基于學(xué)習(xí)通平臺的知識圖譜應(yīng)用與反思

摘 要：隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展及其在教育領(lǐng)域的不斷滲透，知識圖譜已然成為中國教育從“互聯(lián)網(wǎng)+教育”向“人工智能+教育”轉(zhuǎn)型的強(qiáng)大引擎。本文首先對知識圖譜、教育知識圖譜以及課程知識圖譜的內(nèi)涵、分類及構(gòu)建流程進(jìn)行了詳盡的闡述；其次探討了課程知識圖譜在教學(xué)實(shí)踐中的多元化應(yīng)用場景，并對這些場景下的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹；再次展示了如何利用學(xué)習(xí)通平臺來構(gòu)建課程知識圖譜的具體過程；最后結(jié)合應(yīng)用體驗(yàn)，指出在利用平臺構(gòu)建課程知識圖譜過程中遇到的一系列問題，并針對這些問題，提出了切實(shí)可行的解決方案。這些方案的提出，旨在進(jìn)一步完善和優(yōu)化課程知識圖譜的構(gòu)建與應(yīng)用，以更好地服務(wù)于教育領(lǐng)域的人工智能轉(zhuǎn)型與升級。

關(guān)鍵詞：知識圖譜；教育知識圖譜；課程知識圖譜；學(xué)習(xí)通

Abstract：With the rapid development of information technology and its continuous penetration into the field of education，Knowledge Graph has become a powerful engine for China's education to transform from \"Internet+education\" to \"artificial intelligence+education\".This paper first provides a comprehensive explanation of the connotation，classification and construction process of Knowledge Graph，Educational Knowledge Graph and Course Knowledge Graph.Then it explores the diversified application scenarios of Course Knowledge Graph in teaching practice and introduces the current research status in these scenarios.It then shows the specific process of constructing course knowledge graph using the XueXiTong platform.Finally，combining the application experience，it points out a series of problems encountered in the process of using the platform to construct Course Knowledge Graph and proposes practical solutions to these problems.The proposed solutions aim to further improve and optimize the construction and application of Course Knowledge Graph to better serve the artificial intelligence transformation and upgrading of the education field.

Keywords：Knowledge Graph；Educational Knowledge Graph；Course Knowledge Graph；Xue Xi Tong

將零散的知識碎片，依據(jù)其固有的邏輯與特性，編織成條理清晰、相互關(guān)聯(lián)的知識網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而構(gòu)筑起對世界全面而深刻的理解框架是高等教育學(xué)科體系構(gòu)建的核心理念；學(xué)科的本質(zhì)即系統(tǒng)化的知識體系［1］。然而在日常的教學(xué)中，我們的教學(xué)活動往往拘泥于課程的既定框架與章節(jié)順序，呈現(xiàn)出一種線性的知識傳授方式，導(dǎo)致知識點(diǎn)間缺乏必要的內(nèi)在聯(lián)系與銜接。

線性教學(xué)方式雖有其穩(wěn)定性與便捷性，卻難以助力學(xué)生跨越課程界限，構(gòu)建出橫跨多領(lǐng)域、多層次的知識體系與認(rèn)知架構(gòu)。學(xué)生難以將所學(xué)知識融會貫通，形成對復(fù)雜問題的綜合分析與解決能力。

隨著信息技術(shù)的飛速躍進(jìn)，我們正從“互聯(lián)網(wǎng)+”向“人工智能+”轉(zhuǎn)型。這一轉(zhuǎn)型不僅為教育領(lǐng)域帶來了前所未有的技術(shù)革新，更為我們重新審視并優(yōu)化傳統(tǒng)教學(xué)模式提供了寶貴契機(jī)。通過大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，我們有望實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的個性化定制、教學(xué)方式的多元化探索以及學(xué)習(xí)效果的智能化評估，從而打破傳統(tǒng)教學(xué)的局限，促進(jìn)知識點(diǎn)間的深度整合與跨學(xué)科融合，助力學(xué)生搭建起更加堅(jiān)固、靈活的認(rèn)知體系。

知識圖譜作為人工智能領(lǐng)域的基石之一，在教育界的影響力日益顯著。它不僅是一個簡單的可視化工具，更是一個強(qiáng)大的知識架構(gòu)師。通過捕捉學(xué)科的邏輯脈絡(luò)，知識圖譜能夠構(gòu)建起一個結(jié)構(gòu)化的知識框架，為學(xué)習(xí)者提供清晰的學(xué)習(xí)路徑。此外，借助認(rèn)知診斷和知識推理技術(shù)，知識圖譜使教育變得更加精準(zhǔn)、高效。

