基于知識(shí)圖譜的在線課程資源個(gè)性化推薦模型研究

楊夏

（湖南科技職業(yè)學(xué)院 湖南省長沙市 410004）

與傳統(tǒng)的面對(duì)面學(xué)習(xí)方式相比，網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)是提供終身教育的革命性方式。然而，不同的學(xué)習(xí)者有不同的學(xué)習(xí)風(fēng)格、學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)經(jīng)歷和其他偏好，傳統(tǒng)的“一刀切”的學(xué)習(xí)方法已經(jīng)不能滿足學(xué)習(xí)者的需要。目前，越來越多的個(gè)性化系統(tǒng)被開發(fā)出來，試圖解決影響學(xué)習(xí)結(jié)果的個(gè)性化學(xué)習(xí)過程。

Google 于2012年5月推出了“知識(shí)圖譜”（Knowledge Graph, KG）技術(shù)，它創(chuàng)新了表示、管理和組織知識(shí)的方式，賦予了傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)新的能力。以直觀的、結(jié)構(gòu)化的呈現(xiàn)形式提供知識(shí)服務(wù)，將傳統(tǒng)的課程篇章學(xué)習(xí)（網(wǎng)頁互聯(lián)）轉(zhuǎn)換為對(duì)知識(shí)點(diǎn)及其相互之間關(guān)系（知識(shí)互聯(lián)）的學(xué)習(xí)，可以極大地提升學(xué)習(xí)效率與學(xué)習(xí)體驗(yàn)。本文將知識(shí)圖譜應(yīng)用于個(gè)性化學(xué)習(xí)，開發(fā)一種基于知識(shí)圖譜的適用于個(gè)性化學(xué)習(xí)的推薦系統(tǒng)，根據(jù)學(xué)習(xí)者概況、學(xué)習(xí)對(duì)象和學(xué)習(xí)歷史等推薦學(xué)習(xí)資源和學(xué)習(xí)路徑。

1 基于知識(shí)圖譜的個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)由三個(gè)主要部分組成，分別是：學(xué)習(xí)者建模組件（對(duì)學(xué)習(xí)者資料建模）；課程資源管理組件（主要包括課程本體建模和學(xué)習(xí)對(duì)象本體建模）；個(gè)性化推薦組件（支持個(gè)性化學(xué)習(xí)資源推薦和個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑推薦）。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了四個(gè)數(shù)據(jù)庫，分別是學(xué)習(xí)者概況數(shù)據(jù)庫、學(xué)習(xí)歷史數(shù)據(jù)庫、課程本體數(shù)據(jù)庫和學(xué)習(xí)對(duì)象數(shù)據(jù)庫。學(xué)習(xí)者概況數(shù)據(jù)庫包含學(xué)習(xí)者的個(gè)人信息、學(xué)習(xí)偏好和當(dāng)前學(xué)習(xí)狀態(tài)。對(duì)于學(xué)習(xí)歷史數(shù)據(jù)庫，其內(nèi)容來源于以下幾個(gè)方面：在學(xué)習(xí)過程中，系統(tǒng)記錄了每個(gè)學(xué)習(xí)者的在線行為及其相關(guān)實(shí)體，包括知識(shí)點(diǎn)ID、學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)時(shí)間、學(xué)習(xí)對(duì)象ID、學(xué)習(xí)水平和學(xué)習(xí)者正在進(jìn)行的活動(dòng)。課程本體數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)課程知識(shí)的組織和內(nèi)部關(guān)系的明確定義。學(xué)習(xí)對(duì)象數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)學(xué)習(xí)資源的內(nèi)容和一些形式化的語義描述。

1.2 系統(tǒng)組件

1.2.1 學(xué)習(xí)者建模組件

學(xué)習(xí)者建模組件收集學(xué)習(xí)者個(gè)人信息，在學(xué)習(xí)過程中對(duì)其進(jìn)行建模和更新。事實(shí)上，學(xué)習(xí)者概況代表了學(xué)習(xí)者的興趣、偏好、背景、需求和知識(shí)。為了描述個(gè)人信息和學(xué)習(xí)偏好，可以在FSLSM 的基礎(chǔ)上構(gòu)建了leaner 本體。該模型有四個(gè)維度來區(qū)分學(xué)習(xí)者的風(fēng)格，即感知、輸入、處理和理解。

當(dāng)學(xué)習(xí)者首次注冊該系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)用學(xué)習(xí)風(fēng)格指數(shù)(ILSs)來測試他的學(xué)習(xí)風(fēng)格。另外，系統(tǒng)還可以通過觀察學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中的行為和分析學(xué)習(xí)者的日志文件來調(diào)整學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)風(fēng)格的記錄條目。

