基于知識圖譜的在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)

任志文，劉家杉，張善文

（西京學(xué)院 電子信息學(xué)院，陜西西安，710123）

0 引言

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使人類逐步步入現(xiàn)代化，而現(xiàn)代化讓信息的傳播更為快速，也正因此，讓我們與互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)系越來越密切。實現(xiàn)高效的學(xué)習(xí)成為我們需要解決的問題，傳統(tǒng)的“你聽我講”的學(xué)習(xí)方式的弊端日益凸顯。在當(dāng)今的信息化時代，在線學(xué)習(xí)將會成為今后的一種非常重要的學(xué)習(xí)方式，在線學(xué)習(xí)是一種不受時間約束的學(xué)習(xí)方式，學(xué)習(xí)者只需一臺計算機即可進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。它屬于數(shù)字化學(xué)習(xí)，但同時也具有自身的獨特價值，即學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)場所更加廣泛而不只是局限在教室里或者是書桌前。將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與學(xué)習(xí)結(jié)合起來將成為一種理想的、高效的學(xué)習(xí)方式，越來越多的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到教育領(lǐng)域也更加推動了教育信息化的發(fā)展。

1 相關(guān)技術(shù)研究

Google在2012年提出了知識圖譜的概念。一般認(rèn)為，知識圖譜以實體或者屬性作為結(jié)點，實體間的關(guān)系或者屬性值作為鏈接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，形成了一種強關(guān)聯(lián)性的、復(fù)雜的、結(jié)構(gòu)化的知識庫，是語義網(wǎng)的一種。按照其應(yīng)用領(lǐng)域和覆蓋范圍不同分為兩類，分別是通用知識圖譜和領(lǐng)域知識圖譜。知識圖譜內(nèi)容一般是三元組提供的，形如：

其中G是關(guān)系三元組，Enthead是三元組中的頭實體，Enttail是三元組中的尾實體，Rel是頭實體與尾實體間的關(guān)系，知識圖譜蘊含大量相互關(guān)聯(lián)的三元組信息。

自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)是指學(xué)習(xí)系統(tǒng)在使用的過程中，自適應(yīng)學(xué)習(xí)強調(diào)學(xué)習(xí)者之間的不同學(xué)習(xí)特征，依靠大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能對學(xué)習(xí)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而對學(xué)習(xí)者進(jìn)行貼標(biāo)簽，再根據(jù)學(xué)習(xí)者的自身學(xué)習(xí)習(xí)慣和學(xué)習(xí)特征的數(shù)據(jù)信息和學(xué)習(xí)者的標(biāo)簽，自動的調(diào)整學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)順序、學(xué)習(xí)方法、學(xué)習(xí)約束、學(xué)習(xí)資源等，使得最終的學(xué)習(xí)路徑與學(xué)習(xí)者的特征相適應(yīng)，得出學(xué)習(xí)者的最佳學(xué)習(xí)路徑。

2 系統(tǒng)模型設(shè)計

實現(xiàn)在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)需要用大人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)的支持，參考ALEKS自適應(yīng)學(xué)習(xí)平臺，本系統(tǒng)的模型框架如圖1所示。

圖1 自適應(yīng)學(xué)習(xí)模型框架

自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)是由學(xué)習(xí)者模型、知識模型、自適應(yīng)引擎和交互界面模型構(gòu)成的。

學(xué)習(xí)者模型是一種用來表征學(xué)習(xí)者當(dāng)前學(xué)習(xí)特征和學(xué)習(xí)行為的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以反映出學(xué)習(xí)者的個體特征學(xué)習(xí)習(xí)慣、學(xué)習(xí)特征以及認(rèn)知能力，本文按照《GB/T29805-2013信息技術(shù)學(xué)習(xí)、教育和培訓(xùn)學(xué)習(xí)者模型》來進(jìn)行學(xué)習(xí)者模型的搭建。

知識模型是實現(xiàn)自適應(yīng)學(xué)習(xí)的關(guān)鍵一步，為自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)提供知識庫，以課程知識為中心構(gòu)建知識圖譜，涵蓋課本所有知識點的同時包括部分網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，在學(xué)習(xí)課本的同時可以靈活的學(xué)習(xí)課程以外的知識點，擴大知識面。

自適應(yīng)引擎是實現(xiàn)個性化學(xué)習(xí)的核心。一方面根據(jù)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)特征和知識模型結(jié)構(gòu)，進(jìn)行學(xué)習(xí)內(nèi)容的推送和學(xué)習(xí)順序的調(diào)整，通過交互界面展示給學(xué)習(xí)者，另一方面自適應(yīng)引擎會依據(jù)學(xué)習(xí)者的上一階段的學(xué)習(xí)情況對知識模型和學(xué)習(xí)者模型進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。