一、知識圖譜與教育知識圖譜

（一）知識圖譜

知識圖譜是一個將現(xiàn)實(shí)世界以圖形化形式呈現(xiàn)的技術(shù)，圖中的每個節(jié)點(diǎn)代表一個實(shí)體，節(jié)點(diǎn)間的邊表示實(shí)體之間的關(guān)系。知識圖譜可定義為G={E，R，F(xiàn)}，E表示實(shí)體集合，R表示關(guān)系集合，F(xiàn)E×R×E代表知識庫中的三元組集合［2］。

知識圖譜有通用知識圖譜和領(lǐng)域知識圖譜之分。通用知識圖譜覆蓋范圍廣，主要包含的是常識性知識，對每個領(lǐng)域的知識不會特別深入，更多地提供通用信息；而領(lǐng)域知識圖譜是深入挖掘?qū)I(yè)領(lǐng)域的相關(guān)數(shù)據(jù)，相較于通用知識圖譜，其對專業(yè)領(lǐng)域的知識表示則更細(xì)節(jié)、更有深度。

知識圖譜的構(gòu)建方式有“自上而下”和“自下而上”兩種。“自上而下”的構(gòu)建是指借助百科類網(wǎng)站等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)源，從高質(zhì)量數(shù)據(jù)中提取本體和模式信息，加入知識庫中；“自下而上”的構(gòu)建則是借助一定的技術(shù)手段，從公開采集的數(shù)據(jù)中提取出資源模式，選擇其中置信度較高的新模式，加入知識庫中［3］。通用知識圖譜是從大量結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)中提取實(shí)體和關(guān)系，更多的是采用“自下而上”的構(gòu)建方式；而領(lǐng)域知識圖譜往往需要領(lǐng)域?qū)＜业膮⑴c，構(gòu)建過程更依賴于領(lǐng)域內(nèi)的數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)。

（二）教育知識圖譜

教育知識圖譜是知識圖譜在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，它是用圖的形式對教育領(lǐng)域的資源及其關(guān)系進(jìn)行語義化組織和存儲的一種方式［4］，最終在知識層面和認(rèn)知層面形成學(xué)科領(lǐng)域知識和學(xué)習(xí)者的認(rèn)知狀態(tài)。它與大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)疊加，可為學(xué)習(xí)者提供知識導(dǎo)航、認(rèn)知診斷、學(xué)習(xí)資源聚合、學(xué)習(xí)路徑推薦等個性化的學(xué)習(xí)服務(wù)［5］。

教育知識圖譜從數(shù)據(jù)狀態(tài)的角度劃分，可分為動態(tài)知識圖譜和靜態(tài)知識圖譜。動態(tài)知識圖譜是以教學(xué)事件或教學(xué)活動為節(jié)點(diǎn)，以它們之間的邏輯事理關(guān)系為邊，構(gòu)成的多關(guān)系圖。其中邏輯關(guān)系多表現(xiàn)為事件、活動之間的順承關(guān)系、因果關(guān)系、反轉(zhuǎn)關(guān)系等。

靜態(tài)知識圖譜中以各教學(xué)元素為實(shí)體節(jié)點(diǎn)，以教學(xué)元素間的邏輯關(guān)系為邊。課程知識圖譜是典型的靜態(tài)知識圖譜。課程知識圖譜中，實(shí)體節(jié)點(diǎn)就是知識點(diǎn)，知識點(diǎn)通常包含概念、公式、定理、原理等；也可泛指教學(xué)資源、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)問題、教學(xué)情境等。邊是指各知識點(diǎn)間的內(nèi)在關(guān)系，包含知識點(diǎn)間的前、后續(xù)關(guān)系和相關(guān)關(guān)系等。

二、課程知識圖譜在教學(xué)中的應(yīng)用

（一）課程畫像

知識圖譜通過將課程內(nèi)各知識點(diǎn)以圖形化的方式展現(xiàn)，為教師和學(xué)生提供了一種直觀的方式來理解課程的知識結(jié)構(gòu)以及各知識點(diǎn)之間的內(nèi)在聯(lián)系。通過課程畫像，教師可以更優(yōu)質(zhì)地設(shè)計(jì)教學(xué)過程和教學(xué)案例，引導(dǎo)學(xué)生理解相關(guān)知識點(diǎn)。而學(xué)生則可以更宏觀地把握課程的整體結(jié)構(gòu)，同時也便于學(xué)生對某個知識點(diǎn)進(jìn)行快速的檢索和針對性的學(xué)習(xí)。課程知識圖譜還能以其中某些知識點(diǎn)為中間節(jié)點(diǎn)，將多門課程串聯(lián)起來，使學(xué)生形成學(xué)科的整體知識架構(gòu)，幫助他們實(shí)現(xiàn)知識的融合與遷移。