學(xué)習(xí)者建模組件通過收集學(xué)習(xí)者個(gè)人信息為最終集成的概要文件建模。主要考慮了以下個(gè)性化參數(shù)：學(xué)習(xí)風(fēng)格、教學(xué)信息、先決條件、目標(biāo)、計(jì)劃、活動(dòng)、媒體偏好、學(xué)習(xí)水平、界面偏好等。為了得到一個(gè)適用的知識(shí)圖譜理解，系統(tǒng)在個(gè)性化參數(shù)的基礎(chǔ)上形成了學(xué)習(xí)者知識(shí)圖譜。同時(shí)系統(tǒng)為學(xué)習(xí)者檔案設(shè)計(jì)了四個(gè)重要的個(gè)性化參數(shù)，分別是：學(xué)習(xí)級(jí)別（低，中和高）；精通級(jí)別（知識(shí)，理解和應(yīng)用）；學(xué)習(xí)方式（知覺，輸入，理解和處理）；當(dāng)前學(xué)習(xí)知識(shí)點(diǎn)ID。

圖1：推薦流程

圖2：注冊學(xué)習(xí)者和普通學(xué)習(xí)者的表現(xiàn)

在建模過程中，將顯式方法和隱式方法相結(jié)合。顯示方法采用問卷調(diào)查的方式，建議用戶在首次注冊時(shí)提供個(gè)人學(xué)習(xí)信息。然而，學(xué)習(xí)者可能不能準(zhǔn)確地表達(dá)自己的興趣，而且學(xué)習(xí)者的興趣可能會(huì)隨著時(shí)間的推移而改變。因此，內(nèi)隱方法是通過觀察學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中的行為來實(shí)現(xiàn)的。學(xué)習(xí)者建模組件監(jiān)控和記錄學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)活動(dòng)和學(xué)習(xí)進(jìn)展，從而可以同步更新學(xué)習(xí)者概況。

1.2.2 課程資源管理組件

課程知識(shí)圖譜描述與課程相關(guān)的學(xué)習(xí)資源，實(shí)現(xiàn)課程資源的共享。課程本體的構(gòu)建是基于教學(xué)方法、學(xué)習(xí)者概況和學(xué)習(xí)者的特殊需求。課程資源管理組件對(duì)課程本體和學(xué)習(xí)對(duì)象本體進(jìn)行建模。課程一般由章節(jié)組成，每個(gè)章節(jié)有一個(gè)或多個(gè)知識(shí)點(diǎn)。一個(gè)知識(shí)點(diǎn)包括一組學(xué)習(xí)對(duì)象。

（1）需要在系統(tǒng)中創(chuàng)建的課程。課程包含課程名、課程ID、課程描述以及課程所包含的章節(jié)。

（2）創(chuàng)建章，包括章節(jié)名稱、章節(jié)ID、章節(jié)描述，隸屬于哪門課程，難度等級(jí)以及包含的知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)還需要建立不同章節(jié)之間的關(guān)系，例如前一章、后一章的關(guān)系、完成學(xué)習(xí)需要遵循的前導(dǎo)章節(jié)、后續(xù)章節(jié)的關(guān)系等

（3）創(chuàng)建知識(shí)點(diǎn)（PK），包括知識(shí)點(diǎn)名稱、知識(shí)點(diǎn)ID，同時(shí)將知識(shí)點(diǎn)和學(xué)習(xí)對(duì)象集合成一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，與其他屬性一起，建立不同領(lǐng)域知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系：從一個(gè)知識(shí)點(diǎn)可以鏈接到前一個(gè)知識(shí)點(diǎn)和下一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的關(guān)系；以及完成學(xué)習(xí)需要遵循的前導(dǎo)知識(shí)點(diǎn)、后續(xù)知識(shí)點(diǎn)的關(guān)系等。

為了更好地理解課程資源的知識(shí)圖譜，針對(duì)個(gè)性化學(xué)習(xí)平臺(tái)提供的資源建立了學(xué)習(xí)對(duì)象知識(shí)圖譜，將課程對(duì)象劃分為6 個(gè)子本體，分別是應(yīng)用學(xué)習(xí)風(fēng)格、難度級(jí)別、訪問率、文件大小、應(yīng)用知識(shí)點(diǎn)和媒體類型。課程資源管理組件使用基于課程本體的標(biāo)注工具對(duì)學(xué)習(xí)資源進(jìn)行標(biāo)注，被標(biāo)注的實(shí)體作為學(xué)習(xí)對(duì)象本體的實(shí)例；這些與資源對(duì)象相關(guān)的信息都存儲(chǔ)在學(xué)習(xí)對(duì)象庫中，因此可以在學(xué)習(xí)過程中自動(dòng)豐富學(xué)習(xí)對(duì)象庫。

