基于知识网格的智能辅助教学系统

李涛

（武汉科技大学计算机学院，武汉 430081）

基于知识网格的智能辅助教学系统

李涛

（武汉科技大学计算机学院，武汉 430081）

基于知识网格的智能辅助教学系统利用网格技术，构建以知识共享为核心的服务体系，实现了知识的动态聚合、智能评测、精细反馈的目标，达到知识“一点接入，全局漫游”的目的，贯穿了整体化、网络化的指导思想。建立一个以知识共享为核心，智能服务为基础的教学平台，依托该平台，开展基于知识网格的教学方法研究，评测学生的知识结构短板，提升学生对概念的理解和总结能力。该方法已经在武汉科技大学计算机学院的实际教学过程中得到应用，取得良好的效果。

知识网格；辅助教学系统；本体

0 引言

随着网络技术在教学中广泛应用，教育信息化建设已处于由数字化转向智能化，硬件建设转化为服务建设，资源优势转化为知识优势的关键阶段。打造一个高层次，以知识共享为核心，智能服务为基础的教学平台，对提升教学质量，深化教学改革，带动教育现代化具有重要意义。

基于知识网格的智能辅助教学系统利用网格技术，构建了以知识共享为核心的服务体系，实现了知识的动态聚合、智能评测、精细反馈的目标，达到了知识“一点接入，全局漫游”的目的，贯穿了整体化、网络化的指导思想。

网格是指将大量的分布、离散的计算机、存储器等信息资源组织起来，形成一个有机的信息整体，形成多层次的协同，达到资源一点接入、全局共享的目的[1]。知识网格是一种建立在网络之上的知识共享环境。它以网格网为基础架构，实现异构语义资源的整合与获取，并提供基于语义资源的知识服务。其本质是知识资源和知识服务的协同与共享[2]。

基于“知识网格”的智能辅助教学系统，从资源共享提升为知识共享，构建了多层次的知识服务体系，在知识的集成、评测、答疑上实现了智能化，可以为广大师生提供多维的知识服务，如：开展“知识漫游”式的教学；从学生某个缺失的知识点出发，动态评测其缺失的知识链结构；根据评测结果，实现基于网络的个性化、有针对性的答疑，从而提供提供完整的、更为有效的教学服务，有效地解决目前面临的“网络利用率低”、“互动与个性化服务存在严重不足”、“资源缺乏共享性”、“知识获取难度较大”等主要问题。

1 基于知识网格的智能辅助教学系统结构

基于“知识网格”的智能辅助教学系统（如图1）主要包含三个内容：知识共享、动态评测、智能答疑。教学过程中所涉及到的所有角色，包括教师、教辅人员、学生、研究人员都可以从三个层面（学科、课程、概念）共享相关知识，由知识网格提供目录，引导用户访问所需的知识。例如某个用户希望了解操作系统的知识，知识网格首先提供该课程与数据结构、数据库原理之间的课程关系，接着列出操作系统的核心概念，当用户希望进一步了解时，则进入第三层，概念共享层，访问相关资源。

动态评测主要解决的问题，主要是针对目前的评测基本上是静态评价，利用知识网格提供的概念之间的各种关系，动态追踪学生的缺失知识链，实现对学生知识体系的网状评价。

智能答疑针对评测得到的学生缺失知识链，实现定量的、有针对性地网上答疑，对学生缺失知识链所涉及的教师，形成不同的虚拟组织，实现综合答疑。

图1 基于知识网格的智能教学平台的功能结构图

2 构建知识网格体系

知识网格体系结构使用基本的网格机制,网格服务基础上建立具体的知识发现服务系统。当今的实施方法是基于Globus toolkits[3]网格工具集和服务上定义的。在Globus中,知识网格集成局部服务以提供全局服务。知识网格体系结构保证了数据挖掘工具和底层的网格机制和数据网格服务兼容。