李春艷［6］在講解電子制造有限責(zé)任公司各種規(guī)則的章程時，由于課程只安排了較少的專題培訓(xùn)課時，不便于學(xué)生的理解和掌握，因此她將相關(guān)知識點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，形成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)狀形式，先行在線上進(jìn)行教學(xué)。其中給學(xué)生提供多元而準(zhǔn)確的學(xué)習(xí)資源，幫助學(xué)生初步構(gòu)建適用于課程教學(xué)的知識圖譜知識體系。通過這種方式，不僅有效解決了課時不夠、學(xué)生掌握不扎實(shí)的問題，還提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，達(dá)到了較好的教學(xué)效果。

病理學(xué)作為基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)的橋梁學(xué)科，它的病案分析不僅需要基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)的相關(guān)知識，還涉及其他相關(guān)學(xué)科的知識，周芳芳［7］在構(gòu)建病理學(xué)知識圖譜時，將基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、內(nèi)外科及診斷學(xué)中的資源都包含在對應(yīng)的知識點(diǎn)中，并將它們設(shè)置為后置知識點(diǎn)，滿足了不同專業(yè)、不同層次和不同需求的學(xué)生學(xué)習(xí)。

（二）學(xué)生畫像

學(xué)生在學(xué)習(xí)平臺上進(jìn)行知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)，測試留下的所有行為數(shù)據(jù)，知識圖譜可結(jié)合認(rèn)知診斷技術(shù)和知識推理技術(shù)，精準(zhǔn)地定位學(xué)生在學(xué)習(xí)中存在的問題，并根據(jù)其學(xué)習(xí)模式與偏好，進(jìn)行個性化的學(xué)習(xí)路徑推薦。在此基礎(chǔ)上，它還可以智能地為學(xué)生推薦一系列針對性強(qiáng)的知識資源，幫助學(xué)生填補(bǔ)知識點(diǎn)的欠缺，鞏固已學(xué)內(nèi)容。

駢揚(yáng)［8］利用知識圖譜和認(rèn)知診斷等技術(shù)，精準(zhǔn)選擇作業(yè)布置點(diǎn)并實(shí)現(xiàn)學(xué)情的高效診斷和推理，在一線中小學(xué)進(jìn)行了實(shí)踐，收到了較好的效果。李其娜［9］構(gòu)建了《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》的知識圖譜，然后利用“支持向量機(jī)”算法設(shè)計(jì)一個基于章節(jié)的習(xí)題推薦系統(tǒng)，并通過實(shí)驗(yàn)證明了該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)知識點(diǎn)查詢、知識路徑查詢與基于章節(jié)和知識點(diǎn)的習(xí)題推薦功能，達(dá)到個性化習(xí)題推薦的效果，有效提升了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效率。

（三）教學(xué)管理

教師可以借助教學(xué)平臺的知識圖譜，洞察學(xué)生對各個知識點(diǎn)的理解層次與掌握情況，精準(zhǔn)鎖定學(xué)生潛在的認(rèn)知障礙與知識盲區(qū)。基于對這些數(shù)據(jù)的詳盡分析，教師能夠進(jìn)一步優(yōu)化課程設(shè)計(jì)的核心架構(gòu)，優(yōu)化教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)，確保教學(xué)策略既能夠有的放矢地加固學(xué)生的薄弱環(huán)節(jié)，又能適時地激發(fā)學(xué)生的潛能，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的高度個性化和教學(xué)效率的顯著提升。

楊文霞［10］在“線性代數(shù)”教學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行了開創(chuàng)性的探索，她構(gòu)建了該學(xué)科的知識圖譜，并實(shí)施了兩輪教學(xué)實(shí)踐。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了知識圖譜在助力學(xué)生個性化學(xué)習(xí)規(guī)劃、增強(qiáng)學(xué)習(xí)效能與心智發(fā)展方面的顯著作用，還展示了其助力教師全面捕捉學(xué)生的多維度的學(xué)習(xí)軌跡特征，為實(shí)施精準(zhǔn)教學(xué)評估與動態(tài)教學(xué)調(diào)整提供了有力支撐，最終為高素質(zhì)人才的培養(yǎng)開辟了新路徑。

