混合式教学中课程知识图谱的构建与应用研究

颜慧

关键词：混合式教学；知识图谱；个性化学习；Java程序设计

0 引言

混合式教学的开展与实施依托于线上课程教学资源，全面提高课程质量、优化课程知识体系的设计、构建优质的线上课程教学资源是有效提升混合式教学实施效果的关键。在混合式教学中，建设线上课程资源是非常重要的一个环节，使用优质的线上课程资源及良好的课程资源组织方式能较好地提升教学效果。传统的课程资源通常包括微课视频、课件、习题及相关的文档等，课程资源的组织模式通常是按照教材章节进行划分和组织，然后再在对应的章节下面进行课程资源的建设，是一种扁平化的资源组织模式。

这种传统的扁平化的资源组织模式，存在以下问题：

1） 学习者较难构建出完整的知识体系

在传统的线上资源的建设和组织模式中，由于知识点按树形结构或线性结构进行组织，所有的知识点都从属于某一章节，知识点之间的联系呈现出一种平面化的结构。而实际上，有些知识点不仅和本章节的知识点之间存在联系，也可能与其他章节的知識点存在联系，而传统的这种扁平化的知识点的组织方式，无法将知识点之间的这种错综复杂的联系呈现出来。而知识点的扁平化，也导致了与知识点相对应的课程教学资源的扁平化，使得课程教学资源比较零散，无法建立彼此间的联系，从而不利于学生构建完整的课程知识体系。

2） 不便于学习者在海量的资源中精准搜索所需要的资源

传统线上课程资源的粒度较粗，没有细化到每一个知识点进行课程资源的建设；而且课程资源较为零散，也没有提供良好的检索方式，学生较难从大量、杂乱的资源中去快速并且精准地获取到自己所需要的知识点课程资源。

3） 不能很好地满足学习者个性化学习、因材施教的要求

例如，学生某个知识点没掌握好，可能是因为其前置知识点没掌握好而导致的，但在传统的课程资源组织方式中，学生无从得知某个知识点的前置知识点是什么，从而无法自行进行知识点的查缺补漏，从而就谈不上自主学习、个性化学习和因材施教。

因此传统的课程资源建设方式，存在一定的弊端。随着时代的发展，迫切需要有一种新型的课程教学资源建设的新模式，来满足学生对于自主学习、个性化学习的新需求。基于以上提出的问题，近年来提出的教育知识图谱能较好地解决上述教学痛点。

1 课程知识图谱

1.1 知识图谱

知识图谱是人工智能及大数据等新一代信息技术发展的产物，最早由谷歌于2012年提出[1]。知识图谱是一种知识表示、管理和组织的模型，本质是一种语义网络，使用图结构来表示知识，图中的节点表示实体或者概念，边表示实体或者概念之间的关系。知识图谱将知识使用网状结构组织起来，使用可视化技术描述知识及它们之间的关系，建立知识体系并挖掘和展示知识的隐形关系，给人类提供了一种更易于组织、管理和理解知识的模式。知识图谱是人工智能的基础设施，其应用场景包括搜索引擎、智能推荐、智能问答等。知识图谱可以分为通用知识图谱和领域知识图谱，通用知识图谱由百科知识和常识知识等构成，领域知识图谱则是由专业领域的知识构成，在社会、经济、生活等各方面起着重要的作用。

1.2 课程知识图谱

教育知识图谱是知识图谱在教育领域的应用。

教育知识图谱将大量零散的、多模态的各类教育资源与各实体关联起来构建语义网络，它侧重实现知识与教育资源之间的关联，展示了知识点之间的关系。沈红叶[2]等人归纳了教育知识图谱的应用场景，包括学习者画像构建、学情分析与评价诊断、学习资源推荐、个性化学习路径规划、智能化管理、知识问答系统等。

