基于知識圖譜的在線學習系統設計

陳光儀，陳義明，喬波

（湖南農業大學 信息與智能科學技術學院，湖南 長沙 410128）

0 引 言

隨著終身學習觀念的不斷深入人心，外加近年來新冠疫情的防控需求，在線學習已越來越多地成為廣大學習者的重要學習方式。各地學校和教育主管部門紛紛建立起各自的在線教學平臺，教育部也在融合現有開放教學資源的基礎上建立了國家智慧教育與公共服務平臺，為社會大眾提供全方位的面向中小學教育、職業教育和高等教育的在線教學服務。然而，對現有在線學習系統進行深入研究后發現：目前絕大部分在線課程的學習內容、學習資源和學習路徑都僅按其所用教材的章節順序加以組織，缺乏基于課程知識點內在關聯邏輯的體系結構支撐；同時幾乎所有系統都缺乏對不同學習者個體特征和個性化需求的自適應性，亦無法提供及時而富有針對性的個體指導。從而使得學習者不知如何自主把握學習過程和學習進度，也難獨立形成系統性的課程知識體系結構，造成整體上的系統交互體驗不好、學習效果不佳。本文擬就如何解決這一問題展開研究，以期推動新一代信息技術與在線學習系統的深度融合，促進全社會智慧學習環境的創設和發展。

1 相關技術研究

新一代信息技術尤其是人工智能、大數據技術的發展給創建更具智慧的在線學習系統帶來了無限可能。智慧化在線學習系統本質上可視作為一種語義網絡應用，因為語義網絡的目的即為全體互聯網用戶提供一個更加準確、更加智能的知識獲取環境，知識圖譜是實現語義網絡的技術基礎，是通向語義網絡環境的鮮明道路。

知識圖譜由Google 公司在2012年提出，其初衷是為了優化搜索引擎，將傳統基于關鍵詞的搜索升級為基于語義的搜索，以此提高用戶的使用體驗。知識圖譜有通用知識圖譜和垂直知識圖譜之分，均采用SPO（Subject-Predicate-Object）三元組的形式描述現實世界中的實體、實體的特性以及實體之間的相互關系。知識圖譜相當于一個大型的語義知識庫，它以圖形化的結構來表示知識之間錯綜復雜的關聯關系。構建知識圖譜有自頂向下和自底向上兩種方式，前者通常指基于百科類網站等高質量的結構化數據源，從中提取本體和模式信息后再加入知識庫中，因而適用于那些內容明確、關系清晰的領域知識圖譜構建；后者一般指通過借助特定的技術手段從公開采集的數據中提取模式信息，選擇其中置信度較高的新模式，經人工審核后再加入知識庫中。

智慧化學習系統是人工智能、大數據技術和現代教育技術相融合的典型成果。與傳統學習系統的最大區別在于：智慧化學習系統以學習者為中心，主動適應學習者的個體特征和個性需求，全程強調學習者個人學習方式和學習習慣的充分發揮。它借助大數據和人工智能的相關技術，全面及時地獲取學習者與學習系統交互所產生的各種數據信息，進而分析他們的認知水平、學習習慣、學習方式和學習狀態，然后根據學習者畫像動態調整他們的學習路徑和學習資源，針對性地推薦后續學習內容和學習活動，從而真正實現了因材施教的教學過程。

2 系統模型設計

實現基于知識圖譜的在線學習系統，需要人工智能以及大數據技術的支持。參考Brusilovsky 等人提出的自適應超媒體教學系統（Adaptive Educational Hypermedia Systems，AEHS）通用模型，再結合目前主流在線學習平臺的發展情況，本文設計得到基于知識圖譜的在線學習系統的系統模型如圖1所示。

圖1 在線學習系統模型

基于知識圖譜的在線學習系統由課程知識圖譜模型、學習者模型、學習模型、交互界面模型和自適應引擎組成。

課程知識圖譜模型是實現智慧學習系統的前提和基礎。構建課程知識圖譜首先必須選擇好課程領域內的經典教材；然后以知識點為核心建立完整的課程知識結構體系，并抽取教材上所涵蓋的全部學習內容，加工整理后再組織到對應的各個知識點中。學習資源方面，既要積極鼓勵教育者根據課程知識特點自制各種富媒體教學材料，也可以搜集整理互聯網上與課程有關的開放教育資源加以利用，然后再建立學習資源與課程知識點之間的關聯關系。

學習者模型是所有使用系統的學習者的數字畫像。構建學習者模型之前，應該盡可能全面地采集其個體化靜態特征和動態特征。靜態特征是指學習者在使用系統之前即已具有的相關信息，主要包括其個人描述和對課程知識的現有認知水平；動態特征是指學習者在使用系統之后，隨著學習的進行和不斷深入所產生的交互信息，主要包括其學習行為習慣、學習風格和個體需求等。學習者模型在學習者注冊時創建，并隨其在線學習活動的開展而不斷調整、豐富和完善。

