浅谈虚拟教研室中知识图谱的搭建与应用

2023-12-11吕银云朱亚先

大学化学 2023年10期

吕银云，朱亚先

1 厦门大学化学化工学院，福建厦门 361005

2 化学国家级实验教学示范中心(厦门大学)，福建厦门 361005

知识图谱(Knowledge Graph)，以图结构的形式来表示知识，涵盖了实体、概念及其相互间的语义关系，由谷歌于2012年提出并运用到搜索引擎中[1]。知识图谱是人工智能知识工程领域发展的最新技术成果，是进行知识管理、分析与服务的系统性方法。基于知识图谱，可以将每个专业的知识体系科学合理地组织为专业知识体系图谱，形成知识领域、知识单元、知识点的层级嵌套与网状知识结构组织，为人才培养和教学活动提供全方位的科学精准服务支持。

于2022年2月和5月，教育部分两批公布了657个虚拟教研室建设试点，启动了虚拟教研室建设，探索信息技术条件下基层教学组织建设的新形态和新模式。特别提出构建知识图谱的要求，希望各教研室以课程为切入点，系统梳理相关课程的知识体系、知识、知识关联，利用虚拟教研室平台提供的工具构建知识图谱，为开展教学研讨、共建教学资源提供参考。

化学类专业基础理论课程虚拟教研室为教育部首批建设虚拟教研室，其旨在研究化学基础理论课程知识体系的本质与规律、知识结构的相互关系，更新基础理论教学内容；探索化学类一流专业及一流课程建设中基础理论课程教学模式；研制化学基础理论课“课程标准”与“教学建议”；探索虚拟教研室的运行模式以及跨校、跨地域的教研交流模式，共建优秀教学团队，共享优质教学资源。

为了更好地梳理化学类相关理论课程的知识体系和相互关联，化学类专业基础理论课程虚拟教研室以2013-2017年教育部高等学校化学类专业教学指导委员会制定的《化学类专业化学理论教学建议内容》[2]为切入点建设知识图谱。本文简要介绍如何利用虚拟教研室平台提供的工具创建“化学类专业化学理论教学建议内容知识图谱”。

1 知识图谱基本概念

知识图谱包括知识领域、知识单元、知识点，知识领域是关于某一领域或某一主题的知识范畴，可以是一门课程、一本教材等；知识单元是构成知识领域的最基本单元形态，可以是一章内容、一节内容等；知识点是知识的最小单元，相对自包含的完整结构，可与其他知识点产生关系。

专业知识体系知识图谱将课程为中心的知识内容精细化到知识领域、知识单元、知识点，以知识单元、知识点为基础，利用知识图谱技术，构建知识领域的知识体系，实现对课程之间的“知识单元”与“知识点”层次的关联，最终建立全专业知识体系知识图谱(图1)。

图1 知识图谱基本框架

2 教育知识图谱服务平台界面介绍

教育部虚拟教研室平台提供了创建知识图谱的工具——教育知识图谱服务平台，它旨在面向多领域、多学科，为用户提供简单、易操作的编辑工具。通过平台工具，用户能够构建全面多层级的学科领域知识图谱。平台融入了人工智能技术，能在构建图谱的过程中实现对上传文本内容智能识别、知识挖掘、自动抽取、关系匹配等功能。同时为用户提供团队在线协作功能，凝聚多方智慧协同搭建完成知识图谱。

教育知识图谱服务平台界面如图2所示，登录虚拟教研室平台，点击左侧“知识图谱”，右侧会出现菜单栏。主菜单栏包括“文件”“结构”“视图”“挖掘”“协作”等5个部分，下面对各部分进行简要介绍。

图2 知识图谱服务平台界面介绍

2.1 文件

知识图谱可以另存为新图谱、导出为edg文件、直接发布。

2.2 结构

对知识图谱进行编辑，插入知识单元、知识点等，删除节点，给知识点之间添加关系。

2.3 视图

知识图谱的不同呈现形式，给知识单元或知识点排序。

2.4 挖掘

对上传的文本素材进行自动识别，自动挖掘知识单元、知识点、知识点描述、知识点之前的关系。

2.5 协作

将知识单元分配给团队成员进行知识点的补充和描述，可以层层分配，逐级提交和审核，最后由知识图谱所有者进行图谱发布。

3 知识图谱创建流程

知识图谱的创建流程包括新建知识领域、创建知识单元、创建知识点、知识点描述、添加关系、团队协作等6个步骤，大致流程如图3，详细创建步骤可以查阅“教育知识图谱服务平台操作手册”[3]。

图3 知识图谱创建流程图

3.1 新建知识领域

当用户登录进入系统后，系统会根据用户所属的项目组(项目组及成员统一由管理员创建)，显示所在项目组中全部知识图谱(知识图谱统一由管理员创建)，每个管理员可以新建20个知识图谱。从首页新建知识图谱。

