基于知識(shí)圖譜的在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)

任志文，劉家杉，張善文

（西京學(xué)院 電子信息學(xué)院，陜西西安，710123）

0 引言

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使人類逐步步入現(xiàn)代化，而現(xiàn)代化讓信息的傳播更為快速，也正因此，讓我們與互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)系越來(lái)越密切。實(shí)現(xiàn)高效的學(xué)習(xí)成為我們需要解決的問(wèn)題，傳統(tǒng)的“你聽(tīng)我講”的學(xué)習(xí)方式的弊端日益凸顯。在當(dāng)今的信息化時(shí)代，在線學(xué)習(xí)將會(huì)成為今后的一種非常重要的學(xué)習(xí)方式，在線學(xué)習(xí)是一種不受時(shí)間約束的學(xué)習(xí)方式，學(xué)習(xí)者只需一臺(tái)計(jì)算機(jī)即可進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。它屬于數(shù)字化學(xué)習(xí)，但同時(shí)也具有自身的獨(dú)特價(jià)值，即學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)場(chǎng)所更加廣泛而不只是局限在教室里或者是書(shū)桌前。將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與學(xué)習(xí)結(jié)合起來(lái)將成為一種理想的、高效的學(xué)習(xí)方式，越來(lái)越多的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到教育領(lǐng)域也更加推動(dòng)了教育信息化的發(fā)展。

1 相關(guān)技術(shù)研究

Google在2012年提出了知識(shí)圖譜的概念。一般認(rèn)為，知識(shí)圖譜以實(shí)體或者屬性作為結(jié)點(diǎn)，實(shí)體間的關(guān)系或者屬性值作為鏈接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，形成了一種強(qiáng)關(guān)聯(lián)性的、復(fù)雜的、結(jié)構(gòu)化的知識(shí)庫(kù)，是語(yǔ)義網(wǎng)的一種。按照其應(yīng)用領(lǐng)域和覆蓋范圍不同分為兩類，分別是通用知識(shí)圖譜和領(lǐng)域知識(shí)圖譜。知識(shí)圖譜內(nèi)容一般是三元組提供的，形如：

其中G是關(guān)系三元組，Enthead是三元組中的頭實(shí)體，Enttail是三元組中的尾實(shí)體，Rel是頭實(shí)體與尾實(shí)體間的關(guān)系，知識(shí)圖譜蘊(yùn)含大量相互關(guān)聯(lián)的三元組信息。

自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)是指學(xué)習(xí)系統(tǒng)在使用的過(guò)程中，自適應(yīng)學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者之間的不同學(xué)習(xí)特征，依靠大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能對(duì)學(xué)習(xí)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行貼標(biāo)簽，再根據(jù)學(xué)習(xí)者的自身學(xué)習(xí)習(xí)慣和學(xué)習(xí)特征的數(shù)據(jù)信息和學(xué)習(xí)者的標(biāo)簽，自動(dòng)的調(diào)整學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)順序、學(xué)習(xí)方法、學(xué)習(xí)約束、學(xué)習(xí)資源等，使得最終的學(xué)習(xí)路徑與學(xué)習(xí)者的特征相適應(yīng)，得出學(xué)習(xí)者的最佳學(xué)習(xí)路徑。

2 系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)需要用大人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)的支持，參考ALEKS自適應(yīng)學(xué)習(xí)平臺(tái)，本系統(tǒng)的模型框架如圖1所示。

圖1 自適應(yīng)學(xué)習(xí)模型框架

自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)是由學(xué)習(xí)者模型、知識(shí)模型、自適應(yīng)引擎和交互界面模型構(gòu)成的。

學(xué)習(xí)者模型是一種用來(lái)表征學(xué)習(xí)者當(dāng)前學(xué)習(xí)特征和學(xué)習(xí)行為的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以反映出學(xué)習(xí)者的個(gè)體特征學(xué)習(xí)習(xí)慣、學(xué)習(xí)特征以及認(rèn)知能力，本文按照《GB/T29805-2013信息技術(shù)學(xué)習(xí)、教育和培訓(xùn)學(xué)習(xí)者模型》來(lái)進(jìn)行學(xué)習(xí)者模型的搭建。

知識(shí)模型是實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)學(xué)習(xí)的關(guān)鍵一步，為自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)提供知識(shí)庫(kù)，以課程知識(shí)為中心構(gòu)建知識(shí)圖譜，涵蓋課本所有知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)包括部分網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，在學(xué)習(xí)課本的同時(shí)可以靈活的學(xué)習(xí)課程以外的知識(shí)點(diǎn)，擴(kuò)大知識(shí)面。

自適應(yīng)引擎是實(shí)現(xiàn)個(gè)性化學(xué)習(xí)的核心。一方面根據(jù)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)特征和知識(shí)模型結(jié)構(gòu)，進(jìn)行學(xué)習(xí)內(nèi)容的推送和學(xué)習(xí)順序的調(diào)整，通過(guò)交互界面展示給學(xué)習(xí)者，另一方面自適應(yīng)引擎會(huì)依據(jù)學(xué)習(xí)者的上一階段的學(xué)習(xí)情況對(duì)知識(shí)模型和學(xué)習(xí)者模型進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。