1.2.3 個(gè)性化推薦組件

注冊時(shí)，學(xué)習(xí)者將收到學(xué)習(xí)風(fēng)格索引(ILSs)和個(gè)人信息表，以確定其學(xué)習(xí)風(fēng)格和個(gè)人信息。當(dāng)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)到一個(gè)新的知識(shí)點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)找到他以前學(xué)習(xí)過的與當(dāng)前知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的前導(dǎo)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)信息，并對(duì)其進(jìn)行預(yù)測試，以估計(jì)出適合他的學(xué)習(xí)資源和學(xué)習(xí)路徑。

事實(shí)上，推理、比較和推薦三個(gè)功能可以被整合在個(gè)性化推薦組件中。當(dāng)然，推薦機(jī)制是基于課程本體和學(xué)習(xí)對(duì)象本體的。當(dāng)學(xué)習(xí)者完成對(duì)某個(gè)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)并開始學(xué)習(xí)下一知識(shí)點(diǎn)時(shí)，個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)將首先從學(xué)習(xí)者資料數(shù)據(jù)庫中搜索當(dāng)前知識(shí)點(diǎn)，然后推理引擎將在此基礎(chǔ)上結(jié)合課程本體數(shù)據(jù)庫中的語義關(guān)系推斷其相關(guān)知識(shí)點(diǎn)和合適的路徑；在接下來的過程中，系統(tǒng)的搜索引擎還可以從學(xué)習(xí)對(duì)象數(shù)據(jù)庫中搜索相應(yīng)的學(xué)習(xí)對(duì)象，并基于學(xué)習(xí)本體對(duì)每個(gè)學(xué)習(xí)對(duì)象的語義相似度進(jìn)行評(píng)估，最后系統(tǒng)將學(xué)習(xí)對(duì)象進(jìn)行排序，對(duì)學(xué)習(xí)對(duì)象進(jìn)行整理，推薦三個(gè)結(jié)果給學(xué)習(xí)者。

定義1：level（學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)水平）：假設(shè)level = {L1, L2, L3}是一組學(xué)習(xí)水平，包括低、中、高三個(gè)學(xué)習(xí)水平。例如，L1 表示低，量化為-1。

定義2：Lmastery（學(xué)習(xí)者掌握的程度）。假設(shè)LMastery = {M1, M2, M3}是一組學(xué)習(xí)者精通程度的集合，其中包括前面提到的知識(shí)、理解、應(yīng)用三個(gè)級(jí)別。例如，M1 表示知識(shí)，量化為-1。

結(jié)合學(xué)習(xí)者簡介中的兩個(gè)個(gè)性化參數(shù)，根據(jù)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)水平和掌握水平計(jì)算所需學(xué)習(xí)對(duì)象的適當(dāng)難度水平得分。公式描述如下：

LD 表示為學(xué)習(xí)對(duì)象做適當(dāng)推薦的難度水平。

定義3。Dlevel（學(xué)習(xí)對(duì)象的難度）。假設(shè)DLevel = {D1, D2, D3}是一組課程材料難度等級(jí)，包括三個(gè)不同的難度等級(jí)。D1 表示容易，量化為-1；D2 表示中間，量化為0；D3 表示hard，量化為1。

結(jié)合學(xué)習(xí)對(duì)象的LD 和難度等級(jí)，計(jì)算出DiあcultySim 的語義匹配值（diきcult Similarity value）。公式描述如下：

DiあcultySim（LD, Dlevel）表示學(xué)習(xí)對(duì)象的推薦難度語義值。公式（2）計(jì)算輸入的語義匹配值和感知的語義匹配值。它們分別基于公式（3）和公式（4）。

LP 是一組感知（敏感-直覺）學(xué)習(xí)風(fēng)格維度的價(jià)值，OP 是學(xué)習(xí)對(duì)象的感知維度的價(jià)值的集合。

LI 是學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)風(fēng)格的輸入（視覺-言語）維度價(jià)值的集合，OI 是學(xué)習(xí)對(duì)象的輸入維度價(jià)值的集合。

系統(tǒng)還考慮了教學(xué)方法、知識(shí)點(diǎn)結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)對(duì)象特征來推薦學(xué)習(xí)對(duì)象或?qū)W習(xí)路徑，推薦算法的主體由四部分組成：

（1）相關(guān)知識(shí)推理。該部分將基于課程本體庫，按照本體的左、右、上、子層次，以及nextKP 關(guān)系推斷本體項(xiàng)，左右層次還可能包括具有nextKP 關(guān)系或previousKP 關(guān)系的本體；