教育知识图谱是教育资源的载体，是实现教育现代化的技术手段，可以更好地辅助教师教学和学生学习。教育知识图谱的优点主要体现在以下几点：

1） 网状的资源组织模式，可以将零散的教学资源与知识点关联在一起，并整合了多种模态的教学资源，包括视频、课件、习题等多种类的教学资源。

2） 其语义网络的形式，能将知识点之间、知识点与教学资源之间的关系准确地表达出来，能够构建出完整的学科或课程知识框架。

3） 教育知识图谱是实现教育智能化的先进技术，提供了用户画像、个性化推荐、行为预测、精准分析、决策支持等技术手段。

教育知识图谱的常见形式有学科知识图谱和课程知识图谱。学科知识图谱是以可视化的形式揭示学科发展历程与学科知识结构之间的关系[3]，可用于辅助学科建设，也可以用于学科教学和学习。而课程知识图谱则用于展示单门课程的知识脉络，主要用于辅助课程教学和学习。

2 课程知识图谱的构建

2.1 构建方法

知识图谱的构建的关键步骤包括命名实体识别取、关键词抽取、概念关系抽取三个步骤[4]。命名实体一般是代表人名、地名、机构名称等的单词或者短语，命名实体识别就是从语料库中通过统计、分析、挖掘等方法识别出有哪些命名实体。关键词抽取是提取出用于描述命名实体的一组具有代表性的短语，一般用于表示命名实体的属性。概念关系抽取是对命名实体之间的关系进行识别和判定。

在构建课程知识图谱时，命名实体对应课程中的知识点，也就是课程中的概念、术语等实体。课程概念的抽取来源主要包括教材、课程教学大纲、授课视频、课件、习题等教学资源，以及维基百科等外部知识库。概念关系抽取则是提取课程知识点之间的关系，主要包括先修关系、关联关系等。

知识图谱的构建方法有自底向上、自顶向下以及二者混合的方法。自底向上的方式是指从海量的信息中抽取实体、属性及实体之间的关系，先构造数据层；再逐步向上抽象进行本体的构建形成模式层。自顶向下的方法是先构建知识图谱的模式层，通过本体学习，从最顶层的概念开始构建顶层本体，再通过实体学习将通过知识抽取得到的实体与模式层本体进行融合。

构建课程知识图谱，可以采用机器学习技术进行自动化或半自动构建，也可以通过领域专家人工进行构建。黄超[5]通过机器学习算法进行课程知识图谱中课程概念的抽取，并使用算法进行课程关系抽取。黄焕[6]等人在构建Java程序设计基础课程知识图谱时，采用了自顶向下的方式构建课程知识图谱，对教材内容进行了分析，定义“课程”“章”“节”“知识点”四种类，并定义了“包含”“相关”“逻辑依存”三种关系，构建了Java程序设计基础课程知识图谱。

本文在构建Java程序设计课程知识图谱时，采用了自顶向下的方式进行构建，但并没有直接按照章节来划分知识点，而是将教学内容按照模块来进行划分，先将内容相关的知识点划分为一个模块，再划分知识点，然后建立知识点之间的联系，最后建立课程教学资源与知识点之间的关联。

2.2 具体构建流程

具体构建流程如下：

1）资源及工具准备

首先要建设好课程知识图谱所需要用到的学习资源，包括课程微视频、課件、习题库、参考资料文档等，将学习资源部署在线上教学平台上；其次要选择构建课程知识图谱的工具。本文使用超星智慧教学平台来部署教学资源，统一在超星平台上建设了各类教学所需的线上资料，并选择了超星教学平台中的知识图谱工具作为构造Java程序设计课程知识图谱的工具。

2） 梳理知识层次结构

参照多本教材目录，梳理Java程序设计课程的知识结构，厘清概念的层级关系，按照内容的聚合度划分模块，共划分出“Java 语言概述”“Java 语言基础”“Java面向对象基础”“Java高级特性”“异常处理”“输入输出流”“常用工具类”等7大模块，作为最上层的概念；然后在各模块内再梳理出各知识点，先以思维导图的形式将各知识点及各知识点之间的关系以树形结构展示出来。

