知識圖譜技術(shù)在教學資源庫建設中的應用

朱良兵 周虹 張聰

摘 要：將知識圖譜技術(shù)運用到教學資源庫建設中，可為教育教學的信息化、數(shù)字化、智慧化提供有力的支撐。該研究基于教育智能化和知識圖譜技術(shù)，探索將知識圖譜應用于職業(yè)教育教學資源庫建設和培養(yǎng)學科思維能力的有效途徑，通過實證研究和案例分析，展示知識圖譜技術(shù)在職業(yè)教育教學資源管理中的優(yōu)勢和應用場景，并提出解決相關(guān)挑戰(zhàn)的方案。

關(guān)鍵詞：知識圖譜技術(shù)；教育智能化；教學資源庫；教學效果；學習體驗

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：0450-9889（2024）06-0017-05

教育智能化是職業(yè)教育改革的重要方向之一，是當前教育領域的一個熱點和趨勢，將人工智能技術(shù)與教育教學相結(jié)合，可以提高教育教學的效率和質(zhì)量，為教師提供先進的教學方式和教學手段，為學生提供更加個性化和優(yōu)質(zhì)的教育服務。知識圖譜技術(shù)是一種以語義為基礎，通過將知識組織成圖譜的方式來呈現(xiàn)和管理知識的技術(shù)［1］。本文通過研究知識圖譜技術(shù)在教學資源庫建設中的應用，探索教育智能化的新路徑。

一、研究背景

（一）國家職業(yè)教育政策對教育智能化提出了新要求

近年來，國家印發(fā)《職業(yè)教育改革實施方案》《關(guān)于推動現(xiàn)代職業(yè)教育高質(zhì)量發(fā)展的意見》《關(guān)于深化現(xiàn)代職業(yè)教育體系建設改革的意見》，要求推動現(xiàn)代信息技術(shù)與教育教學的深度融合，提高課堂教學質(zhì)量，做大做強國家職業(yè)教育智慧教育平臺，建設職業(yè)教育專業(yè)教學資源庫、精品在線開放課程、虛擬仿真實訓基地等重點項目，擴大優(yōu)質(zhì)資源共享，推動教育教學與評價方式變革［2］［3］［4］。2021年7月，教育部等六部門發(fā)布了《關(guān)于推進教育新型基礎設施建設構(gòu)建高質(zhì)量教育支撐體系的指導意見》，強調(diào)以新一代信息技術(shù)促進教育教學全過程、全要素的數(shù)字轉(zhuǎn)型與智能變革，教學資源庫也是“教育新型基礎設施”的重要組成部分［5］。

（二）現(xiàn)有的教學資源庫缺乏智能化技術(shù)的應用

當前數(shù)字教育資源建設以微課、題庫、數(shù)字教材等形態(tài)為主，呈現(xiàn)多主體供給、全時段與全學科覆蓋等特征，但整體來看尚未形成新技術(shù)支持的資源建設體系［6］。首先，資源的表現(xiàn)形式單一，數(shù)字教育資源建設仍停留在多媒體素材、線性教學課件、灌輸式教學視頻等形態(tài)。其次，教學資源具有多樣性，教學資源中的學科知識點之間的邏輯體系不清、連接關(guān)系松散，數(shù)字教育資源本身的知識結(jié)構(gòu)、對應的能力層級等內(nèi)生要素難以得到高效智能的組織與管理。最后，資源的智能化服務不足，能助推個性化學習、資源組織管理等智能技術(shù)仍未真正發(fā)揮效用，師生的使用體驗仍待優(yōu)化。

（三）將知識圖譜技術(shù)應用于教學資源組織管理具有顯著優(yōu)勢

隨著教育信息化的不斷發(fā)展，教育資源的數(shù)字化程度越來越高，教育智能化已經(jīng)成為未來的趨勢。在這樣的背景下，如何更好地利用現(xiàn)有的教育資源，提高教育教學的效率和質(zhì)量，成為當前教育界亟需解決的問題。而知識圖譜技術(shù)作為人工智能領域的一項重要技術(shù)，已經(jīng)在多個領域得到了廣泛的應用。在教育領域，通過將知識圖譜技術(shù)應用到教學資源庫建設中，可以實現(xiàn)對教育資源的語義化關(guān)聯(lián)、可視化展示和智能化管理，提高教育資源的利用率和教學效果，為教育教學的信息化、數(shù)字化、智慧化提供有力的支撐。

（四）人工智能技術(shù)對教育改革提出了新要求

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，人類進入智能時代，個體需要適應加速變化的社會生活，基礎知識和基本技能已經(jīng)難以應對各種復雜、具有不確定性的陌生問題和場景，實現(xiàn)目標所需的能力日益復雜。展望未來，教育發(fā)展新趨勢對全面深化課改和育人工作提出了更高的要求。教師不僅要向?qū)W生傳授知識，而且要培養(yǎng)學生善發(fā)現(xiàn)、會思考、能創(chuàng)新、能系統(tǒng)解決問題的能力。

