混合式教學中課程知識圖譜的構建與應用研究

顏慧

關鍵詞：混合式教學；知識圖譜；個性化學習；Java程序設計

0 引言

混合式教學的開展與實施依托于線上課程教學資源，全面提高課程質量、優(yōu)化課程知識體系的設計、構建優(yōu)質的線上課程教學資源是有效提升混合式教學實施效果的關鍵。在混合式教學中，建設線上課程資源是非常重要的一個環(huán)節(jié)，使用優(yōu)質的線上課程資源及良好的課程資源組織方式能較好地提升教學效果。傳統的課程資源通常包括微課視頻、課件、習題及相關的文檔等，課程資源的組織模式通常是按照教材章節(jié)進行劃分和組織，然后再在對應的章節(jié)下面進行課程資源的建設，是一種扁平化的資源組織模式。

這種傳統的扁平化的資源組織模式，存在以下問題：

1） 學習者較難構建出完整的知識體系

在傳統的線上資源的建設和組織模式中，由于知識點按樹形結構或線性結構進行組織，所有的知識點都從屬于某一章節(jié)，知識點之間的聯系呈現出一種平面化的結構。而實際上，有些知識點不僅和本章節(jié)的知識點之間存在聯系，也可能與其他章節(jié)的知識點存在聯系，而傳統的這種扁平化的知識點的組織方式，無法將知識點之間的這種錯綜復雜的聯系呈現出來。而知識點的扁平化，也導致了與知識點相對應的課程教學資源的扁平化，使得課程教學資源比較零散，無法建立彼此間的聯系，從而不利于學生構建完整的課程知識體系。

2） 不便于學習者在海量的資源中精準搜索所需要的資源

傳統線上課程資源的粒度較粗，沒有細化到每一個知識點進行課程資源的建設；而且課程資源較為零散，也沒有提供良好的檢索方式，學生較難從大量、雜亂的資源中去快速并且精準地獲取到自己所需要的知識點課程資源。

3） 不能很好地滿足學習者個性化學習、因材施教的要求

例如，學生某個知識點沒掌握好，可能是因為其前置知識點沒掌握好而導致的，但在傳統的課程資源組織方式中，學生無從得知某個知識點的前置知識點是什么，從而無法自行進行知識點的查缺補漏，從而就談不上自主學習、個性化學習和因材施教。

因此傳統的課程資源建設方式，存在一定的弊端。隨著時代的發(fā)展，迫切需要有一種新型的課程教學資源建設的新模式，來滿足學生對于自主學習、個性化學習的新需求?；谝陨咸岢龅膯栴}，近年來提出的教育知識圖譜能較好地解決上述教學痛點。

1 課程知識圖譜

1.1 知識圖譜

知識圖譜是人工智能及大數據等新一代信息技術發(fā)展的產物，最早由谷歌于2012年提出[1]。知識圖譜是一種知識表示、管理和組織的模型，本質是一種語義網絡，使用圖結構來表示知識，圖中的節(jié)點表示實體或者概念，邊表示實體或者概念之間的關系。知識圖譜將知識使用網狀結構組織起來，使用可視化技術描述知識及它們之間的關系，建立知識體系并挖掘和展示知識的隱形關系，給人類提供了一種更易于組織、管理和理解知識的模式。知識圖譜是人工智能的基礎設施，其應用場景包括搜索引擎、智能推薦、智能問答等。知識圖譜可以分為通用知識圖譜和領域知識圖譜，通用知識圖譜由百科知識和常識知識等構成，領域知識圖譜則是由專業(yè)領域的知識構成，在社會、經濟、生活等各方面起著重要的作用。

1.2 課程知識圖譜

教育知識圖譜是知識圖譜在教育領域的應用。

教育知識圖譜將大量零散的、多模態(tài)的各類教育資源與各實體關聯起來構建語義網絡，它側重實現知識與教育資源之間的關聯，展示了知識點之間的關系。沈紅葉[2]等人歸納了教育知識圖譜的應用場景，包括學習者畫像構建、學情分析與評價診斷、學習資源推薦、個性化學習路徑規(guī)劃、智能化管理、知識問答系統等。