在梳理课程知识点时，知识点分解的粒度要较细，并且做到对教学大纲涉及的内容全覆盖。

3） 创建各级知识点

根据之前梳理的知识结构创建所有的知识点。在创建知识点时，知识点的命名要简明扼要，不宜命名太长。本课程在课程知识图谱中一共创建了172个知识点。

4） 建立知识点之间的关系

构建知识点之后，在课程知识图谱中建立知识点之间的关系，知识点之间的关系有“前置”“后置”和“关联”三种。前置关系指的是某个知识点是另外一个知识点的先修知识点；后置关系指的是某个知识点是另一个知识点的后修知识点；关联关系指的是两个知识点之间不存在先修和后修的关系，而是知识点之间存在一定的相关性。

5） 关联知识点与学习资源

在课程知识图谱中构建完知识点及知识点之间的关系后，接着是将各类教学资源挂载到相关的知识点上。常见的教学资源包括课程视频、课件、习题、各类文档等，只需选择相应的教学资源和知识点关联在一起即可。

构建出的课程知识图谱部分展示如图1所示。

3 混合式教学中知识图谱的应用及效果

3.1 应用场景

课程知识图谱是智能教育的基础设施，为混合式教学提供了一种新的技术手段。课程知识图谱的应用场景包括：

1） 辅助开展混合式教学活动

在混合式教学中，可以使用课程知识图谱辅助开展日常教学活动。学生可自主通过课程知识图谱去学习课程知识点，规划自己的学习路径；还可以通过知识图谱中的知识点进行预习、复习、探索等各类学习活动。通过课程知识图谱，还可以提高学生自主学习的积极性和主动性。

2） 辅助教师进行精准决策

通过课程知识图谱可以得到学生群体画像，包括整个班级的总体掌握情况、平均完成率、平均掌握率等数据，并且这些数据使用了可视化的形式进行展示，使得教师能够从整体上较为客观且直观地掌握学生对于知识点的掌握情况，辅助教师从整体上对下一步教学内容及教学方式进行精准决策和优化。

通过课程知识图谱还统计出学生个人对于某个知识点的具体掌握情况，包括完成情况、完成率和掌握率，从而教师能够精准掌握每个学生的学习情况，从而可以针对每个学生的情况进行精准督学、助学和促学。

3） 辅助构建科学的评价体系

通过课程知识图谱，可以准确统计出每个学生对于课程中每个知识点的掌握情况，为学生的考核评价提供了客观、科学、精准的科学依据，助力构建多元化的、形成性的学生考核评价体系。

3.2 应用效果

通过使用课程知识图谱辅助教学过程，促使学生从被动学习转换为主动学习，在学习的过程中做到“随学随查”，使得学生能够达到“无师自学”。通过对使用了课程知识图谱的同学进行调研，普遍反馈课程知识图谱易学易用、知识点详细、检索知识点方便快捷精确、知识点关联习题易于复习、对学习有一定的促进作用。

4 结束语

课程知识图谱是一种新型教学资源，但在建设的过程中还存在一定的问题有待解决。目前课程知识图谱主要是由任课教师手工构建，由人工来梳理知识点，构建知识点之间的关系，并将各类资源关联到对应的知识点上。首先，知识点的完整性、一致性以及划分的粒度等，受限于构造课程知识图谱的专家，不同的专家划分出的知识点的数量及粒度存在一定的偏差，从而导致了知识图谱的质量不可控；其次，教育知识图谱需要大量的资源来支撑，如果单纯依靠专家手工构造知识图谱，搜集到的资源相对有限，无法满足大量多模态资源挂载的要求。因此，教育知识图谱的进一步发展还有待研究，通过新一代信息技术的发展，使用机器辅助人工的方式更好地构造出高质量的知识图谱；教学工作者也有待进一步研究如何利用教育知识图谱推进教育智能化，推进教育教学与信息技术的深度融合。