知识网格是一个全球化的知识共享体系，为了建立适应于教学的知识网格平台，本着实用、可行的基本原则，具体研究以下方法：

（1）建立领域知识本体

知识首先体现的是事物的概念及其含义，以及概念之间的关系、规则等。W.N.Borst指出“本体是共享的概念模型的形式化的规范说明”[4]，包含了概念相关的关系、函数、公理等。为了便于实现，以计算机学科为实例，由低到高，由细到粗构造概念之间、课程之间、学科之间的多层网状关系；该三层结构体现了知识的抽象层次，既要研究每层概念之间的协同关系，协同关系的分类，又要研究不同层次间，概念抽象的程度及其从属关系。这一多粒度、多层次的知识网格也将成为领域内公认的，高度共享的知识，对提高和统一教师的认识起到促进作用。

随着时间的演变和知识的扩充，特别是交叉学科的出现，这就要求建立一个知识本体的更新机制，要研究课程之间交叉的变化，对教学过程中学生的影响。更新概念本身的含义，及其之间的关系，满足时代的要求。

（2）集成现有的网上教学资源

现有的网上教学资源主要有精品课程网站、课件教材、教研论文、共享软件库、教学软件（教案库、音频库、视频库、试题库、图书资料等），为了更好地利用现有的资源，需要对已有的资源进行集成和语义标记，在领域本体的帮助下，实现资源的自动分类，建立资源和知识的映射关系。研究对现有的资源的语义标记并封装成相应的服务，是实现智能搜索的基础。

（3）建立知识搜索服务

智能服务搜索是实现知识共享的重要途径。领域本体所描述的概念之间的关系将有助于用户精确定位自己所需要的知识，并进行简单的智能推论，如：用户想了解操作系统中的进程概念，系统返回其定义外，还将返回与其相关的知识服务，例如线程、进程死锁等相关内容。

3 动态评测机制

现有的评测方法无法实现动态评测，学生某个内容理解不透，可能不在当前知识点本身，而在于相关的诸多内容没有掌握，无法进行追踪定位和个性化分析。动态评测机制将对学生的知识体系进行整体评测，从而对学生缺失的知识进行定量的分析。主要包含下面两个内容：

从某个知识的缺失追踪与其相关的诸多内容的掌握程度，对学生掌握的“知识网络”进行多指标的智能评价。个性化评测学生的理解力、融会贯通程度、知识点缺失对后续学习的影响，创新能力等，从而实现精细化反馈。最后，将返回给学生由某些知识点的缺失所导致的知识链。学生将清楚的知道，由此所带来的影响，从而为下一步的答疑提供了定量的依据。

[1]百度百科.http://baike.baidu.com/link?url=a45-q38Ye75rXq84sAi7da4-gLwa_qVdZ6ksmMMIFXyWQQgVJLxQxlKs12i3D6apIbnw QtItbMgoq-z2WlDuPIjqsjiXwxgeqB9xh5VjbywuwfuC_MDyfaCSs1TaekLsohhOdNdKfzJPT3dMpD-uLK

[2]诸葛海.语义网格的基础理论、模型与方法研究进展.中国基础科学，2007

[3]I Foster,Globus Toolkit Version 4:Software for Service-Oriented Systems.计算机科学技术学报(英文版),2006

[4]李善平，尹奇韡，胡玉杰等.本体研究综述.计算机研究与发展

Design of Intelligent Auxiliary Teaching System Based on Knowledge Grid

LI Tao
（College of Computer Science,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081）

Designs the intelligent auxiliary teaching system based on knowledge grid,takes the advantages of grid technology,constructs the service system that taking knowledge sharing as core,realizes the target of knowledge dynamic aggregation,intelligent test,detail feedback,fulfills the aim of one-point access,global roaming,runs through the guiding ideology of integration and grid.This method has applied in the teaching process of Wuhan University of Science and Technology,College of Computer Science,and gets excellent result.

Knowledge Grid;Auxiliary Teaching System;Ontology

1007-1423（2017）07-0022-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.07.006

李涛（1979-），男，湖北襄阳人，博士，副教授

2016-12-17

2017-03-01

基于“知识网格”的智能辅助教学系统（No.2008B065）、湖北省教育科学十一五规划课题、武汉科技大学校级重点教学研究项目省属高校信息安全专业实践教学体系改革与实践、武汉科技大学校级教学研究项目