作者簡(jiǎn)介:張慧楠,,女,,內(nèi)蒙古師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院碩士研究生在讀,研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)課程教育,、教育資源建設(shè)與研究,,[email protected];*松云,女,,內(nèi)蒙古師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院教授,,研究方向?yàn)槊晒盼男畔⑻幚砑拔谋就诰蜓芯俊⒔逃Y源建設(shè)研究,,[email protected],。 文章來(lái)源:計(jì)算機(jī)教育,2023,(09),120-125 DOI:10.16512/j.cnki.jsjjy.2023.09.028 摘 要:針對(duì)現(xiàn)有智慧教育環(huán)境中課程知識(shí)圖譜大多本體設(shè)計(jì)不全面,、知識(shí)點(diǎn)關(guān)系單一,、忽視圖譜的更新維護(hù)等問(wèn)題,分析課程知識(shí)圖譜與智慧教育的映射關(guān)系,,提出構(gòu)建面向智慧教育的課程知識(shí)圖譜,,從數(shù)據(jù)收集,、本體設(shè)計(jì)、知識(shí)獲取與存儲(chǔ),、知識(shí)加工4個(gè)階段介紹課程知識(shí)圖譜構(gòu)建過(guò)程,,以計(jì)算機(jī)組成原理課程為例,闡述課程知識(shí)圖譜案例應(yīng)用,。 關(guān)鍵詞:智慧教育;知識(shí)圖譜;本體;課程知識(shí);教學(xué)模式 0 引言智慧教育作為以現(xiàn)代信息技術(shù)為基礎(chǔ)的教育模式,,對(duì)教育現(xiàn)代化的發(fā)展有促進(jìn)作用。2010年《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020)》中提出了“加快智慧教育建設(shè),,構(gòu)建學(xué)習(xí)型社會(huì),,建設(shè)智慧型教育環(huán)境”[1]的核心思想。2018年《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》指出“以人工智能,、大數(shù)據(jù),、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)為基礎(chǔ),積極開(kāi)展智慧教育創(chuàng)新研究和示范”[2]的行動(dòng)思路,。由此可見(jiàn),,智慧教育得到學(xué)界認(rèn)可的同時(shí),也推動(dòng)著人工智能和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展,。知識(shí)圖譜作為人工智能技術(shù)之一,在展示課程內(nèi)容,、建立學(xué)習(xí)者模型和個(gè)性化服務(wù)等方面發(fā)揮著重要作用,,助力教育高質(zhì)量發(fā)展。 1 智慧教育與知識(shí)圖譜智慧教育是指圍繞以學(xué)習(xí)者為中心的教育理念,,通過(guò)構(gòu)建智慧學(xué)習(xí)環(huán)境,,運(yùn)用智慧教學(xué)方法,實(shí)時(shí)反饋教育數(shù)據(jù)的教育活動(dòng),?!爸腔劢逃庇蒊BM公司的“智慧地球”衍生而來(lái)[3],美國(guó),、韓國(guó)等通過(guò)制定相關(guān)政策[4]推動(dòng)智慧教育的發(fā)展,。在國(guó)際智慧教育政策的啟發(fā)下,國(guó)內(nèi)對(duì)智慧教育的探索逐步凸顯中國(guó)特色,。文獻(xiàn)[5]中確立了智慧教育的理論基礎(chǔ),,表明其理論框架主要包括智慧環(huán)境、智慧教學(xué)法,、智慧評(píng)估和智慧人才4個(gè)方面,,并于2017[6]、2018[7]年進(jìn)行了兩次優(yōu)化,;同時(shí),,文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]中也從維度和組成元素等方面對(duì)智慧教育的內(nèi)涵進(jìn)行了詳細(xì)界定,。隨后,更多研究者從技術(shù)支撐,、智慧學(xué)習(xí)資源建設(shè),、智慧教學(xué)模式等方面進(jìn)行探討。 