淺談虛擬教研室中知識圖譜的搭建與應用

呂銀云，朱亞先

1 廈門大學化學化工學院，福建 廈門 361005

2 化學國家級實驗教學示范中心(廈門大學)，福建 廈門 361005

知識圖譜(Knowledge Graph)，以圖結(jié)構(gòu)的形式來表示知識，涵蓋了實體、概念及其相互間的語義關(guān)系，由谷歌于2012年提出并運用到搜索引擎中[1]。知識圖譜是人工智能知識工程領(lǐng)域發(fā)展的最新技術(shù)成果，是進行知識管理、分析與服務的系統(tǒng)性方法?；谥R圖譜，可以將每個專業(yè)的知識體系科學合理地組織為專業(yè)知識體系圖譜，形成知識領(lǐng)域、知識單元、知識點的層級嵌套與網(wǎng)狀知識結(jié)構(gòu)組織，為人才培養(yǎng)和教學活動提供全方位的科學精準服務支持。

于2022年2月和5月，教育部分兩批公布了657個虛擬教研室建設(shè)試點，啟動了虛擬教研室建設(shè)，探索信息技術(shù)條件下基層教學組織建設(shè)的新形態(tài)和新模式。特別提出構(gòu)建知識圖譜的要求，希望各教研室以課程為切入點，系統(tǒng)梳理相關(guān)課程的知識體系、知識、知識關(guān)聯(lián)，利用虛擬教研室平臺提供的工具構(gòu)建知識圖譜，為開展教學研討、共建教學資源提供參考。

化學類專業(yè)基礎(chǔ)理論課程虛擬教研室為教育部首批建設(shè)虛擬教研室，其旨在研究化學基礎(chǔ)理論課程知識體系的本質(zhì)與規(guī)律、知識結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系，更新基礎(chǔ)理論教學內(nèi)容；探索化學類一流專業(yè)及一流課程建設(shè)中基礎(chǔ)理論課程教學模式；研制化學基礎(chǔ)理論課“課程標準”與“教學建議”；探索虛擬教研室的運行模式以及跨校、跨地域的教研交流模式，共建優(yōu)秀教學團隊，共享優(yōu)質(zhì)教學資源。

為了更好地梳理化學類相關(guān)理論課程的知識體系和相互關(guān)聯(lián)，化學類專業(yè)基礎(chǔ)理論課程虛擬教研室以2013-2017年教育部高等學?；瘜W類專業(yè)教學指導委員會制定的《化學類專業(yè)化學理論教學建議內(nèi)容》[2]為切入點建設(shè)知識圖譜。本文簡要介紹如何利用虛擬教研室平臺提供的工具創(chuàng)建“化學類專業(yè)化學理論教學建議內(nèi)容知識圖譜”。

1 知識圖譜基本概念

知識圖譜包括知識領(lǐng)域、知識單元、知識點，知識領(lǐng)域是關(guān)于某一領(lǐng)域或某一主題的知識范疇，可以是一門課程、一本教材等；知識單元是構(gòu)成知識領(lǐng)域的最基本單元形態(tài)，可以是一章內(nèi)容、一節(jié)內(nèi)容等；知識點是知識的最小單元，相對自包含的完整結(jié)構(gòu)，可與其他知識點產(chǎn)生關(guān)系。

專業(yè)知識體系知識圖譜將課程為中心的知識內(nèi)容精細化到知識領(lǐng)域、知識單元、知識點，以知識單元、知識點為基礎(chǔ)，利用知識圖譜技術(shù)，構(gòu)建知識領(lǐng)域的知識體系，實現(xiàn)對課程之間的“知識單元”與“知識點”層次的關(guān)聯(lián)，最終建立全專業(yè)知識體系知識圖譜(圖1)。

圖1 知識圖譜基本框架

2 教育知識圖譜服務平臺界面介紹

教育部虛擬教研室平臺提供了創(chuàng)建知識圖譜的工具——教育知識圖譜服務平臺，它旨在面向多領(lǐng)域、多學科，為用戶提供簡單、易操作的編輯工具。通過平臺工具，用戶能夠構(gòu)建全面多層級的學科領(lǐng)域知識圖譜。平臺融入了人工智能技術(shù)，能在構(gòu)建圖譜的過程中實現(xiàn)對上傳文本內(nèi)容智能識別、知識挖掘、自動抽取、關(guān)系匹配等功能。同時為用戶提供團隊在線協(xié)作功能，凝聚多方智慧協(xié)同搭建完成知識圖譜。

教育知識圖譜服務平臺界面如圖2所示，登錄虛擬教研室平臺，點擊左側(cè)“知識圖譜”，右側(cè)會出現(xiàn)菜單欄。主菜單欄包括“文件”“結(jié)構(gòu)”“視圖”“挖掘”“協(xié)作”等5個部分，下面對各部分進行簡要介紹。

