基于知識圖譜的習題資源構(gòu)建

萬林 鮑雯 江蘇省徐州高級中學(xué)

●問題提出

在教育教學(xué)中，習題是檢測教師的教與學(xué)生的學(xué)的效果的最直接的手段，但由于作業(yè)量大，學(xué)生經(jīng)常陷入“題?！敝胁荒茏园?，疲憊地應(yīng)付作業(yè)，不僅學(xué)得很累，而且未能真正掌握知識。在“雙減”政策下，教師該如何“輕負高質(zhì)”地開展課堂教學(xué)呢？面對這些問題，筆者提出構(gòu)建基于知識圖譜的習題資源系統(tǒng)，期望能夠?qū)虒W(xué)有一定的幫助。

●核心概念界定

1.習題與習題資源

習題資源，一方面指的是隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展、知識的不斷更新而出現(xiàn)的海量題目，另一方面指的是與習題相關(guān)聯(lián)的資源（如文本解析、音頻講授、微課詳解等）。目前的習題資源不再僵化于簡單的題目和答案，已逐漸發(fā)展為豐富的富媒體化的習題資源，但這些習題資源分散在各處，處于數(shù)據(jù)異構(gòu)化、無序化的狀態(tài)，急需進行更有效的管理。

2.知識圖譜

在習題資源管理領(lǐng)域中，知識圖譜可用來描述復(fù)雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從語義層面理解習題隱含的信息。因此，筆者運用知識圖譜對任教的高中信息技術(shù)學(xué)科的知識點進行碎片化重組、再造，構(gòu)建高中信息技術(shù)的知識圖譜，以便于師生對高中信息技術(shù)的知識點進行碎片化學(xué)習和對應(yīng)的習題資源檢索和復(fù)用。

●習題資源知識圖譜的模型構(gòu)建

1.節(jié)點定義

在基于知識圖譜的習題資源管理系統(tǒng)中，主要存在三個節(jié)點，分別為學(xué)生S、習題Q、知識點K，它們之間形成一個三元關(guān)系，其中，學(xué)生集本文用表示，習題集用表示，知識點集用表示。它們之間的關(guān)系如下頁圖1所示。

圖1 學(xué)生、習題與知識點之間的關(guān)系

根據(jù)圖1不難發(fā)現(xiàn)，習題、知識點、學(xué)生三者之間形成了穩(wěn)定的三角關(guān)系。從一個節(jié)點出發(fā)，皆可以關(guān)聯(lián)到其他任意節(jié)點，它們?nèi)咝纬闪艘环N直接關(guān)系，而它們與自身之間卻需要通過非自身建立聯(lián)系，故節(jié)點與自身之間是一種間接關(guān)系。

2.關(guān)系定義與權(quán)重設(shè)置

（1）直接關(guān)系

習題與知識點之間的關(guān)系是通過學(xué)科專家的直接標記，先人為設(shè)置權(quán)重，再通過在實驗中不斷檢測，調(diào)整權(quán)重值，來表示知識點對于該習題的難易程度，分別為0.1，0.3，0.5，0.7，0.9。同時，依據(jù)布魯姆的六個學(xué)習目標理論，對知識點的深度進行標注。

學(xué)生與知識點之間的關(guān)系是學(xué)生在學(xué)習完知識點后，對與該知識點相關(guān)的習題進行作答，根據(jù)學(xué)生答對與答錯該知識點的次數(shù)得出學(xué)生對知識點的掌握程度：，其中分別表示學(xué)生答對、答錯該知識點的次數(shù)，為權(quán)重系數(shù)。③學(xué)生-習題。

學(xué)生與習題之間是通過學(xué)生答題的行為進行關(guān)聯(lián)的。根據(jù)學(xué)生答對與答錯該習題的次數(shù)得出學(xué)生對習題的掌握程度：，其中分別表示學(xué)生答對、答錯該知識點的次數(shù)，為權(quán)重系數(shù)。