（2）學(xué)習(xí)路徑構(gòu)建。根據(jù)nextKP 關(guān)系或左/右兄弟級(jí)的推斷結(jié)果計(jì)算學(xué)習(xí)KP 路徑，然后根據(jù)學(xué)習(xí)歷史庫對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，形成KPs 序列；

（3）語義相似值評(píng)價(jià)。對(duì)學(xué)習(xí)者輪廓參數(shù)與學(xué)習(xí)對(duì)象的語義匹配值進(jìn)行評(píng)價(jià)；

（4）學(xué)習(xí)對(duì)象排序。將學(xué)習(xí)對(duì)象按照語義相似度值進(jìn)行排序，并向?qū)W習(xí)者推薦學(xué)習(xí)對(duì)象。推薦過程如圖1 所示。

通過匹配學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)者輪廓參數(shù)和學(xué)習(xí)對(duì)象，基于提出的推薦算法推薦個(gè)性化的學(xué)習(xí)路徑和學(xué)習(xí)對(duì)象。當(dāng)學(xué)習(xí)者進(jìn)行一個(gè)學(xué)習(xí)過程時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過觀察學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中的行為來更新其學(xué)習(xí)輪廓的參數(shù)，再根據(jù)新的學(xué)習(xí)輪廓對(duì)學(xué)習(xí)對(duì)象進(jìn)行推薦。

2 推薦模型的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證個(gè)性化推薦系統(tǒng)是否有助于學(xué)習(xí)過程，設(shè)計(jì)并實(shí)施了一系列的實(shí)驗(yàn)。在超星學(xué)習(xí)平臺(tái)的《Java 程序設(shè)計(jì)》課程的學(xué)習(xí)過程中，選取了60 名參與“數(shù)據(jù)類型”和“運(yùn)算符與表達(dá)式”一章學(xué)習(xí)的學(xué)生進(jìn)行調(diào)查。目的是分析因變量即學(xué)習(xí)者的表現(xiàn)對(duì)學(xué)習(xí)效率的影響。作為課程的要求，學(xué)生必須參加課后測試，以測試成績作為衡量學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)效能的指標(biāo)。與沒有向系統(tǒng)提供個(gè)人學(xué)習(xí)信息的普通學(xué)習(xí)者相比，注冊學(xué)習(xí)者的整體表現(xiàn)良好。圖2 顯示了比較結(jié)果。

圖中x 軸是10 周學(xué)習(xí)者的平均表現(xiàn)。上面的線表示注冊學(xué)習(xí)者的平均表現(xiàn)。下面的線表示普通學(xué)習(xí)者的平均表現(xiàn)。分析表明，學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)成績的提高與其學(xué)習(xí)時(shí)間有關(guān)。學(xué)習(xí)成績是系統(tǒng)質(zhì)量的一個(gè)指標(biāo)。

3 結(jié)論

研究提出一種基于知識(shí)圖譜的個(gè)性化學(xué)習(xí)服務(wù)，以促進(jìn)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)績效和學(xué)習(xí)成就。系統(tǒng)用感知、輸入、處理和理解四個(gè)重要特征描述學(xué)習(xí)者的概況和學(xué)習(xí)對(duì)象；用知識(shí)圖譜支持語義推理和匹配機(jī)制；推薦算法的設(shè)計(jì)是通過比較學(xué)習(xí)對(duì)象的特點(diǎn)和學(xué)習(xí)者的個(gè)性化參數(shù)，從而將個(gè)性化內(nèi)容推薦給學(xué)習(xí)者；根據(jù)知識(shí)結(jié)構(gòu)向?qū)W習(xí)者提供學(xué)習(xí)對(duì)象和學(xué)習(xí)路徑的動(dòng)態(tài)建議。另外系統(tǒng)還可以更新學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)概況參數(shù)，分析學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中的行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于知識(shí)圖譜的個(gè)性化推薦能夠提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效率。

基于學(xué)習(xí)者知識(shí)圖譜的自動(dòng)學(xué)習(xí)是個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)的一個(gè)挑戰(zhàn)，這樣的系統(tǒng)可以更有效地預(yù)測學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣和需要。未來，可以繼續(xù)優(yōu)化學(xué)習(xí)者檔案數(shù)據(jù)庫、課程本體學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫，生成，多模知識(shí)圖譜，為每個(gè)學(xué)習(xí)者提供個(gè)性化學(xué)習(xí)內(nèi)容，提高他們的滿意度。同時(shí)個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)的隱私問題應(yīng)引起重視。