深度學習視域下中職課程知識圖譜構建研究＊
——以“信息技術”課程為例

張 遠，梁 銀

(江蘇師范大學，江蘇 徐州 221116)

0 引言

中等職業教育作為技能人才供給的重要力量，其教育質量的把控應符合社會發展需求。近年來，教育強調以“核心素養”為導向，促進知識、技能、思維、素養共同發展。《中華人民共和國職業教育法》中也提出“支持運用信息技術和其他現代化教學方式，開發職業教育網絡課程等學習資源，創新教學方式和學校管理方式，推動職業教育信息化建設與融合應用”[1]。

知識圖譜作為信息時代思維可視化的重要表征方式，彰顯知識發展進程與結構關系，是超越“淺層知識傳授”，發展高階思維能力，實現深度學習的有效途徑[2]。本研究立足于理清深度學習內涵及其與知識圖譜的關系，按前期分析、結構設計和整體建構三個階段完成“信息技術”課程知識圖譜構建，歸納、整理后的可視化知識點可助學生完成新舊知識的聯結，為教學設計提供新思路，使深度學習落地。

1 深度學習概述

1.1 深度學習的內涵

“深度學習（Deep Learning）”一詞最早出現于1976 年，美國學者馬頓（Marton）和薩爾約（S?LJ?）在界定信息處理方式的淺層和深層時，提出其概念[3]。教育工作者可從以下兩點明晰深度學習內涵：其一在時間上，深度學習的形成不會一蹴而就，其過程重于結果；其二在程度上，深度學習不否認淺層學習，且以淺層學習為基礎。總體而言，深度學習強調真實情境，注重在解決問題的過程中結合學生已有經驗為新舊知識架立橋梁，建立同伴互助的學習環境，引導學生思考交流、敢于批判反思，從而突破知識禁錮、促進思維提升。

1.2 深度學習與知識圖譜

知識圖譜（Knowledge Graph），簡單來說就是以圖的形式進行知識表征。具體由節點和線組成，節點包括實體或屬性值，線則彰顯節點間的關系，以三元組形式描述可體現為<實體，關系，實體>或<實體，關系，屬性>。任何教學改革的實施都應關照學生認知的順序與發展，遵循由淺入深、由表及里、從低到高、循序漸進的學習狀態[4]。知識圖譜使知識點按一定的順序和規則相互聯系，不僅可指導學生由淺入深掌握知識點，而且能形成個性化認知地圖，有助于老師因材施教。

由知識圖譜的特性，發現其與深度學習的關系緊密。一方面，知識圖譜可輔助實現深度學習。知識建構是深度學習的重要特征，身處呈現海量信息的世界，利用知識圖譜可將需要的信息整合并創造再生。教師根據知識圖譜理清教學思路，指導教學設計，學生依據知識圖譜呈現的學習路徑自由選擇感興趣的內容，創造性地融入自我認知和經驗，生成動態知識圖譜。另一方面，深度學習可指導知識圖譜構建。以深度學習為最終實現目標，決定了教學過程中不簡單以知識為主導，啟發教師將關注點轉移到學生。回歸以人為本的教育本質，重視學生的知識掌握程度，把握學生學習規律，對以教材、網絡資源等為基礎所構建生成的靜態知識圖譜動態補充，生成符合學生認知的知識圖譜。

2 課程知識圖譜構建過程

構建知識圖譜前需明晰其架構，從邏輯上將知識圖譜劃分為：數據層和模式層[5]兩個層次。模式層是一種抽象存在，可理解為概念性描述，以建立規則和關系約束為目的，最終形成本體構建；數據層則是模式層的實例化表現，描述的是事實性知識，是對規則和約束的具象體現。知識圖譜的構建方式分兩種：自底向上、自頂向下。自底向上是指從海量的信息中抽取所有可能的實體及其關系，然后從信度較高的實體開始逐步向上完善，直至完成頂層的本體構建；自頂向下的方法與之相反，先確定最高層的概念框架即本體模式層，然后將獲取的實體與本體層融合。

