理工科專業(yè)課知識圖譜的構建與應用*

于強 左 磊 李亞超

（1.西安電子科技大學計算機科學與技術學院 陜西西安 710071；2.安電子科技大學雷達信號處理國家重點實驗室 陜西西安 710071）

引言

課程教學是學校實現(xiàn)人才培養(yǎng)目標最主要、最直接的途徑。信息技術的高速發(fā)展、新冠疫情的延怠反復促使在線教學成為課程教學的新常態(tài)。在線教學模式具有傳統(tǒng)課堂教學無法比擬的優(yōu)勢與便利。它不受時間、空間的限制，教師和學生只要一臺電腦、一部手機，就可以在網(wǎng)絡環(huán)境下開展教學活動，而且學生還可以多次回放教學視頻、下載配套學習資源，自主控制學習進度。然而，在線教學存在的問題同樣不容忽視。以教學內(nèi)容為例，就存在知識展示方式單一、課程相關知識缺乏顯性關聯(lián)等問題。這些問題在線下的課堂教學中可以通過師生實時互動、小組討論等形式得到彌補，但是在網(wǎng)絡環(huán)境中由于技術本身的限制，難以得到有效解決。左寒松等針對在線學習模式在理工科專業(yè)課程中的主要問題及原因進行了探討，并指出理工科專業(yè)課對知識的系統(tǒng)化、思維的完整性及實踐能力均有較高要求，而目前的在線教學平臺所提供的教學內(nèi)容框架仍是章節(jié)性框架結構[1]。章節(jié)性框架結構的設置可以使教師根據(jù)章節(jié)將課程內(nèi)容進行劃分，章節(jié)以下再細分小節(jié)。通過章節(jié)和小節(jié)，將教學內(nèi)容分配到各個不同的模塊。這種教學內(nèi)容的展示方式對應教科書的編排形式，其優(yōu)勢顯而易見。教師可以按照教科書的進度開展教學網(wǎng)絡直播、上傳講解視頻、課程資料并布置課后作業(yè)，發(fā)布測試題目定期對學生進行考核。同樣，學生也可以遵循章節(jié)安排的先后順序進行學習和測試。但是，這種循規(guī)蹈矩的學習路徑對于實現(xiàn)學生個性化的學習存在明顯不足，尤其對于理工科專業(yè)課而言。理工科專業(yè)課的知識點之間是相互依賴的，后面的章節(jié)內(nèi)容高度依賴前面章節(jié)中的某個或多個知識點。理工科專業(yè)課的教學內(nèi)容回溯性較強。某兩個或多個章節(jié)之間有一定的對應關系，而這些依賴關系都無法在現(xiàn)有的章節(jié)框架結構中體現(xiàn)出來，不利于學生對學習內(nèi)容作整體的認知，也不便于其查找某個知識點所關聯(lián)的內(nèi)容，同樣給復習增加了難度。

以“知識庫+智能搜索”為核心的知識圖譜技術為解決上述難題提供了思路。知識圖譜是一種用圖模型來描述知識和建模世界萬物之間關聯(lián)關系的大規(guī)模語義網(wǎng)絡，支持非線性的、高階關系的分析，幫助機器實現(xiàn)理解、解釋和推理的能力，是認知智能的底層支撐[2，3]。知識圖譜極大地推廣了語義網(wǎng)絡，同時也促進了自然語言、數(shù)據(jù)圖技術的發(fā)展，為描繪物理世界的生產(chǎn)、生活行為提供了有效的方法和工具[4，5]。作為一種對復雜數(shù)據(jù)進行分析并提供決策的有效手段，知識圖譜分別在醫(yī)療、金融、工業(yè)生產(chǎn)等領域有廣泛應用，但是在教育領域的應用還局限在語言學習、語言推理等與語言學習過程，缺少在具體學科方面的教學應用。李振等研究者對教育知識圖譜的內(nèi)涵進行了剖析并重點探討了教育知識譜圖的應用前景。他們指出，知識圖譜以知識為核心來驅動智能教育的發(fā)展，能夠為教學資源的語義化聚合、教學資源的優(yōu)化、個性化學習推薦等教育應用提供技術支撐[6]。基于此，本項目圍繞理工科專業(yè)課知識圖譜的構建展開研究并進行教學應用。首先，探討理工科專業(yè)課知識圖譜的構建思路，包括概念設計、專業(yè)設計以及在教學中的應用。然后，以《算法分析與設計》課程為例重點展示了本體層的構建。最后，結合智能問答系統(tǒng)對知識圖譜在理工科專業(yè)課教學中的應用進行了探討。

一、理工科專業(yè)課知識圖譜構建思路

理工科專業(yè)課知識圖譜構建思路如圖1所示。整體包含理工科專業(yè)課概念設計（知識圖譜建模）、知識圖譜構建和應用層三個模塊。因為面向的是理工科專業(yè)課這一特定領域，所以構建垂直知識圖譜，在構建時采用自頂向下的方式。

