基于知識圖譜的在線學習系統

任志文，劉家杉，張善文

（西京學院 電子信息學院，陜西西安，710123）

0 引言

科學技術的發展使人類逐步步入現代化，而現代化讓信息的傳播更為快速，也正因此，讓我們與互聯網的聯系越來越密切。實現高效的學習成為我們需要解決的問題，傳統的“你聽我講”的學習方式的弊端日益凸顯。在當今的信息化時代，在線學習將會成為今后的一種非常重要的學習方式，在線學習是一種不受時間約束的學習方式，學習者只需一臺計算機即可進行自主學習。它屬于數字化學習，但同時也具有自身的獨特價值，即學習者的學習場所更加廣泛而不只是局限在教室里或者是書桌前。將互聯網技術與學習結合起來將成為一種理想的、高效的學習方式，越來越多的互聯網技術應用到教育領域也更加推動了教育信息化的發展。

1 相關技術研究

Google在2012年提出了知識圖譜的概念。一般認為，知識圖譜以實體或者屬性作為結點，實體間的關系或者屬性值作為鏈接的網絡結構，形成了一種強關聯性的、復雜的、結構化的知識庫，是語義網的一種。按照其應用領域和覆蓋范圍不同分為兩類，分別是通用知識圖譜和領域知識圖譜。知識圖譜內容一般是三元組提供的，形如：

其中G是關系三元組，Enthead是三元組中的頭實體，Enttail是三元組中的尾實體，Rel是頭實體與尾實體間的關系，知識圖譜蘊含大量相互關聯的三元組信息。

自適應學習系統是指學習系統在使用的過程中，自適應學習強調學習者之間的不同學習特征，依靠大數據技術和人工智能對學習特征數據進行分析，從而對學習者進行貼標簽，再根據學習者的自身學習習慣和學習特征的數據信息和學習者的標簽，自動的調整學習者的學習順序、學習方法、學習約束、學習資源等，使得最終的學習路徑與學習者的特征相適應，得出學習者的最佳學習路徑。

2 系統模型設計

實現在線學習系統需要用大人工智能和大數據技術的支持，參考ALEKS自適應學習平臺，本系統的模型框架如圖1所示。

圖1 自適應學習模型框架

自適應學習系統是由學習者模型、知識模型、自適應引擎和交互界面模型構成的。

學習者模型是一種用來表征學習者當前學習特征和學習行為的數據結構，可以反映出學習者的個體特征學習習慣、學習特征以及認知能力，本文按照《GB/T29805-2013信息技術學習、教育和培訓學習者模型》來進行學習者模型的搭建。

知識模型是實現自適應學習的關鍵一步，為自適應學習系統提供知識庫，以課程知識為中心構建知識圖譜，涵蓋課本所有知識點的同時包括部分網絡教學資源，在學習課本的同時可以靈活的學習課程以外的知識點，擴大知識面。

自適應引擎是實現個性化學習的核心。一方面根據學習者學習特征和知識模型結構，進行學習內容的推送和學習順序的調整，通過交互界面展示給學習者，另一方面自適應引擎會依據學習者的上一階段的學習情況對知識模型和學習者模型進行數據更新。

界面交互模型是系統的人機交互功能，學習者可以將學習需求和學習進度反饋到系統之中。該模型既可以將自適應引擎基于推送的學習資源展現到學習者眼前，方便學習者進行學習，又可以使管理者進行管理。

3 系統功能實現與設計

■3.1 數據庫設計

知識圖譜是以圖結構來進行數據表示的，而圖關系數據庫的關系、節點、屬性三種元素，與知識圖譜的實體-關系-實體結構恰好相互對應，所以將教育知識圖譜中的數據按照圖的結構來進行儲存。在眾多的圖數據庫中功能最強的是Neo4j圖形數據庫，利用Neo4j作為知識圖譜的數據管理系統。學習者的個人信息和人機交互信息等結構化數據選擇SQL Sever進行存儲。

Neo4j和SQL Sever兩種數據庫中分別存儲知識點關聯信息和學習者信息，這些信息將會被用于知識圖譜的更新，個性化學習路徑的規劃與改善等方面，也會用于后期完善和對系統的再次開發之中。