本研究構建的知識圖譜以中職“信息技術”課程為例，該課程作為基礎必修課有著重要地位，應考慮破除知識本位現狀。以培養學生深度學習能力為目的，知識圖譜構建既需注重縱向知識的層次等級，也不能忽視橫向知識的相互關聯；另外，由于數據源為非結構化數據且相關自動化技術適應性不強，因此本研究整體采用自底向上和自頂向下兩者結合的方式、采取手工構建，主要的構建過程包括前期準備、結構設計、整體建構三個階段。

2.1 前期準備

前期準備工作在形成初步構建意圖之上確定相應的工作內容，包括構建工具、構建人員以及數據來源等。

構建工具采用Protégé，該工具中的可視化插件“OntoGraf”和“OWLViz”可以方便理清知識結構，能夠清晰呈現模式層以及數據層的知識關系。

課程知識圖譜實體有其領域限制，且在核心素養理念指導下，教學目標類知識需要著重把握。所以，知識圖譜的構建任務先由一名碩士生在任課教師指導下初步完成，再由領域內的專家負責核對和完善。

數據來源主要依靠課程教材和教學大綱，同時會依據知識點難度結合相關教學資源以豐富學生認知。其中，課程教材為2020 年新課標指導下馬成榮主編《信息技術》上下冊，由江蘇鳳凰教育出版社出版；教學資源是與“信息技術”課程相關的課件、微課、教案等。

2.2 結構設計

知識圖譜結構設計的本質是對數據層和模式層內的知識單元及其關系進行設計和規劃。可以從兩方面思考。①要明確目的。構建完整的課程知識圖譜不僅要清晰地呈現知識點之間的關系，而且要允許個性化選擇學習路徑，從而達到深度學習的目的。②弄清數據源的特點。“信息技術”課程知識點散、亂、雜，彼此之間關系不明顯且界限模糊，容易出現記憶混亂的情況，不利于學生系統掌握。

本研究依據以上原因，在參考現有課程知識圖譜構建研究[6,7]的基礎上設計了圖譜的整體結構。由圖1可知，知識單元包括章、節、知識組、知識點四類，知識單元之間存在包含、順序、相關以及等價四種關系。

圖1 課程知識圖譜結構設計

首先，模式層體現為本體設計。一門課程由眾多章節和知識點組成，本體主要表現為概念性知識及其關系，本研究依據知識點分布情況又抽象出知識組，因而模式層的知識單元包括章、節、知識組。在縱向關系上，一章由多節組成，而一節又含有多個知識組，章與節、節與知識組之間屬于包含關系，也可以理解為父類與子類的關系。在橫向關系上，章、節、知識組同級別之間屬于順序關系，要想開始某章、某節或某個知識組的學習必須掌握先前的章、節或知識組的內容，即后面章、節、知識組的學習依賴于先前的章、節、知識組的掌握程度，存在明顯的先后順序。

另外，數據層是實例化的體現。最明顯的特點是僅由具體的知識點所組成且知識點間無明顯的縱橫向之分，以三種語義關系為主：順序關系，可理解為后續知識點的學習需在先前知識點的積累基礎上展開；等價關系，表明抽取出的實體雖不同卻是指向同一知識點，例如“信息技術”與“IT”；相關關系，即知識點之間無明顯的包含、順序或等價關系，卻存在一定的關聯性。

2.3 整體建構

知識圖譜的整體建構著重關注類、實體、屬性、關系這四個方面，分本體構建、知識擴充和知識保存三個步驟。首先，依據結構設計完成模式層的構建，以自頂向下的方式展開。具體表現為依據教材內容的分布結構，整理出章、節和知識組，以類的形式存儲，建立本體知識集。其次，以自底向上的方式統整教材內容抽取出數據層知識點，表現形式為實體和屬性。之后確定類、實體、屬性之間的關系，形成實體或屬性三元組，完成知識擴充。最后，利用Protégé 完成圖譜的構建、推理、檢驗和可視化，并保存為OWL 和GRAPH文件。