圖2 知識圖譜服務平臺界面介紹

2.1 文件

知識圖譜可以另存為新圖譜、導出為edg文件、直接發(fā)布。

2.2 結(jié)構(gòu)

對知識圖譜進行編輯，插入知識單元、知識點等，刪除節(jié)點，給知識點之間添加關(guān)系。

2.3 視圖

知識圖譜的不同呈現(xiàn)形式，給知識單元或知識點排序。

2.4 挖掘

對上傳的文本素材進行自動識別，自動挖掘知識單元、知識點、知識點描述、知識點之前的關(guān)系。

2.5 協(xié)作

將知識單元分配給團隊成員進行知識點的補充和描述，可以層層分配，逐級提交和審核，最后由知識圖譜所有者進行圖譜發(fā)布。

3 知識圖譜創(chuàng)建流程

知識圖譜的創(chuàng)建流程包括新建知識領(lǐng)域、創(chuàng)建知識單元、創(chuàng)建知識點、知識點描述、添加關(guān)系、團隊協(xié)作等6個步驟，大致流程如圖3，詳細創(chuàng)建步驟可以查閱“教育知識圖譜服務平臺操作手冊”[3]。

圖3 知識圖譜創(chuàng)建流程圖

3.1 新建知識領(lǐng)域

當用戶登錄進入系統(tǒng)后，系統(tǒng)會根據(jù)用戶所屬的項目組(項目組及成員統(tǒng)一由管理員創(chuàng)建)，顯示所在項目組中全部知識圖譜(知識圖譜統(tǒng)一由管理員創(chuàng)建)，每個管理員可以新建20個知識圖譜。從首頁新建知識圖譜。

3.2 創(chuàng)建知識單元

知識單元的創(chuàng)建分為手動方式和自動方式。手動方式通過手動輸入名稱創(chuàng)建知識單元，點擊圖2“結(jié)構(gòu)”菜單，選中要插入知識單元的節(jié)點，插入同級或者下級知識單元，輸入名稱；自動方式通過圖像識別和內(nèi)容抽取方式，點擊圖2“挖掘”菜單，在“文本素材”中添加可挖掘的文本目錄，再在“目錄識別”中進行新建和校對。

3.3 創(chuàng)建知識點

知識點的創(chuàng)建分為手動方式和自動方式。手動方式通過手動輸入名稱創(chuàng)建知識點，點擊圖2“結(jié)構(gòu)”菜單，選中要插入知識點的節(jié)點，插入同級或者下級知識點，輸入名稱；自動方式通過圖像識別和內(nèi)容抽取方式，自動將相關(guān)的知識點智能歸屬到知識單元上，點擊圖2“挖掘”菜單，在“知識點挖掘”中新建和校對，在“智能歸屬”中新建和校對。

3.4 知識點描述

添加知識點描述分為手動方式和自動方式。手動方式為在知識圖譜中點擊知識單元或知識點，在右側(cè)可以添加知識點描述；自動方式點擊圖2“挖掘”菜單，在“定義抽取”中新建和校對。

3.5 添加關(guān)系

在知識樹中可以添加關(guān)聯(lián)和后序，關(guān)聯(lián)表示內(nèi)容有關(guān)聯(lián)關(guān)系，后序表示先后邏輯關(guān)系，節(jié)點之間關(guān)系添加分為手動方式和自動方式。手動方式點擊圖2“結(jié)構(gòu)”菜單，在“關(guān)系”中，選中圖譜中的節(jié)點，再選中右側(cè)與其關(guān)聯(lián)的節(jié)點，在彈出框中選擇關(guān)系類型；自動方式點擊圖2“挖掘”菜單，在“關(guān)系挖掘”中進行新建和校對。

3.6 團隊協(xié)作

知識圖譜提供團隊成員協(xié)作功能，每個圖譜可以通過團隊協(xié)作完成，點擊“分配”，可以把需要編輯的子樹分配給任務接收人，任務接收人可以繼續(xù)分配，完成任務后可以提交，對提交的知識圖譜進行審核。

根據(jù)知識圖譜創(chuàng)建流程，我們將《化學類專業(yè)化學理論教學建議內(nèi)容》搭建為“化學類專業(yè)化學理論教學建議內(nèi)容知識圖譜”。建議內(nèi)容知識圖譜共560個節(jié)點、153個知識單元、407個知識點、561個關(guān)系，視圖窗口中可以查看知識圖譜的不同呈現(xiàn)形式：知識樹視圖、關(guān)系圖、知識點視圖(圖4-6)。