在智慧教育環(huán)境中,,一些研究者對(duì)教育知識(shí)圖譜開(kāi)展相關(guān)研究:在課程本體設(shè)計(jì)方面,,文獻(xiàn)[10]中以課程本體、教學(xué)大綱本體和主體本體為本體模型,,開(kāi)發(fā)基于本體的學(xué)習(xí)系統(tǒng),,有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果;在知識(shí)圖譜構(gòu)建方面,,文獻(xiàn)[11]中從兩個(gè)方面探討了學(xué)科知識(shí)圖譜與智慧教育的適切性,,描述了學(xué)科知識(shí)圖譜的構(gòu)建路徑和在智慧教育中的六大應(yīng)用場(chǎng)景,文獻(xiàn)[12]中將知識(shí)圖譜技術(shù)用于表示基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的知識(shí),,并將其應(yīng)用到智慧教育中,;在課程知識(shí)圖譜應(yīng)用方面,文獻(xiàn)[13]基于知識(shí)圖譜設(shè)計(jì)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式,,提高課堂教學(xué)效果,,為智慧教育的發(fā)展注入新的動(dòng)力。 縱觀(guān)現(xiàn)有的研究成果,,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)教育知識(shí)圖譜進(jìn)行了較深入的研究,,但也存在著一定不足:①知識(shí)圖譜中課程本體的設(shè)計(jì)不夠全面,大多數(shù)本體側(cè)重于描述課程內(nèi)容的邏輯結(jié)構(gòu),,忽略了課程目標(biāo)的要求以及知識(shí)的綜合應(yīng)用,;②知識(shí)點(diǎn)間的關(guān)系定義比較單一,除了常見(jiàn)的包含關(guān)系,、順序關(guān)系等,,知識(shí)間應(yīng)劃分特殊關(guān)系,保證語(yǔ)義關(guān)系的全面性,;③課程知識(shí)圖譜的構(gòu)建缺乏質(zhì)量評(píng)估和更新維護(hù)等環(huán)節(jié),,現(xiàn)有的一次性課程知識(shí)圖譜無(wú)法保證知識(shí)的準(zhǔn)確性與可延展性。因此,,結(jié)合智慧教育的基本要求,,提升課程知識(shí)圖譜的構(gòu)建質(zhì)量和效率具有重要意義。 2 面向智慧教育的課程知識(shí)圖譜構(gòu)建設(shè)計(jì)2.1 智慧教育與課程知識(shí)圖譜的映射關(guān)系文獻(xiàn)[14]中從學(xué)科知識(shí)圖譜助力智慧教育體系框架的構(gòu)建,、智慧教育生態(tài)系統(tǒng)的重構(gòu)兩方面探討了學(xué)科知識(shí)圖譜與智慧教育的適切性,,在此基礎(chǔ)上,從課程知識(shí)圖譜的內(nèi)容,、形式和應(yīng)用3方面細(xì)化其與智慧教育之間的映射關(guān)系,,如圖1所示,。課程知識(shí)圖譜的3個(gè)方面與智慧教育中以學(xué)習(xí)者為中心的教育理念有效契合,并為智慧教學(xué)和智慧評(píng)估提供支撐,。 圖1 智慧教育與知識(shí)圖譜的內(nèi)在映射關(guān)系2.2 面向智慧教育的課程知識(shí)圖譜構(gòu)建設(shè)計(jì)為解決現(xiàn)有知識(shí)圖譜中存在的問(wèn)題,,采用自頂向下的方式構(gòu)建課程知識(shí)圖譜,,構(gòu)建框架如圖2所示,。在該框架中,構(gòu)建過(guò)程分為數(shù)據(jù)收集,、本體設(shè)計(jì),、知識(shí)獲取與存儲(chǔ)、知識(shí)加工個(gè)階段,。具體地,,豐富的數(shù)據(jù)為本體設(shè)計(jì)和知識(shí)獲取與存儲(chǔ)兩個(gè)階段提供堅(jiān)實(shí)支撐;本體設(shè)計(jì)階段提供了理論基礎(chǔ)和抽取原則,;知識(shí)獲取與存儲(chǔ)階段通過(guò)抽取課程知識(shí)、屬性與關(guān)系,,初步形成課程知識(shí)圖譜;知識(shí)加工階段通過(guò)質(zhì)量評(píng)估與更新維護(hù)得到高質(zhì)量知識(shí)圖譜,。本研究以計(jì)算機(jī)組成原理課程為例,,基于上述構(gòu)建框架開(kāi)發(fā)課程實(shí)例。2.2.1 數(shù)據(jù)收集計(jì)算機(jī)組成原理課程知識(shí)圖譜的數(shù)據(jù)來(lái)源包括兩方面,,一方面來(lái)自課程領(lǐng)域,這部分?jǐn)?shù)據(jù)能夠保證知識(shí)點(diǎn)的準(zhǔn)確與權(quán)威,,包括培養(yǎng)方案,、教學(xué)大綱,、教案,、習(xí)題集、實(shí)驗(yàn)教材等,;另一方面來(lái)自開(kāi)放領(lǐng)域,,包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)以及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)等,,由于計(jì)算機(jī)組成原理課程中所用數(shù)據(jù)大部分來(lái)源于半結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),,采用基于Python的網(wǎng)絡(luò)爬蟲(chóng)技術(shù),從學(xué)堂在線(xiàn),、網(wǎng)易公開(kāi)課,、MOOC和百度百科網(wǎng)站中獲取相關(guān)知識(shí)。