界面交互模型是系統(tǒng)的人機(jī)交互功能，學(xué)習(xí)者可以將學(xué)習(xí)需求和學(xué)習(xí)進(jìn)度反饋到系統(tǒng)之中。該模型既可以將自適應(yīng)引擎基于推送的學(xué)習(xí)資源展現(xiàn)到學(xué)習(xí)者眼前，方便學(xué)習(xí)者進(jìn)行學(xué)習(xí)，又可以使管理者進(jìn)行管理。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)

■3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

知識(shí)圖譜是以圖結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)表示的，而圖關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)系、節(jié)點(diǎn)、屬性三種元素，與知識(shí)圖譜的實(shí)體-關(guān)系-實(shí)體結(jié)構(gòu)恰好相互對(duì)應(yīng)，所以將教育知識(shí)圖譜中的數(shù)據(jù)按照?qǐng)D的結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行儲(chǔ)存。在眾多的圖數(shù)據(jù)庫(kù)中功能最強(qiáng)的是Neo4j圖形數(shù)據(jù)庫(kù)，利用Neo4j作為知識(shí)圖譜的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。學(xué)習(xí)者的個(gè)人信息和人機(jī)交互信息等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)選擇SQL Sever進(jìn)行存儲(chǔ)。

Neo4j和SQL Sever兩種數(shù)據(jù)庫(kù)中分別存儲(chǔ)知識(shí)點(diǎn)關(guān)聯(lián)信息和學(xué)習(xí)者信息，這些信息將會(huì)被用于知識(shí)圖譜的更新，個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑的規(guī)劃與改善等方面，也會(huì)用于后期完善和對(duì)系統(tǒng)的再次開(kāi)發(fā)之中。

其中Neo4j中存儲(chǔ)的是《數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)概論》之中的知識(shí)點(diǎn)以及關(guān)聯(lián)信息，如圖2所示。

圖2 《數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)概論》部分知識(shí)圖譜展示

SQL Sever主要存儲(chǔ)學(xué)習(xí)者信息和人機(jī)交互信息主要數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)如下：

（1）sign表：可以查看用戶簽到的時(shí)間等信息。

表1 sign表

（2）user表：可以查看用戶的個(gè)人信息。

表2 user表

（3）test表：用于設(shè)置考試測(cè)評(píng)界面的。

表3 test表

（4）knowledge表：用于系統(tǒng)內(nèi)學(xué)習(xí)資源的評(píng)價(jià)。

表4 knowledge表

表5 resource庫(kù)

（6）access表：用于記錄學(xué)習(xí)資源訪問(wèn)情況以及學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)相應(yīng)資源是多耗費(fèi)的時(shí)間。

表6 access庫(kù)

■3.2 功能模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能模塊主要分為兩個(gè)部分，分別是管理模塊和學(xué)習(xí)者模塊，其中管理模塊供給老師等教學(xué)管理者使用，管理者通過(guò)管理模塊對(duì)知識(shí)圖譜、學(xué)習(xí)者注冊(cè)和學(xué)習(xí)者信息等進(jìn)行統(tǒng)一管理；學(xué)習(xí)者模塊供給學(xué)生等學(xué)習(xí)者使用，提供個(gè)人注冊(cè)、在線學(xué)習(xí)等功能。

設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)者模塊如圖3所示。

圖3 學(xué)習(xí)者模塊

（5）resource表：用于儲(chǔ)存學(xué)習(xí)資源以及學(xué)習(xí)資源的簡(jiǎn)介、地址等信息。

根據(jù)需求學(xué)習(xí)者模塊由注冊(cè)模塊、學(xué)習(xí)模塊、學(xué)習(xí)者個(gè)人信息管理模塊三大模塊組成各個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)功能如下：

注冊(cè)模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)者注冊(cè)，需要填寫(xiě)一些個(gè)人信息以便完成注冊(cè)，在完成注冊(cè)后，需要填寫(xiě)相關(guān)學(xué)習(xí)經(jīng)歷并且進(jìn)行相關(guān)基礎(chǔ)測(cè)試，系統(tǒng)根據(jù)測(cè)試的成績(jī)和學(xué)習(xí)經(jīng)歷對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行初始的數(shù)據(jù)分析。

學(xué)習(xí)者信息管理模塊可以對(duì)學(xué)習(xí)者個(gè)人信息進(jìn)行維護(hù)與更新，可以增加新的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，可以手動(dòng)更新自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度，也可以選擇新的學(xué)習(xí)背景，自適應(yīng)引擎可以根據(jù)新數(shù)據(jù)變化做出新的個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑推薦。