界面交互模型是系統(tǒng)的人機交互功能，學(xué)習(xí)者可以將學(xué)習(xí)需求和學(xué)習(xí)進(jìn)度反饋到系統(tǒng)之中。該模型既可以將自適應(yīng)引擎基于推送的學(xué)習(xí)資源展現(xiàn)到學(xué)習(xí)者眼前，方便學(xué)習(xí)者進(jìn)行學(xué)習(xí)，又可以使管理者進(jìn)行管理。

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)與設(shè)計

■3.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

知識圖譜是以圖結(jié)構(gòu)來進(jìn)行數(shù)據(jù)表示的，而圖關(guān)系數(shù)據(jù)庫的關(guān)系、節(jié)點、屬性三種元素，與知識圖譜的實體-關(guān)系-實體結(jié)構(gòu)恰好相互對應(yīng)，所以將教育知識圖譜中的數(shù)據(jù)按照圖的結(jié)構(gòu)來進(jìn)行儲存。在眾多的圖數(shù)據(jù)庫中功能最強的是Neo4j圖形數(shù)據(jù)庫，利用Neo4j作為知識圖譜的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。學(xué)習(xí)者的個人信息和人機交互信息等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)選擇SQL Sever進(jìn)行存儲。

Neo4j和SQL Sever兩種數(shù)據(jù)庫中分別存儲知識點關(guān)聯(lián)信息和學(xué)習(xí)者信息，這些信息將會被用于知識圖譜的更新，個性化學(xué)習(xí)路徑的規(guī)劃與改善等方面，也會用于后期完善和對系統(tǒng)的再次開發(fā)之中。

其中Neo4j中存儲的是《數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概論》之中的知識點以及關(guān)聯(lián)信息，如圖2所示。

圖2 《數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概論》部分知識圖譜展示

SQL Sever主要存儲學(xué)習(xí)者信息和人機交互信息主要數(shù)據(jù)表設(shè)計如下：

（1）sign表：可以查看用戶簽到的時間等信息。

表1 sign表

（2）user表：可以查看用戶的個人信息。

表2 user表

（3）test表：用于設(shè)置考試測評界面的。

表3 test表

（4）knowledge表：用于系統(tǒng)內(nèi)學(xué)習(xí)資源的評價。

表4 knowledge表

表5 resource庫

（6）access表：用于記錄學(xué)習(xí)資源訪問情況以及學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)相應(yīng)資源是多耗費的時間。

表6 access庫

■3.2 功能模塊設(shè)計

系統(tǒng)功能模塊主要分為兩個部分，分別是管理模塊和學(xué)習(xí)者模塊，其中管理模塊供給老師等教學(xué)管理者使用，管理者通過管理模塊對知識圖譜、學(xué)習(xí)者注冊和學(xué)習(xí)者信息等進(jìn)行統(tǒng)一管理；學(xué)習(xí)者模塊供給學(xué)生等學(xué)習(xí)者使用，提供個人注冊、在線學(xué)習(xí)等功能。

設(shè)計的學(xué)習(xí)者模塊如圖3所示。

圖3 學(xué)習(xí)者模塊

（5）resource表：用于儲存學(xué)習(xí)資源以及學(xué)習(xí)資源的簡介、地址等信息。

根據(jù)需求學(xué)習(xí)者模塊由注冊模塊、學(xué)習(xí)模塊、學(xué)習(xí)者個人信息管理模塊三大模塊組成各個模塊的實現(xiàn)功能如下：

注冊模塊用來實現(xiàn)學(xué)習(xí)者注冊，需要填寫一些個人信息以便完成注冊，在完成注冊后，需要填寫相關(guān)學(xué)習(xí)經(jīng)歷并且進(jìn)行相關(guān)基礎(chǔ)測試，系統(tǒng)根據(jù)測試的成績和學(xué)習(xí)經(jīng)歷對學(xué)習(xí)者進(jìn)行初始的數(shù)據(jù)分析。

學(xué)習(xí)者信息管理模塊可以對學(xué)習(xí)者個人信息進(jìn)行維護(hù)與更新，可以增加新的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，可以手動更新自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度，也可以選擇新的學(xué)習(xí)背景，自適應(yīng)引擎可以根據(jù)新數(shù)據(jù)變化做出新的個性化學(xué)習(xí)路徑推薦。