2.2.2 本體設(shè)計(jì)本研究結(jié)合計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)方案,,參考由唐朔飛編著的《計(jì)算機(jī)組成原理》(第二版)教材[15],、教案等,借助Protégé本體開(kāi)發(fā)工具,,采用“七步法”完成計(jì)算機(jī)組成原理課程本體系統(tǒng)構(gòu)建,,模型如圖3所示。此本體系統(tǒng)包括課程目標(biāo)本體,、課程知識(shí)點(diǎn)本體,、課程資源本體3個(gè)部分。其中,,利用課程目標(biāo)本體描述計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)中計(jì)算機(jī)組成原理的課程目標(biāo),,指導(dǎo)課程知識(shí)點(diǎn)的選擇和課程資源的引入;在完成教學(xué)大綱的前提下,,通過(guò)課程知識(shí)點(diǎn)本體合理取舍教學(xué)內(nèi)容,;課程資源本體實(shí)現(xiàn)課堂知識(shí)與教學(xué)實(shí)驗(yàn)及試題練習(xí)的密切配合,注重各習(xí)題與各實(shí)驗(yàn)間課程知識(shí)點(diǎn)間的銜接,。圖2 面向智慧教育的課程知識(shí)圖譜構(gòu)建框架圖3 計(jì)算機(jī)組成原理課程本體系統(tǒng)模型由于計(jì)算機(jī)組成原理教材中部分章節(jié)名稱(chēng)無(wú)法呈現(xiàn)出知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)在關(guān)聯(lián),,需根據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)重新劃分課程知識(shí)。課程知識(shí)點(diǎn)本體將教材目錄與內(nèi)在邏輯相結(jié)合,,根據(jù)知識(shí)粒度的不同劃分為課程知識(shí),、知識(shí)體系、知識(shí)單元,、知識(shí)集,、知識(shí)點(diǎn)5類(lèi)。其中,,課程知識(shí)是指某一課程名稱(chēng),,如計(jì)算機(jī)組成原理等;知識(shí)體系按照課程的內(nèi)在邏輯結(jié)構(gòu)劃分,,一般對(duì)應(yīng)于教材中的章目錄,,如“軟件”和“硬件”;知識(shí)單元是知識(shí)集的集合,,一般對(duì)應(yīng)于節(jié)目錄,,即“外圍設(shè)備”等內(nèi)容;知識(shí)集是兩個(gè)或多個(gè)知識(shí)點(diǎn)的集合,,如“運(yùn)算器”等,;知識(shí)點(diǎn)指無(wú)法分割的最小單位,,如“運(yùn)算速度”“機(jī)器字長(zhǎng)”等內(nèi)容。2.2.3 知識(shí)獲取與存儲(chǔ)知識(shí)獲取與存儲(chǔ)階段包括3個(gè)步驟:知識(shí)點(diǎn)抽取與屬性定義,、知識(shí)點(diǎn)間關(guān)系抽取,、知識(shí)圖譜可視化。知識(shí)點(diǎn)抽取與屬性定義是構(gòu)建課程知識(shí)圖譜的基礎(chǔ)工作,,本研究采用較成熟的BiLSTM-CRF模型與人工檢驗(yàn)相結(jié)合的方法抽取知識(shí)點(diǎn),。首先確定“概念、組成,、功能,、原理、指標(biāo)”5類(lèi)實(shí)體類(lèi)型,,以“字”為單位,,采用BIO標(biāo)注策略。然后通過(guò)清洗數(shù)據(jù),、分詞等預(yù)處理創(chuàng)建語(yǔ)料庫(kù),,將其劃分為訓(xùn)練集、驗(yàn)證集和測(cè)試集,,訓(xùn)練模型并完成預(yù)測(cè),。最后學(xué)科專(zhuān)家通過(guò)統(tǒng)一的評(píng)估方法對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行人工檢驗(yàn)和查漏補(bǔ)缺,共得到1個(gè)課程實(shí)體,、3個(gè)知識(shí)體系實(shí)體,、20個(gè)知識(shí)單元實(shí)體、50個(gè)知識(shí)集實(shí)體,、673個(gè)知識(shí)點(diǎn)實(shí)體,,總計(jì)747個(gè)實(shí)體。此外,,對(duì)實(shí)體的數(shù)據(jù)屬性進(jìn)行定義,,包括“知識(shí)編號(hào)、知識(shí)名稱(chēng),、知識(shí)內(nèi)容、英文表述,、分類(lèi),、學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)難度,、相關(guān)資源,、前導(dǎo)課程、后續(xù)課程”10個(gè)屬性類(lèi)別,。