基于知識網格的智能輔助教學系統

李濤

（武漢科技大學計算機學院，武漢 430081）

基于知識網格的智能輔助教學系統

李濤

（武漢科技大學計算機學院，武漢 430081）

基于知識網格的智能輔助教學系統利用網格技術，構建以知識共享為核心的服務體系，實現了知識的動態聚合、智能評測、精細反饋的目標，達到知識“一點接入，全局漫游”的目的，貫穿了整體化、網絡化的指導思想。建立一個以知識共享為核心，智能服務為基礎的教學平臺，依托該平臺，開展基于知識網格的教學方法研究，評測學生的知識結構短板，提升學生對概念的理解和總結能力。該方法已經在武漢科技大學計算機學院的實際教學過程中得到應用，取得良好的效果。

知識網格；輔助教學系統；本體

0 引言

隨著網絡技術在教學中廣泛應用，教育信息化建設已處于由數字化轉向智能化，硬件建設轉化為服務建設，資源優勢轉化為知識優勢的關鍵階段。打造一個高層次，以知識共享為核心，智能服務為基礎的教學平臺，對提升教學質量，深化教學改革，帶動教育現代化具有重要意義。

基于知識網格的智能輔助教學系統利用網格技術，構建了以知識共享為核心的服務體系，實現了知識的動態聚合、智能評測、精細反饋的目標，達到了知識“一點接入，全局漫游”的目的，貫穿了整體化、網絡化的指導思想。

網格是指將大量的分布、離散的計算機、存儲器等信息資源組織起來，形成一個有機的信息整體，形成多層次的協同，達到資源一點接入、全局共享的目的[1]。知識網格是一種建立在網絡之上的知識共享環境。它以網格網為基礎架構，實現異構語義資源的整合與獲取，并提供基于語義資源的知識服務。其本質是知識資源和知識服務的協同與共享[2]。

基于“知識網格”的智能輔助教學系統，從資源共享提升為知識共享，構建了多層次的知識服務體系，在知識的集成、評測、答疑上實現了智能化，可以為廣大師生提供多維的知識服務，如：開展“知識漫游”式的教學；從學生某個缺失的知識點出發，動態評測其缺失的知識鏈結構；根據評測結果，實現基于網絡的個性化、有針對性的答疑，從而提供提供完整的、更為有效的教學服務，有效地解決目前面臨的“網絡利用率低”、“互動與個性化服務存在嚴重不足”、“資源缺乏共享性”、“知識獲取難度較大”等主要問題。

1 基于知識網格的智能輔助教學系統結構

基于“知識網格”的智能輔助教學系統（如圖1）主要包含三個內容：知識共享、動態評測、智能答疑。教學過程中所涉及到的所有角色，包括教師、教輔人員、學生、研究人員都可以從三個層面（學科、課程、概念）共享相關知識，由知識網格提供目錄，引導用戶訪問所需的知識。例如某個用戶希望了解操作系統的知識，知識網格首先提供該課程與數據結構、數據庫原理之間的課程關系，接著列出操作系統的核心概念，當用戶希望進一步了解時，則進入第三層，概念共享層，訪問相關資源。

動態評測主要解決的問題，主要是針對目前的評測基本上是靜態評價，利用知識網格提供的概念之間的各種關系，動態追蹤學生的缺失知識鏈，實現對學生知識體系的網狀評價。

智能答疑針對評測得到的學生缺失知識鏈，實現定量的、有針對性地網上答疑，對學生缺失知識鏈所涉及的教師，形成不同的虛擬組織，實現綜合答疑。

圖1 基于知識網格的智能教學平臺的功能結構圖

2 構建知識網格體系

知識網格體系結構使用基本的網格機制,網格服務基礎上建立具體的知識發現服務系統。當今的實施方法是基于Globus toolkits[3]網格工具集和服務上定義的。在Globus中,知識網格集成局部服務以提供全局服務。知識網格體系結構保證了數據挖掘工具和底層的網格機制和數據網格服務兼容。

知識網格是一個全球化的知識共享體系，為了建立適應于教學的知識網格平臺，本著實用、可行的基本原則，具體研究以下方法：

（1）建立領域知識本體

知識首先體現的是事物的概念及其含義，以及概念之間的關系、規則等。W.N.Borst指出“本體是共享的概念模型的形式化的規范說明”[4]，包含了概念相關的關系、函數、公理等。為了便于實現，以計算機學科為實例，由低到高，由細到粗構造概念之間、課程之間、學科之間的多層網狀關系；該三層結構體現了知識的抽象層次，既要研究每層概念之間的協同關系，協同關系的分類，又要研究不同層次間，概念抽象的程度及其從屬關系。這一多粒度、多層次的知識網格也將成為領域內公認的，高度共享的知識，對提高和統一教師的認識起到促進作用。

隨著時間的演變和知識的擴充，特別是交叉學科的出現，這就要求建立一個知識本體的更新機制，要研究課程之間交叉的變化，對教學過程中學生的影響。更新概念本身的含義，及其之間的關系，滿足時代的要求。

（2）集成現有的網上教學資源

現有的網上教學資源主要有精品課程網站、課件教材、教研論文、共享軟件庫、教學軟件（教案庫、音頻庫、視頻庫、試題庫、圖書資料等），為了更好地利用現有的資源，需要對已有的資源進行集成和語義標記，在領域本體的幫助下，實現資源的自動分類，建立資源和知識的映射關系。研究對現有的資源的語義標記并封裝成相應的服務，是實現智能搜索的基礎。

（3）建立知識搜索服務

智能服務搜索是實現知識共享的重要途徑。領域本體所描述的概念之間的關系將有助于用戶精確定位自己所需要的知識，并進行簡單的智能推論，如：用戶想了解操作系統中的進程概念，系統返回其定義外，還將返回與其相關的知識服務，例如線程、進程死鎖等相關內容。

3 動態評測機制

現有的評測方法無法實現動態評測，學生某個內容理解不透，可能不在當前知識點本身，而在于相關的諸多內容沒有掌握，無法進行追蹤定位和個性化分析。動態評測機制將對學生的知識體系進行整體評測，從而對學生缺失的知識進行定量的分析。主要包含下面兩個內容：

從某個知識的缺失追蹤與其相關的諸多內容的掌握程度，對學生掌握的“知識網絡”進行多指標的智能評價。個性化評測學生的理解力、融會貫通程度、知識點缺失對后續學習的影響，創新能力等，從而實現精細化反饋。最后，將返回給學生由某些知識點的缺失所導致的知識鏈。學生將清楚的知道，由此所帶來的影響，從而為下一步的答疑提供了定量的依據。

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

[2]諸葛海.語義網格的基礎理論、模型與方法研究進展.中國基礎科學，2007

[3]I Foster,Globus Toolkit Version 4:Software for Service-Oriented Systems.計算機科學技術學報(英文版),2006

[4]李善平，尹奇韡，胡玉杰等.本體研究綜述.計算機研究與發展

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

李濤（1979-），男，湖北襄陽人，博士，副教授

2016-12-17

2017-03-01

基于“知識網格”的智能輔助教學系統（No.2008B065）、湖北省教育科學十一五規劃課題、武漢科技大學校級重點教學研究項目省屬高校信息安全專業實踐教學體系改革與實踐、武漢科技大學校級教學研究項目