教育知識圖譜是教育資源的載體，是實現教育現代化的技術手段，可以更好地輔助教師教學和學生學習。教育知識圖譜的優(yōu)點主要體現在以下幾點：

1） 網狀的資源組織模式，可以將零散的教學資源與知識點關聯在一起，并整合了多種模態(tài)的教學資源，包括視頻、課件、習題等多種類的教學資源。

2） 其語義網絡的形式，能將知識點之間、知識點與教學資源之間的關系準確地表達出來，能夠構建出完整的學科或課程知識框架。

3） 教育知識圖譜是實現教育智能化的先進技術，提供了用戶畫像、個性化推薦、行為預測、精準分析、決策支持等技術手段。

教育知識圖譜的常見形式有學科知識圖譜和課程知識圖譜。學科知識圖譜是以可視化的形式揭示學科發(fā)展歷程與學科知識結構之間的關系[3]，可用于輔助學科建設，也可以用于學科教學和學習。而課程知識圖譜則用于展示單門課程的知識脈絡，主要用于輔助課程教學和學習。

2 課程知識圖譜的構建

2.1 構建方法

知識圖譜的構建的關鍵步驟包括命名實體識別取、關鍵詞抽取、概念關系抽取三個步驟[4]。命名實體一般是代表人名、地名、機構名稱等的單詞或者短語，命名實體識別就是從語料庫中通過統計、分析、挖掘等方法識別出有哪些命名實體。關鍵詞抽取是提取出用于描述命名實體的一組具有代表性的短語，一般用于表示命名實體的屬性。概念關系抽取是對命名實體之間的關系進行識別和判定。

在構建課程知識圖譜時，命名實體對應課程中的知識點，也就是課程中的概念、術語等實體。課程概念的抽取來源主要包括教材、課程教學大綱、授課視頻、課件、習題等教學資源，以及維基百科等外部知識庫。概念關系抽取則是提取課程知識點之間的關系，主要包括先修關系、關聯關系等。

知識圖譜的構建方法有自底向上、自頂向下以及二者混合的方法。自底向上的方式是指從海量的信息中抽取實體、屬性及實體之間的關系，先構造數據層；再逐步向上抽象進行本體的構建形成模式層。自頂向下的方法是先構建知識圖譜的模式層，通過本體學習，從最頂層的概念開始構建頂層本體，再通過實體學習將通過知識抽取得到的實體與模式層本體進行融合。

構建課程知識圖譜，可以采用機器學習技術進行自動化或半自動構建，也可以通過領域專家人工進行構建。黃超[5]通過機器學習算法進行課程知識圖譜中課程概念的抽取，并使用算法進行課程關系抽取。黃煥[6]等人在構建Java程序設計基礎課程知識圖譜時，采用了自頂向下的方式構建課程知識圖譜，對教材內容進行了分析，定義“課程”“章”“節(jié)”“知識點”四種類，并定義了“包含”“相關”“邏輯依存”三種關系，構建了Java程序設計基礎課程知識圖譜。

本文在構建Java程序設計課程知識圖譜時，采用了自頂向下的方式進行構建，但并沒有直接按照章節(jié)來劃分知識點，而是將教學內容按照模塊來進行劃分，先將內容相關的知識點劃分為一個模塊，再劃分知識點，然后建立知識點之間的聯系，最后建立課程教學資源與知識點之間的關聯。

2.2 具體構建流程

具體構建流程如下：

1）資源及工具準備

首先要建設好課程知識圖譜所需要用到的學習資源，包括課程微視頻、課件、習題庫、參考資料文檔等，將學習資源部署在線上教學平臺上；其次要選擇構建課程知識圖譜的工具。本文使用超星智慧教學平臺來部署教學資源，統一在超星平臺上建設了各類教學所需的線上資料，并選擇了超星教學平臺中的知識圖譜工具作為構造Java程序設計課程知識圖譜的工具。

2） 梳理知識層次結構

參照多本教材目錄，梳理Java程序設計課程的知識結構，厘清概念的層級關系，按照內容的聚合度劃分模塊，共劃分出“Java 語言概述”“Java 語言基礎”“Java面向對象基礎”“Java高級特性”“異常處理”“輸入輸出流”“常用工具類”等7大模塊，作為最上層的概念；然后在各模塊內再梳理出各知識點，先以思維導圖的形式將各知識點及各知識點之間的關系以樹形結構展示出來。

