基于知識圖譜的學(xué)習(xí)評價(jià)與推薦系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

祝衍軍 彭勇 葉廣仔

摘要：針對高職院校計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)大部分采用項(xiàng)目化教學(xué)模式的特點(diǎn)，結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式改革，利用知識圖譜技術(shù)構(gòu)建了可以匹配學(xué)生實(shí)際學(xué)習(xí)情況的學(xué)習(xí)評價(jià)與推薦系統(tǒng)，提出使用學(xué)習(xí)路徑達(dá)成度來實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的學(xué)習(xí)路徑規(guī)劃及學(xué)習(xí)資源推薦算法，闡述了系統(tǒng)總體架構(gòu)和系統(tǒng)資源本體模型的構(gòu)建方法，可以有效解決學(xué)生線上自主學(xué)習(xí)的信息過載與知識迷途問題。

關(guān)鍵詞：知識圖譜;推薦系統(tǒng);個(gè)性化學(xué)習(xí)資源

中圖分類號：TP399? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）18-0001-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1引言

互聯(lián)網(wǎng)+、人工智能、大數(shù)據(jù)等新型理念與技術(shù)強(qiáng)勢介入教育，教育教學(xué)環(huán)境發(fā)生了巨大變化，推動著我國的教育教學(xué)改革，在線自主學(xué)習(xí)、翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)等各種形態(tài)的學(xué)習(xí)模式深入發(fā)展。各種平臺豐富的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源為教師和學(xué)生提供了極大的便利，使得學(xué)習(xí)變得泛在化和碎片化，但各個(gè)平臺上的海量教育資源大部分以獨(dú)立個(gè)體存在，或者只進(jìn)行了簡單分類，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中容易造成“網(wǎng)絡(luò)迷航”和“認(rèn)知過載”，學(xué)生在面對海量的學(xué)習(xí)資源時(shí)，有個(gè)時(shí)候不知道這些資源的學(xué)習(xí)先后順序，且檢索出來的資源還包含了大量的類似或者相同內(nèi)容[1]。

知識圖譜作為一種知識點(diǎn)匯總及知識點(diǎn)間內(nèi)在聯(lián)系的直觀描述，其概念最早由Google公司提出， 目的在于提升搜索引擎的搜索質(zhì)量， 增強(qiáng)用戶的搜索體驗(yàn)[2];其本質(zhì)是一個(gè)存儲知識實(shí)體與實(shí)體之間關(guān)系的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)， 可以幫助形式化描述、理解現(xiàn)實(shí)世界的事物及其相互關(guān)系[3-4]。知識圖譜由節(jié)點(diǎn)和邊組成，節(jié)點(diǎn)表示實(shí)體（Entity）或者概念（Concept），邊則表示實(shí)體或概念之間的各種語義關(guān)系，它能夠?qū)⒉煌N類的信息進(jìn)行連接，進(jìn)而得到一個(gè)關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，在此基礎(chǔ)上便能通過知識圖譜從"關(guān)系"的角度去分析問題，如“A是B的父親”，則實(shí)體為A和B，關(guān)系為is_father_of[5]。

在教學(xué)過程中，通過知識圖譜可以將各個(gè)知識點(diǎn)相互連接起來，形成知識框架，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中，可以很清晰的理解每個(gè)知識點(diǎn)間的關(guān)系，并且可以很迅速的掌握對應(yīng)專業(yè)的知識體系。本文遵循OBE教學(xué)理念[6]，以成果為導(dǎo)向，以項(xiàng)目作為知識點(diǎn)的融合體，采用知識圖譜技術(shù)，解決在線上線下相結(jié)合的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式中學(xué)生學(xué)習(xí)容易產(chǎn)生的知識迷途與信息過載問題。

2 總體架構(gòu)