圖4 “化學類專業(yè)化學理論教學建議內(nèi)容知識圖譜”知識樹視圖

圖5 “化學類專業(yè)化學理論教學建議內(nèi)容知識圖譜”關(guān)系圖

圖6 “化學類專業(yè)化學理論教學建議內(nèi)容知識圖譜”知識點視圖

知識樹視圖如圖4，從知識樹視圖中可以看到整個知識圖譜的層級結(jié)構(gòu)，右鍵點擊知識單元或知識點，在下拉框中選擇“查看描述”，可以添加文本、鏈接、圖片、視頻等；選擇“復制”，可以將知識單元或知識點自主組合成新的知識圖譜，有利于知識點的重新整合；選擇“查看關(guān)系”可以看到當前知識點的關(guān)系邏輯。對知識單元或知識點添加描述或添加關(guān)系只能在知識樹視圖中操作。

關(guān)系圖如圖5，關(guān)系圖用不同顏色表示不同層級的知識單元和知識點，便于識別。從關(guān)系圖中可以看到各知識點和知識單元之間的關(guān)系，可以拖拽知識點或知識單元，可以選擇查看關(guān)系類型。右鍵點擊知識單元或知識點，在下拉框中選擇“前往知識樹”會跳轉(zhuǎn)到知識樹并定位到該知識單元或知識點，在知識樹視圖中進行關(guān)系的添加或修改。

知識點視圖如圖6，從知識點視圖中可以看到知識圖譜所有的知識點，可以查找、刪除知識點，右鍵點擊知識點，在下拉框中選擇“查看”，可以查看知識點描述，若要修改描述要跳轉(zhuǎn)到知識樹視圖中修改；選擇“編輯”可以修改知識點名稱；選擇“歸屬”可以重新定義知識點和知識單元的歸屬，點擊“前往”，會跳轉(zhuǎn)到知識樹并定位到該知識單元或知識點。

4 知識圖譜的應用

知識圖譜通過信息抽取、知識加工等技術(shù)將某些非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)構(gòu)建為知識圖譜，其結(jié)構(gòu)化、關(guān)聯(lián)化的狀態(tài)更便于我們對知識的組織和管理，因此，知識圖譜在課程建設(shè)、資源建設(shè)、教材編寫等方面具有廣泛的應用。

4.1 知識圖譜在課程建設(shè)中的應用

4.1.1 輔助培養(yǎng)方案的制定

將課程內(nèi)容按章節(jié)分為知識領(lǐng)域、知識單元、知識點，對各知識點添加描述，形成完整的課程知識體系，通過可視化的結(jié)構(gòu)關(guān)系，遴選知識點，輔助培養(yǎng)方案的制定。

4.1.2 輔助課程平臺建設(shè)

知識圖譜可以輔助課程組內(nèi)老師進行課程平臺的建設(shè)，老師們可以將每周上課內(nèi)容作為一個知識單元，課前準備、教學內(nèi)容、教學考查等作為子知識單元，將教學課件、教學視頻、作業(yè)、習題、測試題等作為知識點進行添加和綁定，課程組內(nèi)的老師可以對各知識點的描述進行補充、修改，有利于老師們對課程內(nèi)容的梳理及課程資源的共建共享。

4.1.3 輔助各類教學比賽的組織

可以抽取課程知識圖譜中的知識點作為教學比賽的內(nèi)容，優(yōu)秀教學案例和視頻也可作為知識點的補充，不斷完善，指導示范課建設(shè)。

4.2 知識圖譜在資源建設(shè)中的應用

可建立教學資源庫知識圖譜，按不同類別搜集各類教學課件、視頻、案例、題庫，設(shè)計錄制數(shù)字資源等，在協(xié)同教研、資源建設(shè)方面可以發(fā)揮重要作用。

4.3 知識圖譜在教材中的應用

基于建設(shè)好的課程知識圖譜，可對已有教材進行審閱，修訂提高；可以遴選知識點規(guī)劃新教材的編寫；還可以通過知識體系的對比，開展教材相關(guān)的教學研究工作。

綜上所述，“化學類專業(yè)化學理論教學建議內(nèi)容知識圖譜”可以輔助課程建設(shè)：通過遴選知識圖譜中的知識點，輔助制定本科生培養(yǎng)方案；可將各類資源添加綁定到知識點，形成完備的知識庫，有利于各課程內(nèi)容之間的共建共享、融會貫通；也可將各知識點整合組織，為教材的審閱和新教材的編寫提供參考。

5 結(jié)語

知識圖譜是一系列靜態(tài)或動態(tài)圖譜形式的圖形，旨在通過可視化技術(shù)對知識結(jié)構(gòu)以及知識發(fā)展進程進行直觀描述。本文闡述了知識圖譜的創(chuàng)建過程和實際應用，對人們認識知識圖譜、建設(shè)知識圖譜具有一定的參考意義。