3.2 创建知识单元

知识单元的创建分为手动方式和自动方式。手动方式通过手动输入名称创建知识单元，点击图2“结构”菜单，选中要插入知识单元的节点，插入同级或者下级知识单元，输入名称；自动方式通过图像识别和内容抽取方式，点击图2“挖掘”菜单，在“文本素材”中添加可挖掘的文本目录，再在“目录识别”中进行新建和校对。

3.3 创建知识点

知识点的创建分为手动方式和自动方式。手动方式通过手动输入名称创建知识点，点击图2“结构”菜单，选中要插入知识点的节点，插入同级或者下级知识点，输入名称；自动方式通过图像识别和内容抽取方式，自动将相关的知识点智能归属到知识单元上，点击图2“挖掘”菜单，在“知识点挖掘”中新建和校对，在“智能归属”中新建和校对。

3.4 知识点描述

添加知识点描述分为手动方式和自动方式。手动方式为在知识图谱中点击知识单元或知识点，在右侧可以添加知识点描述；自动方式点击图2“挖掘”菜单，在“定义抽取”中新建和校对。

3.5 添加关系

在知识树中可以添加关联和后序，关联表示内容有关联关系，后序表示先后逻辑关系，节点之间关系添加分为手动方式和自动方式。手动方式点击图2“结构”菜单，在“关系”中，选中图谱中的节点，再选中右侧与其关联的节点，在弹出框中选择关系类型；自动方式点击图2“挖掘”菜单，在“关系挖掘”中进行新建和校对。

3.6 团队协作

知识图谱提供团队成员协作功能，每个图谱可以通过团队协作完成，点击“分配”，可以把需要编辑的子树分配给任务接收人，任务接收人可以继续分配，完成任务后可以提交，对提交的知识图谱进行审核。

根据知识图谱创建流程，我们将《化学类专业化学理论教学建议内容》搭建为“化学类专业化学理论教学建议内容知识图谱”。建议内容知识图谱共560个节点、153个知识单元、407个知识点、561个关系，视图窗口中可以查看知识图谱的不同呈现形式：知识树视图、关系图、知识点视图(图4-6)。

图4 “化学类专业化学理论教学建议内容知识图谱”知识树视图

图5 “化学类专业化学理论教学建议内容知识图谱”关系图

图6 “化学类专业化学理论教学建议内容知识图谱”知识点视图

知识树视图如图4，从知识树视图中可以看到整个知识图谱的层级结构，右键点击知识单元或知识点，在下拉框中选择“查看描述”，可以添加文本、链接、图片、视频等；选择“复制”，可以将知识单元或知识点自主组合成新的知识图谱，有利于知识点的重新整合；选择“查看关系”可以看到当前知识点的关系逻辑。对知识单元或知识点添加描述或添加关系只能在知识树视图中操作。

关系图如图5，关系图用不同颜色表示不同层级的知识单元和知识点，便于识别。从关系图中可以看到各知识点和知识单元之间的关系，可以拖拽知识点或知识单元，可以选择查看关系类型。右键点击知识单元或知识点，在下拉框中选择“前往知识树”会跳转到知识树并定位到该知识单元或知识点，在知识树视图中进行关系的添加或修改。

知识点视图如图6，从知识点视图中可以看到知识图谱所有的知识点，可以查找、删除知识点，右键点击知识点，在下拉框中选择“查看”，可以查看知识点描述，若要修改描述要跳转到知识树视图中修改；选择“编辑”可以修改知识点名称；选择“归属”可以重新定义知识点和知识单元的归属，点击“前往”，会跳转到知识树并定位到该知识单元或知识点。

4 知识图谱的应用

知识图谱通过信息抽取、知识加工等技术将某些非结构化数据构建为知识图谱，其结构化、关联化的状态更便于我们对知识的组织和管理，因此，知识图谱在课程建设、资源建设、教材编写等方面具有广泛的应用。

4.1 知识图谱在课程建设中的应用

4.1.1 辅助培养方案的制定

将课程内容按章节分为知识领域、知识单元、知识点，对各知识点添加描述，形成完整的课程知识体系，通过可视化的结构关系，遴选知识点，辅助培养方案的制定。

4.1.2 辅助课程平台建设

知识图谱可以辅助课程组内老师进行课程平台的建设，老师们可以将每周上课内容作为一个知识单元，课前准备、教学内容、教学考查等作为子知识单元，将教学课件、教学视频、作业、习题、测试题等作为知识点进行添加和绑定，课程组内的老师可以对各知识点的描述进行补充、修改，有利于老师们对课程内容的梳理及课程资源的共建共享。

4.1.3 辅助各类教学比赛的组织

可以抽取课程知识图谱中的知识点作为教学比赛的内容，优秀教学案例和视频也可作为知识点的补充，不断完善，指导示范课建设。