（2）間接關(guān)系

①學(xué)生-學(xué)生。

學(xué)生與學(xué)生之間的關(guān)系是一種間接關(guān)系，他們是通過各自的答題集產(chǎn)生的答題序列，對比他們之間的相似度，得出他們之間的關(guān)系。學(xué)生的答題集為，令，定義學(xué)生答題序列，其中表示該學(xué)生答對題的次數(shù)，表示該學(xué)生答錯題的次數(shù)。定義學(xué)生S之間的相似度：，設(shè)定閾值C，若大于閾值C，則兩學(xué)生相似。

習題與習題之間的關(guān)系是通過知識點作為橋梁聯(lián)系的。如圖2所示，與之間不是直接聯(lián)系的，是通過知識點建立了相應(yīng)的聯(lián)系。雖然與的題面不同，但考查的是同一個知識點，故可以將與作為一類習題進行聚類處理。

圖2 習題-習題之間關(guān)系

③知識點-知識點。

知識點是知識體系中相對獨立、完整，不能或不宜再進行劃分的基本知識單位。知識點層次關(guān)系圖（Knowledge Network Hierarchy Graph，KNHG）是指由內(nèi)容上相關(guān)聯(lián)的知識點組成的有向無環(huán)圖。知識點層次關(guān)系反映了學(xué)生學(xué)習路徑或教師講授知識點的順序關(guān)系，知識點層次關(guān)系圖如圖3所示。

圖3 知識點層次關(guān)系

知識點a所在的層次是指從起點出發(fā)到知識點a的橫向最長路徑的長度。如圖3中b所在的層次是2，h所在的層次是3。在圖3中，每一個頂點均代表一個知識點，帶方向的箭頭表示知識點間具有前驅(qū)和后繼的關(guān)系，即兩個知識點的內(nèi)容或在教學(xué)順序上具有前后關(guān)系，如圖3中標記為b的知識點的內(nèi)容依賴于標記為a的知識點，則稱b為a的后繼，a為b的前驅(qū)，其反映的實際意義是指，在學(xué)習知識點b之前，學(xué)生應(yīng)該已經(jīng)掌握了知識點a。知識點f的廣義前驅(qū)知識點集合為{a，b，d}，知識點c的廣義后繼知識點集合為{h，i，j}。

知識點以及知識點層次關(guān)系圖雖然可以較好地表示學(xué)生的學(xué)習路徑，但無法表示學(xué)生對知識點的掌握程度。針對此問題，為單個知識點劃分知識點深度，通過知識點深度表示知識點的掌握程度。因此，引入布魯姆教育目標分類分為知道（Knowledge）、領(lǐng)會（Comprehension）、應(yīng)用（Use）、分析（Analysis）、綜合（Synthesis）、評價（Evaluation）六個深度。從當前知識點出發(fā)依據(jù)布魯姆教育目標分類到達層次的縱向最長路徑稱為知識點深度，用KND（Knowledge Network Depth）表示。

在上頁圖4中，每一圓柱代表一個知識點，知識點分層代表知識點深度。如圖中知識點a，將知識點a根據(jù)布魯姆教育目標分類分為六個深度，每個深度分別用、、、、、來表示。例如，“應(yīng)用”對應(yīng)的知識點深度為3，表示為。知識點深度同樣具有單向傳遞性，即從知識點深度淺的向知識點深度深的單向傳遞。將知識點深度和知識點層次相聯(lián)系，知識點之間關(guān)系為由前驅(qū)知識點要求達到的最深深度向后繼知識點的最淺深度傳遞，如上頁圖5所示。

圖4 知識點a深度表示

●高中信息技術(shù)學(xué)科知識圖譜建構(gòu)

高中信息技術(shù)學(xué)科圖譜體系的建構(gòu)包括本體構(gòu)建和語義標注，高中信息技術(shù)學(xué)科本體構(gòu)建主要按照從上到下的方式，對學(xué)科知識進行抽象表示、挖掘概念、關(guān)系整理、知識分類，規(guī)范信息技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)的知識點、相應(yīng)關(guān)系和結(jié)構(gòu)分類。語義標注是對本體內(nèi)的概念進行三元組挖掘，處理與數(shù)據(jù)層的映射關(guān)系。