其中Neo4j中存儲的是《數據庫系統概論》之中的知識點以及關聯信息，如圖2所示。

圖2 《數據庫系統概論》部分知識圖譜展示

SQL Sever主要存儲學習者信息和人機交互信息主要數據表設計如下：

（1）sign表：可以查看用戶簽到的時間等信息。

表1 sign表

（2）user表：可以查看用戶的個人信息。

表2 user表

（3）test表：用于設置考試測評界面的。

表3 test表

（4）knowledge表：用于系統內學習資源的評價。

表4 knowledge表

表5 resource庫

（6）access表：用于記錄學習資源訪問情況以及學習者在學習相應資源是多耗費的時間。

表6 access庫

■3.2 功能模塊設計

系統功能模塊主要分為兩個部分，分別是管理模塊和學習者模塊，其中管理模塊供給老師等教學管理者使用，管理者通過管理模塊對知識圖譜、學習者注冊和學習者信息等進行統一管理；學習者模塊供給學生等學習者使用，提供個人注冊、在線學習等功能。

設計的學習者模塊如圖3所示。

圖3 學習者模塊

（5）resource表：用于儲存學習資源以及學習資源的簡介、地址等信息。

根據需求學習者模塊由注冊模塊、學習模塊、學習者個人信息管理模塊三大模塊組成各個模塊的實現功能如下：

注冊模塊用來實現學習者注冊，需要填寫一些個人信息以便完成注冊，在完成注冊后，需要填寫相關學習經歷并且進行相關基礎測試，系統根據測試的成績和學習經歷對學習者進行初始的數據分析。

學習者信息管理模塊可以對學習者個人信息進行維護與更新，可以增加新的學習經歷，可以手動更新自己的學習進度，也可以選擇新的學習背景，自適應引擎可以根據新數據變化做出新的個性化學習路徑推薦。

學習模塊用來進行學習者在線學習，可以選擇不同的教學資源進行學習，可以按照系統給出 的順序進行學習，也可以按照學習者自身的需求或是個人興趣進行跳躍式的學習。在選擇跳躍學習后，系統會再次更新學習資源的推薦。學習模塊又細分為系統推薦、學習推薦、學習歷史三個部分。其中，系統推薦的作用是實現系統向學習者推薦整條學習路徑，提供一種或者多種路徑供學習者選擇，在選擇學習路徑之后就需要進行具體知識點的選擇；學習推薦的作用是向學習者具體的展示所需要學習的知識點的資源名稱、資源地址、資源路徑等學習資源的信息以及系統推薦的學習順序，學習者可以自由的選擇自己想要學習的知識點，也可以按照推薦順序進行學習；學習歷史的作用則是可以查看學習者在學習過程中已經學習的部分，且可以對已學習內容進行再次學習，以到達加深學習效果的目的。

最終的學習推薦效果如圖4所示。

圖4 學習模塊頁面展示

設計的管理功能模塊如圖5所示。

圖5 管理功能模塊

管理模塊是管理者管理系統的工具，管理者可以通過管理模塊對知識圖譜進行修改、可以進行學習資源的上架或是刪除、可以修改注冊過程、基礎測試題目和用戶信息等。其中各個模塊所實現的功能如下：

知識圖譜模塊是以王珊教授、薩師煊教授所著的《數據庫系統概論》作為試點課程，將教材內的知識點構建出較為完整的學科知識圖譜。通過知識圖譜管理模塊，管理員可以手動的進行課程知識圖譜知識點的新增、刪除，可以根據學習依賴關系進行知識點之間的聯系調整等關于課程知識圖譜的操作，從而使得系統越來越完善。

學習資源管理模塊是通過管理員對開放資源進行科學性和正確性的審核后可以通過學習資源管理模塊，從而將系統內已有的、不符合要求的、不合理的學習資源刪除，將系統之外的符合要求的開放學習資源添加到系統之中，諸如教學視頻、教學PPT、百度百科等網絡開放學習資源，使系統中的學習資源覆蓋面更廣。

注冊管理模塊的作用是修改學習者在注冊時輸入的部分信息，根據學習者的反饋意見和系統運行的實際效果，修改在注冊過程中的學科基礎測試題目的內容，使新使用系統的學習者有更加優良的學習效果。

用戶信息管理模塊的作用是管理員通過模塊查看并且管理學習者的個人信息，幫助學習系統用戶完成密碼重置、用戶注銷等在學習者模塊中不可以進行的操作。

最終實現的管理模塊如圖6所示。

圖6 管理模塊頁面展示

4 總結

本文介紹了提出了基于知識圖譜的自適應學習系統的構建思路，并且初步實現了自適應學習系統，結果表明該系統可以提高學習者的學習效率，可以按照學習者的學習個性安排學習路線，交互界面簡潔易操作。作者將繼續研究從學習者學習行為到學習者模型的轉換速度，繼續規范模型設計，使模型設計更加科學，加大系統推廣范圍，根據學習者在使用過程中的建議與意見繼續優化系統。