其中,,“學(xué)習(xí)目標(biāo)”與“學(xué)習(xí)難度”依據(jù)課程目標(biāo)本體得出,;“相關(guān)資源”指與知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、練習(xí)題和拓展資料等,。知識(shí)點(diǎn)間的關(guān)系定義是關(guān)系抽取的前提條件,。常見(jiàn)關(guān)系有包含、順序,、相關(guān)等,,但有些知識(shí)點(diǎn)無(wú)法用常見(jiàn)的關(guān)系定義,如“控制器的基本功能是取指令,、分析指令和執(zhí)行指令”這句話(huà)中“控制器”與“取指令”之間的關(guān)系無(wú)法利用常見(jiàn)的關(guān)系描述,,因此將計(jì)算機(jī)組成原理課程的關(guān)系定義為普通關(guān)系和特殊關(guān)系兩類(lèi),共計(jì)10種(表1),。 表1 知識(shí)點(diǎn)間的關(guān)系定義表詳細(xì)定義知識(shí)點(diǎn)間的關(guān)系后,,采用依存句法分析的方式對(duì)關(guān)系進(jìn)行抽取。首先采用LTP的Python封裝工具Pyltp對(duì)文本進(jìn)行分詞和詞性標(biāo)注,,同時(shí)將語(yǔ)料庫(kù)導(dǎo)入LTP中,,然后進(jìn)行依存句法分析,輸出三元組,。通過(guò)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),,有些潛在語(yǔ)義關(guān)系的挖掘需要剖析例句的深層含義,如“浮點(diǎn)加減運(yùn)算包括對(duì)階,、尾數(shù)求和,、規(guī)格化、舍入4個(gè)步驟,?!边@句話(huà)中的實(shí)體“對(duì)階”是“尾數(shù)求和”的前導(dǎo)知識(shí)點(diǎn),無(wú)法采用依存句法分析的方式抽取,。因此,,通過(guò)設(shè)置統(tǒng)一的手動(dòng)抽取規(guī)則,前導(dǎo),、后繼,、參考和特殊關(guān)系采用專(zhuān)家手動(dòng)抽取的方式,最終得到2 027個(gè)關(guān)系,。將上述操作得到的知識(shí)點(diǎn)與關(guān)系進(jìn)行融合,,導(dǎo)入Neo4j圖數(shù)據(jù)庫(kù)中生成一個(gè)相對(duì)完整的計(jì)算機(jī)組成原理課程知識(shí)圖譜。2.2.4 知識(shí)加工知識(shí)加工主要包括質(zhì)量評(píng)估與更新維護(hù)兩部分,。質(zhì)量評(píng)估貫穿于課程知識(shí)圖譜的全周期,,主要從準(zhǔn)確性、完整性、時(shí)效性和一致性4個(gè)維度考察[14],。準(zhǔn)確性用來(lái)檢驗(yàn)知識(shí)圖譜中課程知識(shí)的準(zhǔn)確性,;完整性指知識(shí)的覆蓋范圍是否全面;時(shí)效性檢驗(yàn)知識(shí)能否與時(shí)俱進(jìn),。計(jì)算機(jī)學(xué)科領(lǐng)域的專(zhuān)家或教師通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理課程知識(shí)圖譜進(jìn)行抽樣質(zhì)量檢測(cè)和評(píng)估,,完成這3個(gè)維度的考查。一致性用來(lái)測(cè)試知識(shí)表示方式有無(wú)重復(fù),,本研究采用Protégé中自帶推理機(jī)驗(yàn)證本體,,若啟動(dòng)推理機(jī)后沒(méi)有錯(cuò)誤,則表示本體一致性驗(yàn)證成功,。經(jīng)過(guò)上述操作,,得到較高質(zhì)量的課程知識(shí)圖譜。同時(shí),,教師根據(jù)學(xué)習(xí)者的使用與反饋情況,,對(duì)課程知識(shí)圖譜中的知識(shí)、教學(xué)資源,、知識(shí)圖譜可視化展示等方面進(jìn)行更新和維護(hù),,保證知識(shí)圖譜的質(zhì)量。經(jīng)過(guò)多輪迭代式擴(kuò)充與完善的課程知識(shí)圖譜更能適應(yīng)智慧教育環(huán)境下的培養(yǎng)要求,。3 面向智慧教育的課程知識(shí)圖譜應(yīng)用基于人機(jī)協(xié)同的思維,,本研究將課程知識(shí)圖譜作為教學(xué)載體,MOOC學(xué)習(xí)平臺(tái)作為輔助,,以計(jì)算機(jī)組成原理課程中的“算術(shù)邏輯單元”知識(shí)點(diǎn)為例,,從課前精準(zhǔn)定位、課堂精準(zhǔn)掌握,、課后精準(zhǔn)提升3個(gè)方面探討課堂活動(dòng)實(shí)施方案(圖4),,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化教學(xué),打造高效智慧課堂,。