為了解決高中信息技術(shù)學(xué)科內(nèi)的知識共享和復(fù)用，必須要有高中信息技術(shù)學(xué)科的知識本體，而目前沒有已構(gòu)建好的高中信息技術(shù)本體，因此，筆者通過研究，確定分六個環(huán)節(jié)來完成高中信息技術(shù)學(xué)科本體的構(gòu)建。

1.知識領(lǐng)域范圍

學(xué)科的知識領(lǐng)域范圍，是由其學(xué)科的屬性、國家課程標準和使用者決定的，《普通高中信息技術(shù)課程標準（2017年版）》明確信息技術(shù)學(xué)科的課程結(jié)構(gòu)類別主要由必修、選擇性必修和選修組成，高中信息技術(shù)學(xué)業(yè)水平測試主要考查必修內(nèi)容，具體為《數(shù)據(jù)與計算》和《信息系統(tǒng)與社會》兩本教材。必修教材上的知識點是構(gòu)建本體的主要依據(jù)，網(wǎng)絡(luò)上的知識作為擴展補充使用。

2.知識分類體系

為了將高中信息技術(shù)的知識點、知識點之間的關(guān)系呈現(xiàn)出來，筆者依據(jù)權(quán)威教材、標注迭代、專家意見三個視角，采用自上向下的方法構(gòu)建了高中信息技術(shù)學(xué)科知識分類體系（如上頁圖6和圖7）。

圖6 高中信息技術(shù)——必修1《數(shù)據(jù)與計算》知識分類體系

圖7 高中信息技術(shù)——必修2《信息系統(tǒng)與社會》知識分類體系

3.知識概念體系

高中信息技術(shù)學(xué)科的每一章節(jié)都包含了很多的知識點，而知識點又可以細分為一個個概念，概念與概念之間有一定的關(guān)系，如前驅(qū)與后繼的關(guān)系。只有學(xué)會了前面的知識點，才能進行下一個知識點的學(xué)習，否則會出現(xiàn)斷層現(xiàn)象。

筆者在構(gòu)建高中信息技術(shù)學(xué)科知識概念體系時最大限度地包含了高中信息技術(shù)學(xué)科中全部的核心概念，去掉個別冗余。上頁圖8、圖9是高中信息技術(shù)學(xué)科的知識概念體系的部分內(nèi)容，如“字節(jié)”“域名”和“IP地址”等，它們與其他概念之間產(chǎn)生關(guān)系，共同構(gòu)成了結(jié)構(gòu)化的高中信息技術(shù)學(xué)科本體。

圖8 《數(shù)據(jù)與計算》第二章知識點關(guān)系

圖9 《信息系統(tǒng)與社會》第二章知識點關(guān)系

4.學(xué)科實體的關(guān)系

知識概念體系的層次結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了知識概念之間的一種繼承關(guān)系，依據(jù)樸素貝葉斯模型訓(xùn)練知識分類體系，識別高中信息技術(shù)學(xué)科知識概念體系的“實體－關(guān)系－實體”三元組。將知識點的概念化為空間中的一個點，概念與概念之間的關(guān)系稱為邊。點與點相連，邊與邊相接，構(gòu)成了實體之間的龐大關(guān)系網(wǎng)。采用純?nèi)斯俗?shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，得到一個實體關(guān)系分類模型，訓(xùn)練高中信息技術(shù)本體中知識內(nèi)容，使得標注知識更有結(jié)構(gòu)性和層次性。

5.學(xué)科本體的審核

針對高中信息技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域純手工構(gòu)建的本體缺乏科學(xué)評價和管理機制的問題，學(xué)科專家應(yīng)將國家出臺的課程標準和省考試院的考試大綱作為審核的依據(jù)進行審核。

6.學(xué)科本體的再修改

根據(jù)學(xué)科專家對本體的審核，應(yīng)適時適當做出再修改，保障高中信息技術(shù)學(xué)科本體的科學(xué)性、嚴謹性和全面性。

●基于知識圖譜的習題資源語義化處理

1.XML元素語義標注

XML（Extensible Markup Language）是一種以標記為核心的自然描述語言，具有元信息語義和很強的擴展能力，充分描述數(shù)據(jù)的邏輯性、嚴謹性、層次性和結(jié)構(gòu)性的特點。筆者準備使用XML語言對高中信息技術(shù)習題資源進行語義化處理。