在梳理課程知識點時，知識點分解的粒度要較細，并且做到對教學大綱涉及的內容全覆蓋。

3） 創(chuàng)建各級知識點

根據之前梳理的知識結構創(chuàng)建所有的知識點。在創(chuàng)建知識點時，知識點的命名要簡明扼要，不宜命名太長。本課程在課程知識圖譜中一共創(chuàng)建了172個知識點。

4） 建立知識點之間的關系

構建知識點之后，在課程知識圖譜中建立知識點之間的關系，知識點之間的關系有“前置”“后置”和“關聯”三種。前置關系指的是某個知識點是另外一個知識點的先修知識點；后置關系指的是某個知識點是另一個知識點的后修知識點；關聯關系指的是兩個知識點之間不存在先修和后修的關系，而是知識點之間存在一定的相關性。

5） 關聯知識點與學習資源

在課程知識圖譜中構建完知識點及知識點之間的關系后，接著是將各類教學資源掛載到相關的知識點上。常見的教學資源包括課程視頻、課件、習題、各類文檔等，只需選擇相應的教學資源和知識點關聯在一起即可。

構建出的課程知識圖譜部分展示如圖1所示。

3 混合式教學中知識圖譜的應用及效果

3.1 應用場景

課程知識圖譜是智能教育的基礎設施，為混合式教學提供了一種新的技術手段。課程知識圖譜的應用場景包括：

1） 輔助開展混合式教學活動

在混合式教學中，可以使用課程知識圖譜輔助開展日常教學活動。學生可自主通過課程知識圖譜去學習課程知識點，規(guī)劃自己的學習路徑；還可以通過知識圖譜中的知識點進行預習、復習、探索等各類學習活動。通過課程知識圖譜，還可以提高學生自主學習的積極性和主動性。

2） 輔助教師進行精準決策

通過課程知識圖譜可以得到學生群體畫像，包括整個班級的總體掌握情況、平均完成率、平均掌握率等數據，并且這些數據使用了可視化的形式進行展示，使得教師能夠從整體上較為客觀且直觀地掌握學生對于知識點的掌握情況，輔助教師從整體上對下一步教學內容及教學方式進行精準決策和優(yōu)化。

通過課程知識圖譜還統計出學生個人對于某個知識點的具體掌握情況，包括完成情況、完成率和掌握率，從而教師能夠精準掌握每個學生的學習情況，從而可以針對每個學生的情況進行精準督學、助學和促學。

3） 輔助構建科學的評價體系

通過課程知識圖譜，可以準確統計出每個學生對于課程中每個知識點的掌握情況，為學生的考核評價提供了客觀、科學、精準的科學依據，助力構建多元化的、形成性的學生考核評價體系。

3.2 應用效果

通過使用課程知識圖譜輔助教學過程，促使學生從被動學習轉換為主動學習，在學習的過程中做到“隨學隨查”，使得學生能夠達到“無師自學”。通過對使用了課程知識圖譜的同學進行調研，普遍反饋課程知識圖譜易學易用、知識點詳細、檢索知識點方便快捷精確、知識點關聯習題易于復習、對學習有一定的促進作用。

4 結束語

課程知識圖譜是一種新型教學資源，但在建設的過程中還存在一定的問題有待解決。目前課程知識圖譜主要是由任課教師手工構建，由人工來梳理知識點，構建知識點之間的關系，并將各類資源關聯到對應的知識點上。首先，知識點的完整性、一致性以及劃分的粒度等，受限于構造課程知識圖譜的專家，不同的專家劃分出的知識點的數量及粒度存在一定的偏差，從而導致了知識圖譜的質量不可控；其次，教育知識圖譜需要大量的資源來支撐，如果單純依靠專家手工構造知識圖譜，搜集到的資源相對有限，無法滿足大量多模態(tài)資源掛載的要求。因此，教育知識圖譜的進一步發(fā)展還有待研究，通過新一代信息技術的發(fā)展，使用機器輔助人工的方式更好地構造出高質量的知識圖譜；教學工作者也有待進一步研究如何利用教育知識圖譜推進教育智能化，推進教育教學與信息技術的深度融合。