2.3.1 本體構建

本文研究的“信息技術”課程知識圖譜包括8 章、30 節，55 個知識組（抽取）。本體構建部分主要體現章、節、知識組這三類知識單元之間的包含關系，即父類和子類的關系（SubClassOf關系），如圖2所示。

一般來說，教材的章節目錄可以恰當體現課程知識單元，如圖2 中的“數據處理”和“數據采集”、“數據加工”、“數據分析”、“大數據”就是源自章名和節名，且后者為前者的子類。但是，由于教材中目錄存在知識單元概念不清晰、混合的情況，本體的構建不能完全依賴于此，需在分析教學大綱的目標要求和教材內容的基礎上，依據知識特點來整理和融合。例如在“數字媒體技術應用”一章中，“數字媒體基礎知識”一節中糅合了“圖像”、“音頻”和“視頻”三節的知識，不利于知識組的抽取，此時，可從“基礎知識”一節中抽取出“圖像基礎知識”、“音頻基礎知識”和“視頻基礎知識”知識組并分別作為“圖像”、“音頻”和“視頻”三節的子類。

2.3.2 知識擴充

知識擴充體現為數據層與模式層的融合，采用自底向上的構建方式，本課程知識圖譜共抽取出知識點289 個。數據層在模式層的約束下，主要完成<實體，關系，實體>，<實體，屬性，屬性值>三元組的抽取。

本課程知識圖譜包含四種語義關系。①包含關系：<實體1，SubClass_Of，實體2>，表示“實體1”是“實體2”的子類。②順序關系：<實體1，Depend_On，實體2>，表示“實體1”依賴于“實體2”，想開始“實體1”的學習必須先完成“實體2”的學習。③相關關系：<實體1，Relate_To，實體2>，表示“實體1”和“實體2”之間存在某種關聯。④等價關系：<實體1，Equivalent_To，實體2>，表示“實體1”和“實體2”指向一致。其中，“SubClass_Of”和“Depend_On”具有傳遞性，“Relate_To”和“Equivalent_To”具有對稱性。

以“程序設計入門”一章為例，此章被抽取歸納為兩節，分別是“程序設計基礎知識”和“Python語言”，自頂向下結合章節教學目標又概括出七個知識組以及24 個知識點。從邏輯結構的角度出發理解本章知識圖譜的語義關系，可發現模式層以包含關系為主，數據層則涉及包含關系、順序關系以及相關關系，在本章沒有等價關系。從圖3 可以看出，“算法”是本章的基本知識點，其他知識點在此基礎上展開，符合深度學習由淺及深的特性。除了基本的語義關系構建，本課程知識圖譜還為難度較大的知識點附加了“資源鏈接”屬性，如圖3針對“創建類和對象”實體，構建了<創建類和對象，資源鏈接，小球彈跳游戲程序代碼>三元組。

圖3 “程序設計入門”一章中知識點之間關系的可視化

2.3.3 知識保存

初步構建知識圖譜后，利用Protégé 的推理功能，消除語義關系的不一致性后，由教師和專家對其進行評估、測試和修改。最后，將課程知識圖譜保存為OWL文件格式，為后續圖譜的擴展和完善作保障。

3 結束語

為培養中職學生深度學習能力，可使用課程知識圖譜輔助教學。本文從數據層和模式層出發設計圖譜結構，包含章、節、知識組、知識點四種知識單元，知識單元間含有順序、包含、相關、等價四類語義關系；選取中職“信息技術”課程，采取自底向上和自頂向下相結合的方式、利用Protégé工具完成了課程知識圖譜的構建。構建完成的課程知識圖譜作為數字化教育資源可實現關鍵知識呈現、課程資源檢索，嵌入在線學習推薦系統有助于形成個人認知地圖、完成個性化資源推薦，為深度學習的實現做支撐。