構(gòu)建課程知識圖譜的重要性研究
——以“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程為例

迪麗努爾·克依木

新疆師范大學(xué)，新疆烏魯木齊，830054

0 引言

在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，由于學(xué)生在知識基礎(chǔ)、認知能力、興趣等方面的差異，造成其對知識結(jié)構(gòu)的組織方式也不盡相同。一般學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，都能發(fā)現(xiàn)知識的關(guān)系，并把新舊知識連接在一起。但部分大學(xué)生知識結(jié)構(gòu)不完整、知識聯(lián)系不清，不能形成系統(tǒng)的理解。長期下去，學(xué)生的學(xué)習(xí)和思考能力就會出現(xiàn)停滯，從而影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)和思考能力的提升，更別說實施個性化教學(xué)了。從以上兩方面來看，無論是對傳統(tǒng)的教學(xué)，還是對網(wǎng)上的教學(xué)，都需要對課程知識點的相互關(guān)系進行分析。知識圖譜可視化技術(shù)展示了各知識點的分布狀態(tài)及其相互關(guān)系。這樣就可以幫助學(xué)生對相關(guān)知識點進行系統(tǒng)的理解，幫助他們建立起知識的聯(lián)系。另外，在互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)中，將會為個性化的推薦學(xué)習(xí)提供極大的幫助，因此，建立一個教育領(lǐng)域的知識圖譜是非常有必要的。

1 知識圖譜的定義分類

維基百科清晰地指出了知識圖譜的內(nèi)涵，也就是Google用于強化其搜索引擎的知識庫[1]。谷歌公司使用它是因為它可以讓谷歌搜索引擎的相關(guān)功能得到拓展和提升，讓用戶擁有更好的體驗感。谷歌的知識圖譜最早是在2012推出的，它以freebase網(wǎng)站的服務(wù)為基礎(chǔ)，捕獲與應(yīng)用維基百科以及類似的更多數(shù)據(jù)發(fā)源地的數(shù)據(jù)，最后創(chuàng)造出了知識圖譜。兩年過后，谷歌公司對知識圖譜下了定義，之后將知識圖譜的功能融合到了搜索引擎中，提高了谷歌搜索引擎的搜索能力，有助于用戶更精準、更迅速地獲取自己需求的知識和資訊。其他搜索引擎公司也邁進了知識圖譜的探索領(lǐng)域[2]，就像facebook研發(fā)出了facebook社會圖表知識圖譜，而我們國家的Baidu公司也研發(fā)出自己的知心知識圖譜，還有Sogou公司的知立方知識圖譜等。經(jīng)過不斷的探索和開發(fā)，它慢慢地被擴展到了其他行業(yè)，就像在AI問答、個性化傳播等智能信息的運用，知識圖譜形成的學(xué)術(shù)價值以及商業(yè)價值巨大[3]。

近年來，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都建立了自己的知識圖譜，根據(jù)應(yīng)用可以將其分為兩個主要類別[4]：一種是通用知識圖譜，也稱為開放領(lǐng)域知識圖譜。通俗地講就是大眾版，其沒有特別深的行業(yè)知識及專業(yè)內(nèi)容，通常解決科普知識和常識性問題，適合互聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模搜索、問答以及推薦。還有一種就是行業(yè)知識圖譜，也被稱作特定領(lǐng)域知識圖譜以及垂直領(lǐng)域知識圖譜。簡單來說，其指的是專業(yè)版，經(jīng)過深層次調(diào)研某個領(lǐng)域或子領(lǐng)域并編制相應(yīng)的版本，應(yīng)對專業(yè)問題，是目前知識圖譜更具價值的研究方向[5]。