三、課程知識圖譜的構(gòu)建

教學(xué)中課程知識圖譜的構(gòu)建，大多借用各教學(xué)平臺提供的知識圖譜功能，在教師的干預(yù)下實(shí)現(xiàn)知識圖譜的構(gòu)建。以“學(xué)習(xí)通”平臺為例，知識圖譜的構(gòu)建需要教師首先梳理好課程的所有知識點(diǎn)及其內(nèi)在邏輯；其次整理好相關(guān)知識點(diǎn)的各類素材；再次將知識點(diǎn)導(dǎo)入平臺中，平臺自動生成該課程的知識圖譜；最后再對生成的圖譜進(jìn)行相應(yīng)的資源關(guān)聯(lián)。

“學(xué)習(xí)通”平臺支持教材識別、大綱識別、模板導(dǎo)入、頁面手動編輯等多種知識點(diǎn)導(dǎo)入方式。其中通過教材或教學(xué)大綱生成的知識圖譜，是通過智能解析的方式生成知識點(diǎn)結(jié)構(gòu)預(yù)覽，然后點(diǎn)擊“加入知識點(diǎn)”后完成智能導(dǎo)入。這種方式生成的知識圖譜在教學(xué)中可能并不符合實(shí)際教學(xué)場景，因此整個過程需要教師根據(jù)實(shí)際授課情況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。所以大多數(shù)教師會根據(jù)自己的實(shí)際授課內(nèi)容事先進(jìn)行知識點(diǎn)的選擇和知識點(diǎn)前后關(guān)系、相關(guān)關(guān)系的梳理，然后將它們通過模板導(dǎo)入或頁面手動編輯等方式形成符合授課班級特點(diǎn)的知識圖譜。

知識點(diǎn)在設(shè)置時，其內(nèi)容粒度不可設(shè)置得太過細(xì)小，過細(xì)過小會造成知識圖譜太過復(fù)雜，不便于知識的查詢和整體的把握；也不可設(shè)置得太籠統(tǒng)，過于籠統(tǒng)的知識圖譜不便于進(jìn)行知識點(diǎn)診斷，達(dá)不到精準(zhǔn)教學(xué)的效果。知識點(diǎn)的粒度以微課為單位較為合適，包含一個或若干個小的相關(guān)知識點(diǎn)，匹配相關(guān)資源，形成一個獨(dú)立的學(xué)習(xí)單元。

“學(xué)習(xí)通”平臺的知識圖譜還結(jié)合了認(rèn)知診斷技術(shù)、知識推理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行診斷和學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)路徑的推薦，因此在構(gòu)建知識圖譜的過程中，教師需要將與知識點(diǎn)相關(guān)的試題、視頻資源等進(jìn)行關(guān)聯(lián)設(shè)置。最終形成了一個由概念文本信息、視頻、試題等資源共同組成的知識點(diǎn)，而這些多維、立體的知識點(diǎn)就形成了可查詢知識、可測評學(xué)習(xí)狀態(tài)、可進(jìn)行學(xué)習(xí)路徑推薦和學(xué)習(xí)資源推薦的單一課程和多門課程交互的立體知識圖譜。

四、知識圖譜在使用中的問題與思考

（一）知識圖譜的設(shè)計(jì)，需要更優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)源和更多的教師團(tuán)隊(duì)

課程知識圖譜的知識點(diǎn)設(shè)置、知識點(diǎn)屬性設(shè)置是由教師及其所在團(tuán)隊(duì)構(gòu)建，通常只適用于其所在的學(xué)校和專業(yè)，不具有普適性和權(quán)威性。因?yàn)椴煌膶W(xué)校對同一課程、同一課程對不同的專業(yè)的人才培養(yǎng)方案和培養(yǎng)的層次各不相同，對于一些學(xué)校和一些專業(yè)，有些知識點(diǎn)就不作為授課內(nèi)容，或是知識點(diǎn)講授的深淺度不同，所以就需要對他們設(shè)置不同的知識圖譜。同樣，知識圖譜中對知識點(diǎn)的屬性設(shè)置，比如考點(diǎn)、重點(diǎn)、難點(diǎn)的設(shè)置也都是出自教師和教師團(tuán)隊(duì)的理解，帶有更多的主觀性和學(xué)校特色，是否具有權(quán)威性也值得商榷。

