(xiàn)定量的、有針對性地網(wǎng)上答疑，對學(xué)生缺失知識鏈所涉及的教師，形成不同的虛擬組織，實(shí)現(xiàn)綜合答疑。

圖1 基于知識網(wǎng)格的智能教學(xué)平臺的功能結(jié)構(gòu)圖

2 構(gòu)建知識網(wǎng)格體系

知識網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)使用基本的網(wǎng)格機(jī)制,網(wǎng)格服務(wù)基礎(chǔ)上建立具體的知識發(fā)現(xiàn)服務(wù)系統(tǒng)。當(dāng)今的實(shí)施方法是基于Globus toolkits[3]網(wǎng)格工具集和服務(wù)上定義的。在Globus中,知識網(wǎng)格集成局部服務(wù)以提供全局服務(wù)。知識網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)保證了數(shù)據(jù)挖掘工具和底層的網(wǎng)格機(jī)制和數(shù)據(jù)網(wǎng)格服務(wù)兼容。

知識網(wǎng)格是一個(gè)全球化的知識共享體系，為了建立適應(yīng)于教學(xué)的知識網(wǎng)格平臺，本著實(shí)用、可行的基本原則，具體研究以下方法：

（1）建立領(lǐng)域知識本體

知識首先體現(xiàn)的是事物的概念及其含義，以及概念之間的關(guān)系、規(guī)則等。W.N.Borst指出“本體是共享的概念模型的形式化的規(guī)范說明”[4]，包含了概念相關(guān)的關(guān)系、函數(shù)、公理等。為了便于實(shí)現(xiàn)，以計(jì)算機(jī)學(xué)科為實(shí)例，由低到高，由細(xì)到粗構(gòu)造概念之間、課程之間、學(xué)科之間的多層網(wǎng)狀關(guān)系；該三層結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了知識的抽象層次，既要研究每層概念之間的協(xié)同關(guān)系，協(xié)同關(guān)系的分類，又要研究不同層次間，概念抽象的程度及其從屬關(guān)系。這一多粒度、多層次的知識網(wǎng)格也將成為領(lǐng)域內(nèi)公認(rèn)的，高度共享的知識，對提高和統(tǒng)一教師的認(rèn)識起到促進(jìn)作用。

隨著時(shí)間的演變和知識的擴(kuò)充，特別是交叉學(xué)科的出現(xiàn)，這就要求建立一個(gè)知識本體的更新機(jī)制，要研究課程之間交叉的變化，對教學(xué)過程中學(xué)生的影響。更新概念本身的含義，及其之間的關(guān)系，滿足時(shí)代的要求。

（2）集成現(xiàn)有的網(wǎng)上教學(xué)資源

現(xiàn)有的網(wǎng)上教學(xué)資源主要有精品課程網(wǎng)站、課件教材、教研論文、共享軟件庫、教學(xué)軟件（教案庫、音頻庫、視頻庫、試題庫、圖書資料等），為了更好地利用現(xiàn)有的資源，需要對已有的資源進(jìn)行集成和語義標(biāo)記，在領(lǐng)域本體的幫助下，實(shí)現(xiàn)資源的自動(dòng)分類，建立資源和知識的映射關(guān)系。研究對現(xiàn)有的資源的語義標(biāo)記并封裝成相應(yīng)的服務(wù)，是實(shí)現(xiàn)智能搜索的基礎(chǔ)。

（3）建立知識搜索服務(wù)

智能服務(wù)搜索是實(shí)現(xiàn)知識共享的重要途徑。領(lǐng)域本體所描述的概念之間的關(guān)系將有助于用戶精確定位自己所需要的知識，并進(jìn)行簡單的智能推論，如：用戶想了解操作系統(tǒng)中的進(jìn)程概念，系統(tǒng)返回其定義外，還將返回與其相關(guān)的知識服務(wù)，例如線程、進(jìn)程死鎖等相關(guān)內(nèi)容。

3 動(dòng)態(tài)評測機(jī)制

現(xiàn)有的評測方法無法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)評測，學(xué)生某個(gè)內(nèi)容理解不透，可能不在當(dāng)前知識點(diǎn)本身，而在于相關(guān)的諸多內(nèi)容沒有掌握，無法進(jìn)行追蹤定位和個(gè)性化分析。動(dòng)態(tài)評測機(jī)制將對學(xué)生的知識體系進(jìn)行整體評測，從而對學(xué)生缺失的知識進(jìn)行定量的分析。主要包含下面兩個(gè)內(nèi)容：

從某個(gè)知識的缺失追蹤與其相關(guān)的諸多內(nèi)容的掌握程度，對學(xué)生掌握的“知識網(wǎng)絡(luò)”進(jìn)行多指標(biāo)的智能評價(jià)。個(gè)性化評測學(xué)生的理解力、融會貫通程度、知識點(diǎn)缺失對后續(xù)學(xué)習(xí)的影響，創(chuàng)新能力等，從而實(shí)現(xiàn)精細(xì)化反饋。最后，將返回給學(xué)生由某些知識點(diǎn)的缺失所導(dǎo)致的知識鏈。學(xué)生將清楚的知道，由此所帶來的影響，從而為下一步的答疑提供了定量的依據(jù)。

[1]百度百科.http://baike.baidu.com/link?url=a45-q38Ye75rXq84sAi7da4-gLwa_qVdZ6ksmMMIFXyWQQgVJLxQxlKs12i3D6apIbnw QtItbMgoq-z2WlDuPIjqsjiXwxgeqB9xh5VjbywuwfuC_MDyfaCSs1TaekLsohhOdNdKfzJPT3dMpD-uLK

[2]諸葛海.語義網(wǎng)格的基礎(chǔ)理論、模型與方法研究進(jìn)展.中國基礎(chǔ)科學(xué)，2007

[3]I Foster,Globus Toolkit Version 4:Software for Service-Oriented Systems.計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào)(英文版),2006

[4]李善平，尹奇韡，胡玉杰等.本體研究綜述.計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展

Design of Intelligent Auxiliary Teaching System Based on Knowledge Grid

LI Tao
（College of Computer Science,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081）

Designs the intelligent auxiliary teaching system based on knowledge grid,takes the advantages of grid technology,constructs the service system that taking knowledge sharing as core,realizes the target of knowledge dynamic aggregation,intelligent test,detail feedback,fulfills the aim of one-point access,global roaming,runs through the guiding ideology of integration and grid.This method has applied in the teaching process of Wuhan University of Science and Technology,College of Computer Science,and gets excellent result.

Knowledge Grid;Auxiliary Teaching System;Ontology

1007-1423（2017）07-0022-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.07.006

李濤（1979-），男，湖北襄陽人，博士，副教授

2016-12-17

2017-03-01

基于“知識網(wǎng)格”的智能輔助教學(xué)系統(tǒng)（No.2008B065）、湖北省教育科學(xué)十一五規(guī)劃課題、武漢科技大學(xué)校級重點(diǎn)教學(xué)研究項(xiàng)目省屬高校信息安全專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系改革與實(shí)踐、武漢科技大學(xué)校級教學(xué)研究項(xiàng)目