學(xué)習(xí)模塊用來進(jìn)行學(xué)習(xí)者在線學(xué)習(xí)，可以選擇不同的教學(xué)資源進(jìn)行學(xué)習(xí)，可以按照系統(tǒng)給出 的順序進(jìn)行學(xué)習(xí)，也可以按照學(xué)習(xí)者自身的需求或是個人興趣進(jìn)行跳躍式的學(xué)習(xí)。在選擇跳躍學(xué)習(xí)后，系統(tǒng)會再次更新學(xué)習(xí)資源的推薦。學(xué)習(xí)模塊又細(xì)分為系統(tǒng)推薦、學(xué)習(xí)推薦、學(xué)習(xí)歷史三個部分。其中，系統(tǒng)推薦的作用是實現(xiàn)系統(tǒng)向?qū)W習(xí)者推薦整條學(xué)習(xí)路徑，提供一種或者多種路徑供學(xué)習(xí)者選擇，在選擇學(xué)習(xí)路徑之后就需要進(jìn)行具體知識點的選擇；學(xué)習(xí)推薦的作用是向?qū)W習(xí)者具體的展示所需要學(xué)習(xí)的知識點的資源名稱、資源地址、資源路徑等學(xué)習(xí)資源的信息以及系統(tǒng)推薦的學(xué)習(xí)順序，學(xué)習(xí)者可以自由的選擇自己想要學(xué)習(xí)的知識點，也可以按照推薦順序進(jìn)行學(xué)習(xí)；學(xué)習(xí)歷史的作用則是可以查看學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中已經(jīng)學(xué)習(xí)的部分，且可以對已學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行再次學(xué)習(xí)，以到達(dá)加深學(xué)習(xí)效果的目的。

最終的學(xué)習(xí)推薦效果如圖4所示。

圖4 學(xué)習(xí)模塊頁面展示

設(shè)計的管理功能模塊如圖5所示。

圖5 管理功能模塊

管理模塊是管理者管理系統(tǒng)的工具，管理者可以通過管理模塊對知識圖譜進(jìn)行修改、可以進(jìn)行學(xué)習(xí)資源的上架或是刪除、可以修改注冊過程、基礎(chǔ)測試題目和用戶信息等。其中各個模塊所實現(xiàn)的功能如下：

知識圖譜模塊是以王珊教授、薩師煊教授所著的《數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概論》作為試點課程，將教材內(nèi)的知識點構(gòu)建出較為完整的學(xué)科知識圖譜。通過知識圖譜管理模塊，管理員可以手動的進(jìn)行課程知識圖譜知識點的新增、刪除，可以根據(jù)學(xué)習(xí)依賴關(guān)系進(jìn)行知識點之間的聯(lián)系調(diào)整等關(guān)于課程知識圖譜的操作，從而使得系統(tǒng)越來越完善。

學(xué)習(xí)資源管理模塊是通過管理員對開放資源進(jìn)行科學(xué)性和正確性的審核后可以通過學(xué)習(xí)資源管理模塊，從而將系統(tǒng)內(nèi)已有的、不符合要求的、不合理的學(xué)習(xí)資源刪除，將系統(tǒng)之外的符合要求的開放學(xué)習(xí)資源添加到系統(tǒng)之中，諸如教學(xué)視頻、教學(xué)PPT、百度百科等網(wǎng)絡(luò)開放學(xué)習(xí)資源，使系統(tǒng)中的學(xué)習(xí)資源覆蓋面更廣。

注冊管理模塊的作用是修改學(xué)習(xí)者在注冊時輸入的部分信息，根據(jù)學(xué)習(xí)者的反饋意見和系統(tǒng)運行的實際效果，修改在注冊過程中的學(xué)科基礎(chǔ)測試題目的內(nèi)容，使新使用系統(tǒng)的學(xué)習(xí)者有更加優(yōu)良的學(xué)習(xí)效果。

用戶信息管理模塊的作用是管理員通過模塊查看并且管理學(xué)習(xí)者的個人信息，幫助學(xué)習(xí)系統(tǒng)用戶完成密碼重置、用戶注銷等在學(xué)習(xí)者模塊中不可以進(jìn)行的操作。

最終實現(xiàn)的管理模塊如圖6所示。

圖6 管理模塊頁面展示

4 總結(jié)

本文介紹了提出了基于知識圖譜的自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的構(gòu)建思路，并且初步實現(xiàn)了自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，結(jié)果表明該系統(tǒng)可以提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效率，可以按照學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)個性安排學(xué)習(xí)路線，交互界面簡潔易操作。作者將繼續(xù)研究從學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)行為到學(xué)習(xí)者模型的轉(zhuǎn)換速度，繼續(xù)規(guī)范模型設(shè)計，使模型設(shè)計更加科學(xué)，加大系統(tǒng)推廣范圍，根據(jù)學(xué)習(xí)者在使用過程中的建議與意見繼續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)。