因此，在知識圖譜的設(shè)計(jì)中，應(yīng)優(yōu)先選擇更加權(quán)威的教材、大綱等優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)源，并對其可信度進(jìn)行評估，以確保數(shù)據(jù)源的準(zhǔn)確性。同時，要加強(qiáng)同類型學(xué)校之間的交流合作，積極開展跨校的集體備課和虛擬教研室活動，為設(shè)計(jì)出更具有通用性和高質(zhì)量的知識圖譜打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（二）學(xué)習(xí)資源的精準(zhǔn)推薦，需要不斷優(yōu)化算法設(shè)計(jì)和規(guī)范專業(yè)名詞

在進(jìn)行知識點(diǎn)關(guān)聯(lián)資源推薦時，推薦的依據(jù)是將知識點(diǎn)進(jìn)行關(guān)鍵詞拆分，再從平臺中選取符合拆分后關(guān)鍵詞的資源。比如，如果需要對Excel中“公式及函數(shù)的基本概念”進(jìn)行資源推薦時，系統(tǒng)會將其拆分成“基本公式”“函數(shù)概念”等熱門詞匯進(jìn)行資源的搜索和推薦，推薦的資源不夠準(zhǔn)確。這不僅涉及平臺對知識圖譜中的知識融合和知識消歧的算法設(shè)計(jì)，同樣也涉及教師在對知識點(diǎn)設(shè)置時，其名稱選取的精準(zhǔn)性。

對于知識圖譜的設(shè)計(jì)平臺而言，未來還需要不斷優(yōu)化知識圖譜的底層設(shè)計(jì)，通過“強(qiáng)化學(xué)習(xí)”等算法策略，完善知識融合、知識消歧等技術(shù)；其次還需要擴(kuò)充平臺課程相關(guān)資源的數(shù)據(jù)庫，方便系統(tǒng)能更精準(zhǔn)地推薦學(xué)習(xí)信息。教師在設(shè)置知識圖譜的知識點(diǎn)時，要盡量使用規(guī)范的專業(yè)名詞來表達(dá)課程信息，以便知識圖譜能更準(zhǔn)確地理解知識點(diǎn)信息，精確地抽取學(xué)習(xí)資源進(jìn)行學(xué)習(xí)推薦。

（三）課程資源的頻繁更新，使得知識圖譜的更新迭代更具挑戰(zhàn)

大語言模型和新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，使得我們的課程資源加速更新，將新知識、新技術(shù)資源納入教學(xué)中推薦給學(xué)生，刪除一些不合時代發(fā)展的舊案例是每位教師的本職工作。但知識圖譜重新構(gòu)造需要大量的人力、物力，推倒重構(gòu)并不現(xiàn)實(shí)。即便在已有知識圖譜的基礎(chǔ)上，將新資源融入也需要花費(fèi)教師很多的時間和精力，同時對更新策略和更新后圖譜的準(zhǔn)確性也提出了更高的要求。

因此，需要加大對教師在教育信息化方面的培訓(xùn)，引導(dǎo)更多的教師使用知識圖譜來輔助教學(xué)，鼓勵更多的教師加入知識圖譜的構(gòu)建團(tuán)隊(duì)中來。在技術(shù)層面上，要不斷完善知識圖譜的自動迭代算法，使得知識圖譜的構(gòu)建更具有智能化和實(shí)時化。

4 結(jié)論

信息技術(shù)的快速發(fā)展，已經(jīng)在教育領(lǐng)域掀起一場以信息技術(shù)為核心的教育革命。隨著各種人工智能技術(shù)在教育領(lǐng)域的不斷滲透，相關(guān)研究逐年增多，但大多是從人工智能在教育領(lǐng)域的宏觀應(yīng)用角度去闡述研究成果。本文則是從教學(xué)的微觀角度去闡釋知識圖譜在教學(xué)中的具體應(yīng)用，詳細(xì)分析了課程知識圖譜在教學(xué)中的應(yīng)用種類、應(yīng)用場景及通過教學(xué)平臺構(gòu)建課程知識圖譜的步驟，并結(jié)合應(yīng)用體驗(yàn)，提出在教學(xué)環(huán)境中知識圖譜有待改進(jìn)的地方，并針對問題提出了自己的思考。

隨著知識圖譜在教學(xué)中的廣泛應(yīng)用，知識圖譜的各項(xiàng)技術(shù)會被不斷優(yōu)化，目前各教學(xué)平臺已經(jīng)將知識圖譜和AI技術(shù)相結(jié)合，提出了新的AI教學(xué)模型，知識圖譜+AI在教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用必將是未來主要研究方向之一。

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