2 知識圖譜的國內(nèi)外發(fā)展情況

就目前的研究現(xiàn)狀來看，國內(nèi)外在構(gòu)建通用知識圖譜方面獲取了一定的成效，比如，從國外的通用知識圖譜角度出發(fā)，由Cyc公司1984年開始創(chuàng)建推出的常識知識庫，其規(guī)模最大，經(jīng)典的常識知識有“Every tree is a plant”“Plants die eventually”等；另外還有：Princeton 大學(xué)知識科學(xué)實驗室自20世紀80年代研發(fā)的應(yīng)用在語句消除分歧方面的WordNet詞典知識庫（主要用于詞義消歧）、2010年被谷歌公司收購的MateWeb公司開發(fā)的Freebase知識圖庫（完全免費并允許商業(yè)化的開放許可協(xié)議）、被維基媒體基金會倡導(dǎo)能夠自己制作編寫的包含很多國家語種的百科知識庫Wikidata知識圖譜（目標是構(gòu)件全世界最大的免費知識庫,但是仍然面臨知識缺失嚴重的問題）以及如今國際上包含領(lǐng)域最多的各種語種百科同義詞典BabelNet知識圖譜等[6]。而在中國，就知識圖譜的開發(fā)而言，也取得了一定的成效：Baidu公司研發(fā)出了大規(guī)模知識圖譜；Sogou公司制造出了知立方圖譜；清華大學(xué)得到了XLore知識圖譜；復(fù)旦大學(xué)研發(fā)了CN-DBpedia知識圖譜（中文通用百科知識圖譜），信息的搜集主要源于中文百科類網(wǎng)站的文本資訊，經(jīng)過過濾、融合和推斷后，形成高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，供人和機器使用；上海交通大學(xué)推出的利用百度百科、互動百科和維基百科等三個知識庫做成類似于DBpedia的中文百科Zhishi.me，是國內(nèi)構(gòu)建的最早的知識庫[7]。

相對于國內(nèi)外在通用知識圖譜上取得的成效，我國在知識圖譜領(lǐng)域缺少專業(yè)數(shù)據(jù)，獲取的成效存在一定的缺陷[8]?，F(xiàn)如今研發(fā)的知識圖譜中，相對成熟的領(lǐng)域十分稀少，僅有歐洲聯(lián)盟的重要合作研究項目藥物領(lǐng)域的知識圖譜Open PHACTS、醫(yī)療領(lǐng)域的知識圖譜體重指數(shù)的Watson機器人。根據(jù)《2018知識圖譜發(fā)展報告》，我國在電商、企業(yè)商業(yè)、圖情、創(chuàng)投四個領(lǐng)域均在開展知識建模[9]。

總的來說，盡管目前知識圖譜研究方面可謂是碩果累累，而且許多科研發(fā)現(xiàn)都轉(zhuǎn)化成了商業(yè)利潤，例如語義檢索、智能問答、語境分析、還有智能知識體系等。然而，研究知識圖譜及其使用價值依然很有意義。①中文句子的識別、中文關(guān)系抽取較英文語法復(fù)雜很多，在中文知識圖譜的研究和應(yīng)用方面仍有很大的發(fā)展空間。并且目前互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展，人工智能不斷向深研究，也從側(cè)面驗證了中文知識圖譜的商業(yè)應(yīng)用價值以及學(xué)術(shù)研究價值相對較高[10]。②對比通用知識圖譜，成熟的領(lǐng)域知識圖譜需要更為專業(yè)的、深入行業(yè)的人員來建立，而且領(lǐng)域知識圖譜覆蓋的行業(yè)相對寬泛，其調(diào)研價值相對較高。簡單來說，從中文角度出發(fā)，選取某一領(lǐng)域，比如在這篇文章中的課程構(gòu)建知識圖譜，建立領(lǐng)域知識圖譜具有很大的研究價值和發(fā)展前景[11]。