圖1 理工科專業(yè)課知識圖譜構建思路

建模的第一步是確定該領域的核心概念。在本體層中，核心概念對應的是“類”，也就是說，每個核心概念都對應著許多的實例。我們采用人工設計的方式得到課程領域的核心概念。首先，通過梳理教材、書籍、文獻提煉其中蘊含的概念元素，并將這些元素歸入不同的類別。其次，整理現(xiàn)有的課程資源的結構化數(shù)據(jù)，從中提取出包含的概念元素，將其補充到不同的類別中。最后，由本學科資深的專業(yè)課教師確定專業(yè)課知識圖譜中所設計的概念。

“關系”是本體的核心基本要素。它是對領域中的概念、實體之間的相互作用的描述。定義“關系”是本體設計中的一個重要部分。為了提高“關系”的覆蓋率，我們以課程為單位，分別邀請了一門課程的多位主講教師參與到 “關系”的定義中，在此基礎上邀請該學科資深的專業(yè)課教師指導并確定不同概念之中的關系。資深的專業(yè)課教師有多年執(zhí)教經(jīng)驗，對整個專業(yè)課的脈絡十分清晰，可以客觀準確地給出不同概念之間的關系，保證了所定義的“關系”的準確率。基于前面所構建的本體和“關系”，由具有豐富教學經(jīng)驗的一線教師來提取知識點實體，逐步構建出知識圖譜。

應用包含兩個層面，一方面是構建知識圖譜的網(wǎng)站系統(tǒng)，并利用網(wǎng)站系統(tǒng)對理工科專業(yè)課知識圖譜進行展示。另一方面是基于網(wǎng)站系統(tǒng)的教學應用。具體而言，通過該網(wǎng)絡系統(tǒng)，學生可以對課程知識和習題進行查詢、提問、查看課程概覽，同時系統(tǒng)可以推薦相關知識的學習內(nèi)容。

二、理工科專業(yè)課知識圖譜構建示例

算法是計算機科學的核心。在計算機網(wǎng)絡技術、信息技術深度普及的今天，算法已經(jīng)融入人們生活的方方面面。《算法分析與設計》課程是面向計算機和信息技術專業(yè)的專業(yè)核心課。本文以該課程為例對理工科專業(yè)課知識圖譜構建中核心的知識圖譜建模，即本體層的構建進行說明。所設計的本體如表1所示。在該算法課程的示例中，提取出了算法、數(shù)據(jù)結構、算法策略、算法復雜度和計算問題等概念，其中每個概念包含有相關的屬性，如名稱、定義和掌握程度等；同時對每個概念的一些實體進行了列舉，并且包括了每個概念的實體之間的關系。

表1 理工科專業(yè)課知識圖譜本體示例

本體層的構建實質(zhì)上是知識抽取和知識融合的過程。需要指出的是，概念的確定需考慮學生的接受度，過于抽象或過于具體的概念表示都會影響到關系的界定和實體的歸類，從而降低學習效率。

三、教學應用探討

構建完成的知識圖譜在具體的教學應用可以有多種場景。其中一個典型的知識圖譜應用是智能問答系統(tǒng)。智能問答系統(tǒng)通過在海量數(shù)據(jù)中進行信息搜索來找到所需的問題答案并返回給提問者。將知識圖譜和智能問答系統(tǒng)緊密結合可以實現(xiàn)兩種技術的優(yōu)勢互補。一方面，知識圖譜對海量數(shù)據(jù)進行結構化組織保證答案的專業(yè)性和正確性；另一方面，智能問答可以將知識可視化，兩者共同促成了教學目標的達成。

具體來說，知識圖譜智能問答系統(tǒng)可以利用知識圖譜的結構化展示數(shù)據(jù)，分析理解用戶提問，并在知識庫中進行查詢和推理，而后返回精確的答案給到用戶。以《算法分析與設計》課程構建的知識智能問答系統(tǒng)為例，學生輸入所需要查找的關鍵詞，系統(tǒng)會根據(jù)關鍵詞在知識圖譜中進行查找，并顯示出所關聯(lián)的知識點等內(nèi)容，關系限定為兩層。如圖2所示，學生輸入“最小生成樹的相關內(nèi)容”，系統(tǒng)輸出和最小生成樹相關的內(nèi)容，其中包括最小生成樹所在章節(jié)、所需掌握的程度、所需的先驗知識以及包含最小生成樹的相關習題和習題難易程度等內(nèi)容。學生可以通過返回內(nèi)容，快速獲取最小生成樹的相關信息，有針對性地學習最小生成樹的相關知識點。

圖2 知識圖譜在問答系統(tǒng)中應用示例

結語

本文介紹了理工科專業(yè)課知識圖譜的構建與教學應用，從理工科專業(yè)課知識圖譜的構建思路、構建示例以及在教學中的應用三個方面進行了介紹。將知識圖譜結合到理工科專業(yè)課教學資源的信息化中可以解決當前在線教學平臺中教學資源展示方法單一、課程相關知識缺乏顯性關聯(lián)的問題。本文的研究拓展了知識圖譜在教育教學中的應用，為在線教學的課程建設提供了新思路。整體而言，知識圖譜技術在教育信息化的研究領域還處于探索階段。由于篇幅的限制，本文未對知識圖譜的技術路線做進一步展開，這有待于在后續(xù)的研究中得到完善。