本文以學(xué)生為中心，遵循OBE教學(xué)理念，支撐線上線下相結(jié)合的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，構(gòu)建了基于知識圖譜的學(xué)習(xí)評價(jià)與推薦系統(tǒng)架構(gòu)，架構(gòu)分為數(shù)據(jù)層、功能層和用戶層，具體如圖1所示。在架構(gòu)中教師需要課前根據(jù)課程教學(xué)目標(biāo)和學(xué)生需要達(dá)到的預(yù)期學(xué)習(xí)成果設(shè)計(jì)出一個(gè)個(gè)完整的項(xiàng)目，再將項(xiàng)目需要用到的相應(yīng)知識點(diǎn)及對應(yīng)資源以知識圖譜的方式組織放到線上給學(xué)生自主學(xué)習(xí)，在線下課堂教師只需要根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和項(xiàng)目完成情況講解重難點(diǎn)知識[7]。

在知識圖譜構(gòu)建模塊中，教師需要將各個(gè)知識點(diǎn)的相關(guān)線上資源上傳到系統(tǒng)中，線上資源包括視頻、課件、測試等，并指定各個(gè)知識點(diǎn)的依賴關(guān)系，然后再根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和學(xué)生需要達(dá)到的預(yù)期學(xué)習(xí)成果設(shè)計(jì)出來的項(xiàng)目對知識點(diǎn)進(jìn)行組織和呈現(xiàn)，進(jìn)而構(gòu)建一個(gè)完整的知識圖譜。具體功能包括課程管理、項(xiàng)目管理、知識點(diǎn)管理、知識點(diǎn)關(guān)系管理、統(tǒng)計(jì)分析、線下課堂學(xué)習(xí)情況數(shù)據(jù)導(dǎo)入等功能。

在個(gè)性化推薦模塊中，系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生的在線學(xué)習(xí)情況、線下課堂情況和構(gòu)建好的知識圖譜評估學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況動態(tài)的規(guī)劃個(gè)性化的學(xué)習(xí)路徑，并將個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑上的相應(yīng)線上資源推送給學(xué)生自主學(xué)習(xí)和評測。具體功能包括學(xué)生學(xué)習(xí)情況評估、關(guān)聯(lián)知識點(diǎn)生成、學(xué)習(xí)路徑規(guī)劃等功能。

在學(xué)生學(xué)習(xí)模塊中，學(xué)生以項(xiàng)目作為基本學(xué)習(xí)單位，按照完成項(xiàng)目必須需要掌握的知識點(diǎn)（系統(tǒng)自動推薦）來組織學(xué)習(xí)，系統(tǒng)自動記錄學(xué)生的各種學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)。具體功能包括課程列表、項(xiàng)目列表、學(xué)習(xí)評測、知識點(diǎn)推薦類別和統(tǒng)計(jì)分析等功能。

3關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1系統(tǒng)資源本體模型構(gòu)建

本文構(gòu)建的學(xué)習(xí)評價(jià)與推薦系統(tǒng)為采用以實(shí)現(xiàn)預(yù)期學(xué)習(xí)成果為依據(jù)的線上線下相結(jié)合的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式服務(wù)，授課內(nèi)容聚焦于學(xué)生在受教后能夠獲得什么能力以及能夠做什么。在該教學(xué)模式中所有的教育教學(xué)和自學(xué)活動都是以項(xiàng)目為載體，一門課程可能包含多個(gè)項(xiàng)目，一個(gè)項(xiàng)目可能又融合了多個(gè)知識點(diǎn)，同一知識點(diǎn)又可能在多個(gè)項(xiàng)目中出現(xiàn)。因此本文以知識點(diǎn)作為本體[8]的資源描述基本單位來構(gòu)建系統(tǒng)資源本體模型，對于項(xiàng)目和知識點(diǎn)之間的復(fù)雜關(guān)系，在一個(gè)項(xiàng)目中本體模型只標(biāo)識該項(xiàng)目中新增的知識點(diǎn)，其他知識點(diǎn)則通過鏈接來產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。每個(gè)知識點(diǎn)由基本資源、各種標(biāo)簽和知識點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系組成，基本資源包括視頻、課件、測試、素材等用于學(xué)習(xí)的資源，標(biāo)簽則由教師根據(jù)知識點(diǎn)的難易程度和資源類型對其進(jìn)行評定，對于知識點(diǎn)難易程度，系統(tǒng)提供簡單、一般、較難、難四個(gè)等級供教師評定，對于學(xué)習(xí)資源類型，系統(tǒng)提供文檔、視頻、素材三種類型（這三種可以多選）供教師評定，知識點(diǎn)之間的依賴關(guān)系則描述了知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)先后順序，具體的系統(tǒng)資源本體模型如圖2所示。