學(xué)習(xí)模塊用來(lái)進(jìn)行學(xué)習(xí)者在線學(xué)習(xí)，可以選擇不同的教學(xué)資源進(jìn)行學(xué)習(xí)，可以按照系統(tǒng)給出 的順序進(jìn)行學(xué)習(xí)，也可以按照學(xué)習(xí)者自身的需求或是個(gè)人興趣進(jìn)行跳躍式的學(xué)習(xí)。在選擇跳躍學(xué)習(xí)后，系統(tǒng)會(huì)再次更新學(xué)習(xí)資源的推薦。學(xué)習(xí)模塊又細(xì)分為系統(tǒng)推薦、學(xué)習(xí)推薦、學(xué)習(xí)歷史三個(gè)部分。其中，系統(tǒng)推薦的作用是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)向?qū)W習(xí)者推薦整條學(xué)習(xí)路徑，提供一種或者多種路徑供學(xué)習(xí)者選擇，在選擇學(xué)習(xí)路徑之后就需要進(jìn)行具體知識(shí)點(diǎn)的選擇；學(xué)習(xí)推薦的作用是向?qū)W習(xí)者具體的展示所需要學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)的資源名稱、資源地址、資源路徑等學(xué)習(xí)資源的信息以及系統(tǒng)推薦的學(xué)習(xí)順序，學(xué)習(xí)者可以自由的選擇自己想要學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)，也可以按照推薦順序進(jìn)行學(xué)習(xí)；學(xué)習(xí)歷史的作用則是可以查看學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過(guò)程中已經(jīng)學(xué)習(xí)的部分，且可以對(duì)已學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行再次學(xué)習(xí)，以到達(dá)加深學(xué)習(xí)效果的目的。

最終的學(xué)習(xí)推薦效果如圖4所示。

圖4 學(xué)習(xí)模塊頁(yè)面展示

設(shè)計(jì)的管理功能模塊如圖5所示。

圖5 管理功能模塊

管理模塊是管理者管理系統(tǒng)的工具，管理者可以通過(guò)管理模塊對(duì)知識(shí)圖譜進(jìn)行修改、可以進(jìn)行學(xué)習(xí)資源的上架或是刪除、可以修改注冊(cè)過(guò)程、基礎(chǔ)測(cè)試題目和用戶信息等。其中各個(gè)模塊所實(shí)現(xiàn)的功能如下：

知識(shí)圖譜模塊是以王珊教授、薩師煊教授所著的《數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)概論》作為試點(diǎn)課程，將教材內(nèi)的知識(shí)點(diǎn)構(gòu)建出較為完整的學(xué)科知識(shí)圖譜。通過(guò)知識(shí)圖譜管理模塊，管理員可以手動(dòng)的進(jìn)行課程知識(shí)圖譜知識(shí)點(diǎn)的新增、刪除，可以根據(jù)學(xué)習(xí)依賴關(guān)系進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系調(diào)整等關(guān)于課程知識(shí)圖譜的操作，從而使得系統(tǒng)越來(lái)越完善。

學(xué)習(xí)資源管理模塊是通過(guò)管理員對(duì)開(kāi)放資源進(jìn)行科學(xué)性和正確性的審核后可以通過(guò)學(xué)習(xí)資源管理模塊，從而將系統(tǒng)內(nèi)已有的、不符合要求的、不合理的學(xué)習(xí)資源刪除，將系統(tǒng)之外的符合要求的開(kāi)放學(xué)習(xí)資源添加到系統(tǒng)之中，諸如教學(xué)視頻、教學(xué)PPT、百度百科等網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放學(xué)習(xí)資源，使系統(tǒng)中的學(xué)習(xí)資源覆蓋面更廣。

注冊(cè)管理模塊的作用是修改學(xué)習(xí)者在注冊(cè)時(shí)輸入的部分信息，根據(jù)學(xué)習(xí)者的反饋意見(jiàn)和系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際效果，修改在注冊(cè)過(guò)程中的學(xué)科基礎(chǔ)測(cè)試題目的內(nèi)容，使新使用系統(tǒng)的學(xué)習(xí)者有更加優(yōu)良的學(xué)習(xí)效果。

用戶信息管理模塊的作用是管理員通過(guò)模塊查看并且管理學(xué)習(xí)者的個(gè)人信息，幫助學(xué)習(xí)系統(tǒng)用戶完成密碼重置、用戶注銷等在學(xué)習(xí)者模塊中不可以進(jìn)行的操作。

最終實(shí)現(xiàn)的管理模塊如圖6所示。

圖6 管理模塊頁(yè)面展示

4 總結(jié)

本文介紹了提出了基于知識(shí)圖譜的自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的構(gòu)建思路，并且初步實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，結(jié)果表明該系統(tǒng)可以提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效率，可以按照學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)個(gè)性安排學(xué)習(xí)路線，交互界面簡(jiǎn)潔易操作。作者將繼續(xù)研究從學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)行為到學(xué)習(xí)者模型的轉(zhuǎn)換速度，繼續(xù)規(guī)范模型設(shè)計(jì)，使模型設(shè)計(jì)更加科學(xué)，加大系統(tǒng)推廣范圍，根據(jù)學(xué)習(xí)者在使用過(guò)程中的建議與意見(jiàn)繼續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)。