3 知識圖譜在教育領(lǐng)域中的作用

知識圖譜具有強大的語義處理能力，能夠在互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)頁上建立概念之間的連接關(guān)系，以最小的代價可以將互聯(lián)網(wǎng)上有價值的信息組織起來；知識圖譜還具有強大的開放互聯(lián)能力，能夠不斷地加入互聯(lián)網(wǎng)中新增的信息。憑借這些功能，知識圖譜在檢索和教育等領(lǐng)域?qū)谐錾谋憩F(xiàn)。教育知識圖譜能夠?qū)W(xué)科知識和教學(xué)資源借助標準化的、形式化的手段密切關(guān)聯(lián)在一起，進而完成在線教育資源的合理組織。

在大學(xué)教育時期，國內(nèi)著名的課程在線學(xué)習(xí)平臺，如學(xué)堂在線、中國大學(xué)MOOC（幕課）、精品課程等，絕大多數(shù)是對優(yōu)質(zhì)課程視頻學(xué)習(xí)資源的描述，展示了不同課程的聯(lián)系、和知識相關(guān)的課程體系，而課程知識圖譜的稀缺導(dǎo)致學(xué)生在課程視頻學(xué)習(xí)結(jié)束以后，并未構(gòu)建起完備的知識體系，學(xué)習(xí)成效并未達到預(yù)期目標?，F(xiàn)如今，盡管大學(xué)課程和有關(guān)教材的版本豐富多彩，但課程知識圖譜的構(gòu)建離不開各行業(yè)專業(yè)的交流與制造，其操作十分嚴苛、復(fù)雜，并且知識更新十分迅速，因此現(xiàn)如今大學(xué)課程缺少知識圖譜的構(gòu)建。

當今，網(wǎng)絡(luò)信息資源數(shù)量在不斷遞增，傳統(tǒng)的知識組織結(jié)構(gòu)十分分散，但用戶在知識服務(wù)方面的需要也在不斷遞增，因此兩者之間存在一定的矛盾。在知識圖譜技術(shù)出現(xiàn)以后，其與用戶的認知需求相互適應(yīng)，對比傳統(tǒng)人工組織某學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展的宏觀狀況，知識圖譜技術(shù)的效率相對較高，并且十分合理，所以知識圖譜的出現(xiàn)是社會發(fā)展的必然。

從教育領(lǐng)域角度出發(fā)，知識圖譜不僅能夠幫助學(xué)生從互聯(lián)網(wǎng)上獲取教學(xué)資源，作為自主學(xué)習(xí)的知識來源，還可以幫助學(xué)生快速分清知識點的主次關(guān)系以及它們之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系。因此，學(xué)生有效利用知識圖譜能夠提高學(xué)習(xí)效率，加深知識點的理解和記憶能力，從而讓學(xué)校打破傳統(tǒng)的教育模式，實現(xiàn)個性化教育。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，智能教學(xué)在教師的教學(xué)和學(xué)生的自主學(xué)習(xí)方面也有了很大的突破。課程的知識圖譜是智能教學(xué)方式的一種體現(xiàn)，構(gòu)建知識圖譜和應(yīng)用涉及自然語言處理相關(guān)的基礎(chǔ)技術(shù)，因此構(gòu)建教育領(lǐng)域的知識圖譜不單單是教育行業(yè)鉆研的焦點，也是人工智能層面的研究熱點，具有實際應(yīng)用價值和科研價值。

4 知識圖譜的構(gòu)建方法

知識圖譜是結(jié)構(gòu)化的語義網(wǎng)絡(luò)，能夠描述生活中的概念和概念之間的關(guān)系。知識圖譜的構(gòu)建步驟涉及四點，分別是知識獲取、知識表述、知識存儲以及知識可視化。知識獲取是從一些公開的結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)中利用知識抽取技術(shù)獲得實體、屬性和關(guān)系等知識要素，再次結(jié)合知識交融以及知識推斷等技術(shù)構(gòu)建語義知識庫，確保其結(jié)構(gòu)化。知識抽取主要有兩部分，一部分是實體抽取，也就是從選取的數(shù)據(jù)源中選取實體組織類別劃分，同時把文章中的實體和知識庫中的實體構(gòu)建密切聯(lián)系；另一部分是關(guān)系抽取，也就是數(shù)據(jù)源中的非結(jié)構(gòu)化信息，開展的是不同實體關(guān)系的抽取，最終獲取各個實體的語義關(guān)系。從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的知識圖譜角度出發(fā)，知識圖譜需求的理論主要源于專業(yè)書籍，相關(guān)技術(shù)網(wǎng)站以及部分專業(yè)知識庫。