知識點(diǎn)之間的依賴關(guān)系是指多個(gè)知識點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系，若知識點(diǎn)B依賴知識點(diǎn)A，則知識點(diǎn)A為知識點(diǎn)B的預(yù)備知識，要學(xué)習(xí)知識點(diǎn)B，必須先學(xué)習(xí)知識點(diǎn)A。除了知識點(diǎn)之間有依賴關(guān)系外，項(xiàng)目之間可能也存在依賴關(guān)系，項(xiàng)目之間的依賴關(guān)系是指教師根據(jù)項(xiàng)目工藝流程或者項(xiàng)目產(chǎn)出成果先后順序設(shè)計(jì)的項(xiàng)目之間的邏輯關(guān)系，若項(xiàng)目B依賴項(xiàng)目A，則項(xiàng)目A為項(xiàng)目B的輸入，要學(xué)習(xí)和完成項(xiàng)目B，必須先學(xué)習(xí)和完成項(xiàng)目A。

3.2基于知識圖譜的學(xué)習(xí)路徑規(guī)劃

在給學(xué)生規(guī)劃學(xué)習(xí)路徑和推薦學(xué)習(xí)資源時(shí)，不僅要考慮知識點(diǎn)與學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及學(xué)習(xí)目標(biāo)的相關(guān)度，還需要考慮學(xué)生的學(xué)習(xí)能力與知識點(diǎn)難易程度之間的匹配度。如果將難度等級較高或者學(xué)習(xí)資源非常少的知識點(diǎn)推薦給學(xué)習(xí)能力弱的學(xué)生明顯是不合理的。在系統(tǒng)資源本體模型中，項(xiàng)目作為學(xué)生學(xué)習(xí)的載體，完成一個(gè)項(xiàng)目需要融合多個(gè)知識點(diǎn)，而一個(gè)新知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)可能又對應(yīng)多個(gè)不同的學(xué)習(xí)路徑，為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和成就感，系統(tǒng)以學(xué)習(xí)時(shí)間短及學(xué)習(xí)難度低作為衡量標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)劃學(xué)生學(xué)習(xí)的學(xué)生路徑和推薦學(xué)習(xí)資源。因此系統(tǒng)在規(guī)劃學(xué)習(xí)路徑時(shí)，首先需要獲取學(xué)生的學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)來評估學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，再根據(jù)學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握程度、知識點(diǎn)難易程度和對應(yīng)的資源類型來規(guī)劃最易達(dá)成的個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑，并將對應(yīng)的學(xué)習(xí)資源推薦給學(xué)生。個(gè)性化路徑規(guī)劃問題可以轉(zhuǎn)化為在多條學(xué)習(xí)路徑中尋找最易達(dá)成的學(xué)習(xí)路徑，為了量化每條學(xué)習(xí)路徑的學(xué)習(xí)難度，本文定義了一個(gè)衡量指標(biāo)——學(xué)習(xí)路徑達(dá)成度（P）。

學(xué)習(xí)路徑達(dá)成度（P）是指完成該路徑上所有知識點(diǎn)學(xué)習(xí)概率的平均值，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如公式（1）所示。