學習模型是對學習者和學習系統交互融合過程的抽象。在該模型中，學習者的學習行為受到課程知識圖譜模型及學習者模型的影響，同時也和系統提供的交互界面模型緊密相關。學習者可以根據課程知識體系結構自主選擇知識點和相關學習資源進行學習，也可以根據系統推薦的學習路徑開展學習活動，學習模型能保證學習者高質高效地逐步完成課程全部知識點的系統性學習。

交互界面模型是對學習者和學習系統信息交互場所的抽象。學習者將個體學習需求和學習目標通過該模型反饋到系統，系統將個性化的學習路徑和學習資源通過模型及時呈現給學習者。構建交互界面模型時，一方面要考慮學習者群體層次的豐富性，功能界面應盡量簡潔、友好和美觀；另一方面根據馬斯洛需求層次理論，也要考慮學習者在移動互聯網時代的社交習慣需求，多提供系統和主流社交平臺的互聯共享通道。

自適應引擎負責學習系統中各模型之間的信息交互和傳遞。其主要作用在于：一方面，將學習者使用系統時在交互界面模型中生成的動態信息傳遞給學習者模型和學習模型；另一方面，根據學習者的學習情況和實際需求，基于課程知識圖譜模型推薦學習路徑和學習資源，并將相應信息傳遞給學習模型或通過交互界面模型呈現給學習者。

3 系統功能設計與實現

本章將以“Python 程序語言設計”課程為例，詳細介紹基于知識圖譜的在線學習系統的功能設計與實現流程。系統的數據庫模型、功能模塊和程序流程均圍繞系統模型而展開，數據庫設計重點考慮創建課程知識圖譜模型和學習者模型所需的數據組織結構和物理存儲要求；功能模塊主要考慮如何創建并使用學習者模型和交互界面模型；程序流程則主要考慮學習模型和自適應引擎的實現，以及如何利用學習者和系統的交互不斷改進完善所有模型。

3.1 數據庫設計

關系型數據庫在結構化數據的存儲和處理方面擁有絕對優勢，但對知識組織及存儲的支持卻不夠友好，而以圖論為基礎的圖數據庫在此方面卻恰好擁有與生俱來的長處。基于知識圖譜的在線學習系統在支持課程知識圖譜模型方面選擇了開源的圖數據庫Neo4j，而在支持學習者模型以及組織存儲學習者和系統的交互信息等方面則選擇了開源的關系型數據庫PostgreSQL。使用數據庫輔助建模工具設計得到的數據庫模型如圖2所示。

圖2 在線學習系統數據庫模型

數據庫中主要存儲與課程知識點有關的學習資源信息以及所有學習者的個人信息，同時學習者的學習行為和交互數據也會保存在數據庫中。這些內容將用于初始課程知識圖譜模型、學習者模型和學習模型的創建，也將用于后期對這些模型的優化和完善。

3.2 功能模塊設計與實現

基于知識圖譜的在線學習系統實現了課程知識圖譜模型、學習者模型、學習模型、交互界面模型和自適應引擎的創建、使用和管理功能。系統功能模塊主要包括學習模塊和管理模塊兩部分。前者給學習者使用，提供用戶注冊登錄和課程在線學習等功能，系統將根據注冊信息創建學習者模型，基于課程知識圖譜模型初始化當前學習者的學習模型，并將符合其個性需求的學習路徑和學習資源通過交互界面模型呈現給學習者；后者給管理者使用，提供對課程知識圖譜、學習資源、學習者注冊過程及個人信息的統一管理功能，以便于在系統使用過程中不斷對各模型進行調整和完善。

3.2.1 學習模塊

學習模塊首先為所有學習者提供了注冊功能。為了后續提供個性化的學習服務，要求學習者在注冊時必須提供與課程有關的學習經歷等背景信息，并參加課程基礎知識測試。學習者登錄系統后，可以自主選擇課程知識點進行學習，或者根據系統推薦的學習路徑開展學習活動。學習者在學習過程中，可以隨時對學習資源進行評論、收藏和評分，還可以就學習內容和知識點問題在課程討論區中與其他學習者相互交流探討。學習者使用學習模塊的基本流程如圖3所示。

圖3 系統學習模塊程序流程圖

根據上述流程，分析學習模塊的主要子功能應該包括學習者個人注冊、課程在線學習、課程知識交流討論和學習者個人信息管理等。設計得到學習模塊的功能模塊圖如圖4所示，各子模塊實現的主要功能為：

圖4 學習功能模塊圖

（1）個人注冊模塊，實現學習者注冊功能。用戶需提供姓名、昵稱、性別、出生日期、電話號碼、電子郵箱和社交賬號等個人基本信息，同時還必須補充個人專業背景以及與Python 程序語言設計有關的學習經歷，并參加課程基礎知識測試，系統才能獲取相關信息并構建當前用戶的初始學習者模型。