圖4“算術(shù)邏輯單元”課堂活動(dòng)實(shí)施方案課前精準(zhǔn)定位階段,,教師發(fā)布預(yù)習(xí)內(nèi)容——繪制個(gè)人知識(shí)框架圖,學(xué)生通過(guò)教材,、課程知識(shí)圖譜,、依附于知識(shí)點(diǎn)屬性中的MOOC資源[16]等方式預(yù)習(xí)知識(shí)點(diǎn),將掌握的內(nèi)容繪制在個(gè)人知識(shí)框架圖中,,教師通過(guò)布魯姆認(rèn)知領(lǐng)域目標(biāo)中的6個(gè)層次對(duì)學(xué)生預(yù)習(xí)情況進(jìn)行精準(zhǔn)定位,,并將其分為基礎(chǔ)組、應(yīng)用組和創(chuàng)新組,,并選擇相應(yīng)的教學(xué)活動(dòng),如圖3所示。課堂精準(zhǔn)掌握階段,,教師創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境,,通過(guò)“ALU電路”案例講授重點(diǎn)知識(shí),為各小組發(fā)布相應(yīng)任務(wù),。學(xué)生通過(guò)小組協(xié)作,,利用課程知識(shí)圖譜中的學(xué)習(xí)路徑(圖5)和相關(guān)資源進(jìn)行探究,精準(zhǔn)掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容,。在此過(guò)程中,,教師提供針對(duì)性指導(dǎo)與教學(xué)干預(yù),解決各小組存在的共性問(wèn)題,。最后,,從學(xué)生課堂表現(xiàn)、小組任務(wù)完成度,、課程知識(shí)圖譜使用率3方面進(jìn)行精準(zhǔn)評(píng)價(jià),。課后精準(zhǔn)提升階段,學(xué)生通過(guò)試題對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)與鞏固,,采用操作語(yǔ)言Cypher在Neo4j圖數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索查詢(xún),,實(shí)現(xiàn)對(duì)“CU”“運(yùn)算器”等知識(shí)的遷移,完成自身精準(zhǔn)提升,。同時(shí),,教師實(shí)時(shí)檢測(cè)評(píng)價(jià),為學(xué)生提供教學(xué)反饋與個(gè)性化學(xué)習(xí)服務(wù),。4 結(jié)語(yǔ)通過(guò)剖析現(xiàn)在的課程知識(shí)圖譜中存在的問(wèn)題,,并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建課程知識(shí)圖譜,在一定程度上解決了本體設(shè)計(jì)單一,、關(guān)系不明確,、知識(shí)圖譜缺乏更新維護(hù)等問(wèn)題。通過(guò)探討課程知識(shí)圖譜在實(shí)際課堂教學(xué)的實(shí)施方案,,發(fā)現(xiàn)知識(shí)圖譜能夠有效支持教學(xué)活動(dòng)的開(kāi)展,,為智慧教育提供了堅(jiān)實(shí)保障。后續(xù)研究將進(jìn)一步探究采用自動(dòng)化的方式準(zhǔn)確獲取知識(shí)點(diǎn)與關(guān)系,,同時(shí)將結(jié)合課程知識(shí)圖譜和學(xué)生行為數(shù)據(jù)兩方面內(nèi)容,,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)描繪學(xué)習(xí)者畫(huà)像、推薦個(gè)性化學(xué)習(xí)服務(wù),、精準(zhǔn)評(píng)價(jià)與反饋等,,推動(dòng)智慧教育持續(xù)發(fā)展。圖5“算術(shù)邏輯單元”知識(shí)點(diǎn)可視化展示圖參考文獻(xiàn)[1] 中華人民共和國(guó)教育部.國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)[EB/OL].(2010-07-29)[2022-12-06]. http://www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/s6052/moe_838/201008/t20100802_93704.html?ivk_sa=1025922x.[2] 中華人民共和國(guó)教育部.教育部關(guān)于印發(fā)《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》的通知[EB/OL].(2018-04-18)[2022-12-06]. http://www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201804/t20180425_334188.html.[3] 何克抗.大數(shù)據(jù)面面觀(guān)[J].電化教育研究, 2014(10):8-16, 22.[4] IBM. 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