5 基于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的知識圖譜構(gòu)建方式

教育信息化導(dǎo)致共享信息資源的迅猛遞增，但是學(xué)習(xí)資源的形式豐富多彩，導(dǎo)致學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)了知識不連貫以及知識碎片化等情形。在各種資源中，學(xué)生需要耗用龐大的精力去查詢無效內(nèi)容，導(dǎo)致學(xué)生不能迅速、準確、高效地搜集自己需求的理論，造成學(xué)生陷入了知識誤區(qū)。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在計算機學(xué)科中屬于專業(yè)學(xué)科，帶有綜合性的特點，也是編寫計算機程序過程中的關(guān)鍵理論基石和技術(shù)手段。課程的原理十分復(fù)雜，涉及的知識點較多，學(xué)生很難梳理不同知識點的聯(lián)系。在學(xué)習(xí)知識過程中，需要了解知識的排列順序。只有了解了學(xué)習(xí)過程中的所有知識點，才可以有效地把控某一領(lǐng)域的有關(guān)理論。課程知識圖譜實際上是精準地提取課程中的教材內(nèi)容，借助圖片等形式促使學(xué)科知識可視化，對學(xué)生構(gòu)建清楚的課程知識體系有積極意義，同時還有助于提升知識學(xué)習(xí)的趣味性。

將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教材、大綱、網(wǎng)絡(luò)資源等作為參考依據(jù)，通過使用Python網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù)搜集并整合和課程有關(guān)的知識數(shù)據(jù)，運用知識圖譜構(gòu)建技術(shù)把獲取到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩嶓w-關(guān)系-實體”三元組，利用圖數(shù)據(jù)庫加以保存，設(shè)計有關(guān)算法和流程來處理數(shù)據(jù)語料庫，獲取并調(diào)整和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)學(xué)科領(lǐng)域有關(guān)的內(nèi)涵和關(guān)聯(lián)。

知識圖譜對學(xué)生學(xué)習(xí)效率的提升有積極意義，運用網(wǎng)頁信息創(chuàng)建學(xué)科知識圖譜，公開學(xué)科知識體系，探究學(xué)科領(lǐng)域知識圖譜的切入點十分關(guān)鍵。而構(gòu)建數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程知識圖譜的創(chuàng)新點是運用人工智能技術(shù)來展示知識點的內(nèi)容以及知識結(jié)構(gòu)，指引學(xué)習(xí)者更好地認識并探究課程內(nèi)容，促使學(xué)生在線學(xué)習(xí)的品質(zhì)以及效率不斷提升；借助層次遞進形式展示知識圖譜，調(diào)整可視化頁面，促使學(xué)習(xí)者可以清楚地、方便快捷地了解知識圖譜。

6 結(jié)語

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”教育的到來，各種學(xué)習(xí)平臺、教學(xué)課程資源日益豐富，為學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來了極大的方便，使他們能夠從課堂上獲得更多知識。在廣度上，知識的學(xué)習(xí)得到了持續(xù)擴展。然而，海量的學(xué)習(xí)資源也使學(xué)習(xí)者不堪重負，而大量的知識碎片又使學(xué)習(xí)者很難掌握所學(xué)的內(nèi)容。如果沒有正確的組織方式，就不能系統(tǒng)地了解所學(xué)的知識，而且還會浪費很多寶貴的時間。這會對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果產(chǎn)生一定的影響。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上構(gòu)建知識圖譜則有助于應(yīng)對上述難題，也就是說：知識圖譜能將多個知識點結(jié)合起來，并能反映出知識點的結(jié)構(gòu)和分布。