二、應用價值

教育智能化是當前教育領域的一個熱點和趨勢，將人工智能技術(shù)與教育教學相結(jié)合，可以提高教育教學的效率和質(zhì)量，為學生提供更加個性化和優(yōu)質(zhì)的教育服務。而知識圖譜技術(shù)作為一種新興的人工智能技術(shù)，具有將海量數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)化和語義化的能力，已經(jīng)在教育教學領域得到了廣泛應用。

（一）教學資源庫建設：實現(xiàn)智能管理和利用

知識圖譜可以將教學資源進行結(jié)構(gòu)化和語義化，實現(xiàn)教學資源的智能化管理和利用。例如，南京大學的史宇坤等人（2022）利用知識圖譜技術(shù)對《古無脊椎動物學》教學資源進行了管理和利用，實現(xiàn)了教學資源的分類、檢索和推薦功能，提高了教學資源的利用效率和質(zhì)量［7］。黑龍江中醫(yī)藥大學的郭宏偉（2021）以中國醫(yī)學史為例構(gòu)建了高校在線課程知識圖譜，為在線課程建設與智能教育發(fā)展提供有益的參考和借鑒［8］。挪威的Stian Lavik等人在挪威教育和研究部的資助下，基于知識圖譜技術(shù)構(gòu)建了終身教育學習平臺BrainBank，用戶通過直觀的交互界面進行學習［9］。

（二）教學內(nèi)容推薦：促進個性化學習

教師可利用知識圖譜技術(shù)，根據(jù)學生的個性化需求和學習史，推薦符合學生興趣和能力的教學內(nèi)容，增強學生的學習效果。例如，北京大學的高嘉騏（2021）等人提出了一種基于知識圖譜的學習路徑自動生成方法，研究成果可幫助領域?qū)＜乙?guī)劃學習路徑，為在線學習者提供指導，促進個性化學習［10］。東北師范大學趙玲朗（2021）等人以高中物理課程為例設計了基于知識圖譜的學習者畫像模型，實現(xiàn)了學生的個性化學習服務，提高了學生的學習興趣，并從知識和能力兩個角度評價了該模型的應用效果［11］。

（三）教學評估和反饋：提供方法指導

教師可利用知識圖譜技術(shù)，根據(jù)學生的學習表現(xiàn)和學習史，對學生進行評估和反饋，幫助學生發(fā)現(xiàn)自身的學習差距和不足。例如，福州大學的陳飛（2023）等人提出一種基于知識圖譜的“能力導向+問題驅(qū)動”綜合性實踐教學模式，分別從教學目標、問題分解、資源整合、實施方式和成績評定等方面探討多路徑實踐教學及評定方法［12］。東北師范大學的李振（2019）等人提出基于學科知識圖譜的智能化認知診斷評估（ICDA-SKG）方法，為智能化認知診斷評估提供新思路，并為教育評價實踐提供方法指導［13］。

綜上所述，知識圖譜在教育智能化背景下的應用研究已經(jīng)取得了一些成果，但仍然存在一些問題和挑戰(zhàn)，如數(shù)據(jù)質(zhì)量問題、語義關(guān)聯(lián)性、知識圖譜構(gòu)建復雜度及合理性等。未來，需要進一步探索和創(chuàng)新，提高知識圖譜技術(shù)在教育教學領域的應用效果和價值。

三、應用實例

“Android開發(fā)基礎”是我校為軟件技術(shù)專業(yè)開設的一門專業(yè)核心課程。本研究通過構(gòu)建該門課程的知識圖譜應用案例，結(jié)合教材內(nèi)容、網(wǎng)絡資源，梳理出主題類型、主題實例、關(guān)聯(lián)類型、角色、資源類型等，研究如何將教學資源轉(zhuǎn)化為知識圖譜結(jié)構(gòu)，讓師生協(xié)同工作，一起構(gòu)建一門課程的知識圖譜，學生在參與圖譜構(gòu)建的過程中能夠更加深刻地理解課程知識點。探究知識圖譜技術(shù)在教學資源庫建設中的具體應用方法，以及應用該技術(shù)所帶來的教學變革和創(chuàng)新。

筆者以2020年10月電子工業(yè)出版社出版、深圳信息職業(yè)技術(shù)學院賴紅老師編著的《Android應用開發(fā)基礎》為教材，并結(jié)合網(wǎng)絡資源，將來自不同渠道的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進行集成、建立關(guān)聯(lián)，構(gòu)建軟件技術(shù)專業(yè)課程“Android開發(fā)基礎”的教學資源知識圖譜。