針對習題資源定義XML元素，利用定義完整的XML元素將收集的高中信息技術(shù)習題進行逐一標注，標注方法則按照知識圖譜的思想進行，當習題經(jīng)過標注后，計算機能通過解析XML元素獲取習題隱藏的信息，具有語義功能。習題資源語義模型XML元素如上頁表1所示。

表1 習題資源語義模型XML元素

在經(jīng)過XML元素標記后，習題及其屬性已經(jīng)被有效分離。元素exercise_id的屬性包含習題的ID，是標記習題唯一性的前提；exercise_name元素包含了習題名稱及其題干，通過標注可以挖掘習題隱含的信息，更有利于計算機對習題的理解；元素exercise_level包含了習題的難易程度，為教師組卷，推薦習題資源做準備；exercise_type元素標記習題的類型，本文主要是針對高中信息技術(shù)學(xué)科，將習題類型分為選擇題、操作題和簡答題；exercise_option元素作為標記習題的選項或解題的提示，讓學(xué)生從迷惑的答案中做出選擇；exercise_score元素則表示習題的分值，標記出習題的每道題分值，有利于對學(xué)生做出評價和反饋；point_id元素是標記習題所對應(yīng)的知識點ID，找到了知識點的ID，就是找到了知識點本身，及其資源。

本節(jié)不僅通過XML元素語義化習題的過程，挖掘習題隱藏的信息，充分發(fā)揮知識圖譜具有的邏輯性、層次性等優(yōu)勢，而且還建立了習題、習題資源和知識點數(shù)據(jù)表，幫助系統(tǒng)更好地構(gòu)建習題資源數(shù)據(jù)庫。

2.知識點數(shù)據(jù)表

知識點屬性主要包含知識點I D（i d）、知識點編號（knowledgeCode）、知識點名稱（knowledgeName）、學(xué)段ID（StageId）、學(xué)科ID（StudyId）與知識點最后同步時間（sysTime），如表2所示。其中，學(xué)段ID用于區(qū)分學(xué)生所處學(xué)段，學(xué)科ID用于區(qū)分學(xué)生使用系統(tǒng)時所學(xué)科目，一個學(xué)生可以對應(yīng)多個學(xué)段與多個學(xué)科。

表2 知識點

3.習題表

習題是學(xué)生在檢測時使用的資源，習題表主要用于存儲與習題相關(guān)的信息，主要包含習題ID、知識點ID、所屬人ID、習題難度、習題類型等基本信息，如上頁表3所示。

表3 試卷表

4.資源表

資源主要分為兩類：講解資源和習題資源。講解資源主要包括微課、視頻、課件、教案等對知識點進行講解的學(xué)習資源；習題資源主要用于作業(yè)、練習與測試。

由于系統(tǒng)的使用不僅局限于某一具體學(xué)段及學(xué)科，各學(xué)段學(xué)科間可能會存在知識點重復(fù)的問題，但不同學(xué)段的對知識點掌握程度的要求也不同，因此習題資源除了要與知識點進行對應(yīng)外還需要與學(xué)段對應(yīng)，如表4所示。

表4 學(xué)習資源

●小結(jié)

本文主要針對習題資源在實際的教學(xué)中存在的問題，提出利用知識圖譜的技術(shù)理念，構(gòu)建知識點、習題、學(xué)習者三者之間的三元關(guān)系模型，并以高中信息技術(shù)學(xué)科為例，構(gòu)建了本學(xué)科知識圖譜，且對習題資源進行語義化處理，且設(shè)計了習題、知識點和資源的數(shù)據(jù)表，為下一步系統(tǒng)的開發(fā)實現(xiàn)做準備。實踐說明，構(gòu)建基于知識圖譜的習題資源系統(tǒng)能夠提高教學(xué)質(zhì)量，希望對其他學(xué)科的教學(xué)具有借鑒意義。