（2）課程學習模塊，實現在線課程學習功能。學習者登錄系統后，可以根據課程知識點分類目錄自主選擇學習內容，系統也將根據學習者模型和課程知識圖譜模型建立起對應的學習模型，推薦符合其認知水平的個性化學習路徑和學習資源。同時，系統還將實時記錄學習者的個體學習行為習慣，包括學習者在系統中的瀏覽路徑、視頻和文檔的學習時長、各個知識點和學習資源的點擊次數等，所獲信息將用于對現有學習者模型和學習模型的優化和完善。

（3）交流討論模塊，實現課程知識的交流討論功能。學習者在學習過程中，可以隨時根據個人學習體驗對學習資源進行評論，或就具體問題與其他學習者進行探討。實現的功能主要包括學習資源評論、收藏和評分，以及知識點分組討論區的話題新建、回復、點贊、收藏和分享等。這種社交性學習活動本質上是一種協同知識構建的方式，既有利于學習者進一步鞏固和拓展學習效果，也有利于系統獲取更多學習者的學習行為習慣，提升系統模型的準確和完善程度。

（4）個人管理模塊，實現學習者個人信息的管理功能。系統允許學習者隨時修改其個人信息，尤其是學習者在系統之外獲得的與課程有關的學習經歷和學習成果，這些反饋有利于系統對學習者更精準的用戶畫像。同時，系統還提供了學習者查看其個人歷史學習記錄的功能。

最終實現的在線學習系統學習功能模塊如圖5所示。

圖5 學習功能模塊實現界面

3.2.2 管理模塊

管理者登錄系統后，可以對“Python 程序語言設計”課程知識圖譜進行管理，也可以對課程知識點以及關聯學習資源進行修改，以便于系統后期不斷充實和完善課程知識圖譜模型。此外，管理者還可以對學習者注冊過程和課程知識測試題目進行調整，以便建立更完善、更精準的學習者模型和學習模型。設計得到管理模塊的功能模塊圖如圖6所示，各子模塊實現的主要功能如下：

圖6 管理功能模塊圖

（1）課程知識圖譜管理模塊。系統采用湖南農業大學信息與智能科學技術學院院長朱幸輝教授編寫的《Python程序設計案例教程》作為教材，構建了較為完整的Python 程序語言課程知識圖譜。系統運行時，管理者可以通過該模塊對現有知識圖譜進行修改，及時補充Python 程序語言發展的新知識、新內容，同時還可以對界面模塊中呈現給學習者的課程知識點及其相互關系進行調整，使之更準確、更科學、更全面地體現課程的知識結構體系。

（2）學習資源管理模塊。系統所使用的學習資源主要來源于課程教學團隊多年來的自制積累，同時也搜集整理了互聯網上與Python 程序語言有關的許多開放教育資源，清洗整理后再將它們與課程知識圖譜中的各個知識點建立關聯關系。系統允許管理者在后期不斷補充和更新課程學習資源，并根據學習者反饋對學習資源和課程知識點之間的關聯關系進行調整，以完善課程知識圖譜模型，優化學習體驗，提升學習效果。

（3）注冊過程管理模塊。學習者模型是否準確反映了學習者的個性，是實施學習路徑和學習資源推薦的關鍵。管理者能夠根據系統運行后的反饋意見和實際效果，及時調整獲取學習者個體特征的手段和方式。譬如對于不便于在學習過程中動態獲取的信息，或者獲取質量不高的信息，可以調整至學習者的注冊流程，以用戶“個性標簽選擇”或“學習習慣設置”等方式轉而由學習者自主提供。同時，系統也允許管理者對課程基礎知識測試進行修改調整，這樣可以創建更精準的學習者模型。

（4）學習者管理模塊。管理者能夠查看并管理所有學習者，包括其個人學習記錄和學習成績等，從而及時掌握學習者的學習進度和學習水平，對其進行個性化的學習指導。同時，管理者還能通過系統和學習者實時交流互動，參與話題討論，解答課程相關問題等。

最終實現的在線學習系統管理功能模塊如圖7所示。

圖7 管理功能模塊實現界面

4 結 論

本文介紹了基于知識圖譜的在線學習系統的設計思路，提出了智慧化學習系統的設計模型，并以“Python 程序語言設計”課程為例設計實現了完整的系統功能模塊。應用結果表明：本文成果能給Python 程序語言的學習者提供高效且個性化的在線學習環境，課程知識點分布科學合理，系統推薦內容符合個體學習需求，交互體驗友好，學習效果良好。后續研究工作重點在于：一方面，系統獲取學習者的行為數據后，如何跟隨其學習進程實時優化學習模型并同步調整交互界面模型還需要進一步深入研究；另一方面，對于如何規范系統模型和功能模塊設計，以便將成果推廣至其他同類在線學習系統也需要反復實踐。作者將從以上方向著手，扎實開展后期的理論研究和實踐創新工作，以期取得更有價值的成果，為推動全社會形成良好的智慧學習環境做出貢獻。