（一）知識組織模型

本研究應用國外某公司開發(fā)的免費開源知識圖譜構(gòu)建平臺DMX，采用OSGi架構(gòu)，使用JAVA、Vue.js開發(fā)語言和Neo4j圖數(shù)據(jù)庫，結(jié)合項目需要基于平臺進行二次開發(fā)，形成個性化的應用模塊。圖1是基于主題圖的知識組織模型，上層是知識圖譜層，主要是由節(jié)點（主題）、連接線（關(guān)系）組成，如Android使用Android Studio作為開發(fā)工具、使用JAVA作為開發(fā)語言、Android包含TextView組件等；下層是和主題相關(guān)的各類信息資源，包括文字描述、文檔、圖片、視頻、音頻、網(wǎng)頁等［14］。

（二）梳理知識結(jié)構(gòu)

首先整理歸納出《Android應用開發(fā)基礎》中的主題類型、主題實例、關(guān)聯(lián)類型，如表1—4所示，由于篇幅所限，只在表中列出部分內(nèi)容［15］。主題類型主要包括架構(gòu)分層、基本組件、常用布局、常用控件、方法、活動狀態(tài)、開發(fā)工具、屬性、目錄結(jié)構(gòu)等內(nèi)容。并在每種主題類型后面列出其實例，比如Android中常用布局包括相對布局、線性布局、幀布局、表格布局、網(wǎng)格布局、約束布局。

（三）知識圖譜構(gòu)建

為專業(yè)課教師和上課班級的學生建立登錄賬號，由教師建立主題類型、關(guān)聯(lián)類型等關(guān)鍵內(nèi)容，學生參與構(gòu)建具體信息，通過師生協(xié)同工作的模式共建完整的課程知識圖譜。具體而言，分別按照如下步驟構(gòu)建各個部分的內(nèi)容。

第一步：新建主題類型，分別新建表1中的基本組件、常用布局、常用控件、方法、屬性等各個主題類型。見圖2。

第二步：新建實例，分別新建第一步中所增加的主題類型對應的實例，比如新建一個主題類型“基本組件”的實例“Activity”。見圖3。

第三步：新建關(guān)聯(lián)類型，構(gòu)建兩個主題類型之間的關(guān)聯(lián)類型，比如新建“基本組件”和“方法”之間的關(guān)聯(lián)類型“具有”，“Activity”和“活動狀態(tài)”之間的關(guān)聯(lián)類型“包括”，等等。

第四步：新建兩個實例之間的關(guān)聯(lián)，比如基本組件“Activity”具有方法“onCreate（ ）”，常用控件“Button”具有屬性“value”，“Android”使用“線性布局”，等等。見圖4。

繼續(xù)以上步驟，構(gòu)建更多的內(nèi)容，限于篇幅，這里就不一一介紹了。

（四）成果展示

本部分主要展示如何利用知識圖譜技術(shù)對教學資源進行可視化呈現(xiàn)，為用戶提供基于上下文環(huán)境的智能化導航、知識發(fā)現(xiàn)等，為教學教研提供有力的支持。當用戶瀏覽一個主題時，系統(tǒng)通過已經(jīng)構(gòu)建的語義關(guān)聯(lián)，自動為用戶提供該主題有關(guān)的其他主題信息；在屏幕上給用戶呈現(xiàn)的不是純文字的數(shù)據(jù)和信息，而是高度關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡化的知識結(jié)構(gòu)，一圖抵萬言，學生的學習體驗和認知能力將得到有效提升。

如下頁圖5所示，Android的常用控件有TextView、EditText、Button、ImageView、CheckBox、RadioButton等，其中TextView的屬性有l(wèi)ayout_width、background、padding、margin、textSize等。通過知識圖譜的語義關(guān)聯(lián)進行瀏覽、導航，各個知識點之間的關(guān)系可以可視化展示呈現(xiàn)，教師在講解的時候非常方便，學生也更加容易理解。

如下頁圖6所示，通過點擊“Button”節(jié)點可以查看其相關(guān)信息，右邊的“相關(guān)”面板展示的是與其有關(guān)聯(lián)關(guān)系的其他內(nèi)容，為用戶提供“聯(lián)想式”導航。

如下頁圖7所示，通過點擊“ImageView”查看其詳情信息，右邊的詳情面板展示的是其具體介紹內(nèi)容。

本研究基于教育智能化和知識圖譜技術(shù)，探索將知識圖譜應用于職業(yè)教育教學資源庫建設和培養(yǎng)學科思維能力的有效途徑。通過構(gòu)建一門名為“Android開發(fā)基礎”的軟件專業(yè)核心課程知識圖譜的實踐和探索，取得了一定的成果和經(jīng)驗。隨著人工智能和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的不斷發(fā)展，知識圖譜在教育領域的應用將更加廣泛。未來，可以進一步研究如何利用知識圖譜技術(shù)實現(xiàn)教學資源的智能化、個性化推薦，提供個性化的學習支持和評估反饋。同時，可以探索如何通過知識圖譜的構(gòu)建和應用，促進學科思維能力的培養(yǎng)，并應用于其他學科和領域的教學。

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