[P=i=1nDpi×Dfi×Drin×100% ，1≤i≤n]? ? ? ?（1）

其中n表示該路徑上包含知識點(diǎn)的總個(gè)數(shù)，[Dpi]表示第i個(gè)知識點(diǎn)的難易程度，其值為對應(yīng)知識點(diǎn)的難易程度：簡單（1）、一般（0.75）、較難（0.5）、難（0.25）;[Dfi]表示第i個(gè)知識點(diǎn)的學(xué)生學(xué)習(xí)情況，由對應(yīng)知識點(diǎn)的學(xué)生測驗(yàn)情況（按照百分制轉(zhuǎn)換成百分比）和視頻或者文檔的播放進(jìn)度來進(jìn)行計(jì)算;[Dpi]表示第i個(gè)知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)資源難易程度，由對應(yīng)知識點(diǎn)擁有的資源類型豐富程度來決定。學(xué)習(xí)資源難易程度[Dpi]按照第i個(gè)知識點(diǎn)是否有視頻、文檔、素材這三類資源來進(jìn)行折算，它們的占比比例分別為70%、20%、10%，知識點(diǎn)擁有對應(yīng)類型資源標(biāo)示1，沒有則為0，[Dpi]的計(jì)算公式如公式（2）所示。

[Dpi]=是否有視頻[×]70%+是否有文檔[×]20%+是否有素材[×]10%? ? ? （2）

在個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑規(guī)劃時(shí)，只需要尋找完成新知識學(xué)習(xí)的所有學(xué)習(xí)路徑中學(xué)習(xí)路徑達(dá)成度P最大值的那條路徑，具體的學(xué)習(xí)路徑推薦算法偽代碼如下所示。

[學(xué)習(xí)路徑推薦算法 輸入：目標(biāo)知識點(diǎn)，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過的知識點(diǎn)列表FList

輸出：個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑 Begin：

Step1：根據(jù)依賴關(guān)系遍歷目標(biāo)知識點(diǎn)的所有前驅(qū)節(jié)點(diǎn)，形成學(xué)習(xí)路徑集合PList;

Step2：遍歷學(xué)習(xí)路徑集合PList中的每條路徑R，結(jié)合已經(jīng)學(xué)習(xí)過的知識點(diǎn)列表FList，按照[P=i=1nDpi×Dfi×Drin×100%]計(jì)算每條路徑上的學(xué)習(xí)路徑達(dá)成度P并將計(jì)算結(jié)果存儲到學(xué)習(xí)路徑達(dá)成度值列表Alist中;

Step3：遍歷學(xué)習(xí)路徑達(dá)成度值列表Alist，找出列表中的最大值形成最優(yōu)學(xué)習(xí)路徑GList

Step4：遍歷最優(yōu)學(xué)習(xí)路徑GList的每個(gè)知識點(diǎn)節(jié)點(diǎn)，剔除學(xué)習(xí)完成度大于70%的節(jié)點(diǎn)，形成最終推薦學(xué)習(xí)路徑。

End ]

對于融合了多個(gè)知識點(diǎn)的項(xiàng)目，系統(tǒng)根據(jù)項(xiàng)目中需要學(xué)習(xí)的新知識點(diǎn)列表按照順序依次逐步推薦對應(yīng)新知識點(diǎn)學(xué)習(xí)路徑上的學(xué)習(xí)資源給學(xué)生。如果項(xiàng)目之間有依賴關(guān)系，如項(xiàng)目B依賴項(xiàng)目A，則系統(tǒng)直接提示必須先完成項(xiàng)目A才能進(jìn)行項(xiàng)目B的學(xué)習(xí)。

4總結(jié)

隨著線上線下相結(jié)合的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)等各種形態(tài)的學(xué)習(xí)模式深入發(fā)展，要求學(xué)生線上自主學(xué)習(xí)的時(shí)間越來越多，如何幫助學(xué)生規(guī)劃學(xué)習(xí)路徑和選擇合適的學(xué)習(xí)資源越來越重要。本文從高職院校計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)大部分采用項(xiàng)目化的教學(xué)模式，結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式改革，利用知識圖譜技術(shù)構(gòu)建了可以匹配學(xué)生實(shí)際學(xué)習(xí)情況的個(gè)性化學(xué)習(xí)評價(jià)與學(xué)習(xí)資源推薦系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)總體架構(gòu)和系統(tǒng)資源本體模型的構(gòu)建方法，提出了使用學(xué)習(xí)路徑達(dá)成度來實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的學(xué)習(xí)路徑規(guī)劃及學(xué)習(xí)資源推薦，有效地解決學(xué)生線上自主學(xué)習(xí)的信息過載與知識迷途問題。

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【通聯(lián)編輯：朱寶貴】