淺談虛擬教研室中知識(shí)圖譜的搭建與應(yīng)用

呂銀云，朱亞先

1 廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，福建 廈門 361005

2 化學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(廈門大學(xué))，福建 廈門 361005

知識(shí)圖譜(Knowledge Graph)，以圖結(jié)構(gòu)的形式來(lái)表示知識(shí)，涵蓋了實(shí)體、概念及其相互間的語(yǔ)義關(guān)系，由谷歌于2012年提出并運(yùn)用到搜索引擎中[1]。知識(shí)圖譜是人工智能知識(shí)工程領(lǐng)域發(fā)展的最新技術(shù)成果，是進(jìn)行知識(shí)管理、分析與服務(wù)的系統(tǒng)性方法。基于知識(shí)圖譜，可以將每個(gè)專業(yè)的知識(shí)體系科學(xué)合理地組織為專業(yè)知識(shí)體系圖譜，形成知識(shí)領(lǐng)域、知識(shí)單元、知識(shí)點(diǎn)的層級(jí)嵌套與網(wǎng)狀知識(shí)結(jié)構(gòu)組織，為人才培養(yǎng)和教學(xué)活動(dòng)提供全方位的科學(xué)精準(zhǔn)服務(wù)支持。

于2022年2月和5月，教育部分兩批公布了657個(gè)虛擬教研室建設(shè)試點(diǎn)，啟動(dòng)了虛擬教研室建設(shè)，探索信息技術(shù)條件下基層教學(xué)組織建設(shè)的新形態(tài)和新模式。特別提出構(gòu)建知識(shí)圖譜的要求，希望各教研室以課程為切入點(diǎn)，系統(tǒng)梳理相關(guān)課程的知識(shí)體系、知識(shí)、知識(shí)關(guān)聯(lián)，利用虛擬教研室平臺(tái)提供的工具構(gòu)建知識(shí)圖譜，為開展教學(xué)研討、共建教學(xué)資源提供參考。

化學(xué)類專業(yè)基礎(chǔ)理論課程虛擬教研室為教育部首批建設(shè)虛擬教研室，其旨在研究化學(xué)基礎(chǔ)理論課程知識(shí)體系的本質(zhì)與規(guī)律、知識(shí)結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系，更新基礎(chǔ)理論教學(xué)內(nèi)容；探索化學(xué)類一流專業(yè)及一流課程建設(shè)中基礎(chǔ)理論課程教學(xué)模式；研制化學(xué)基礎(chǔ)理論課“課程標(biāo)準(zhǔn)”與“教學(xué)建議”；探索虛擬教研室的運(yùn)行模式以及跨校、跨地域的教研交流模式，共建優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊(duì)，共享優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源。

為了更好地梳理化學(xué)類相關(guān)理論課程的知識(shí)體系和相互關(guān)聯(lián)，化學(xué)類專業(yè)基礎(chǔ)理論課程虛擬教研室以2013-2017年教育部高等學(xué)校化學(xué)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)制定的《化學(xué)類專業(yè)化學(xué)理論教學(xué)建議內(nèi)容》[2]為切入點(diǎn)建設(shè)知識(shí)圖譜。本文簡(jiǎn)要介紹如何利用虛擬教研室平臺(tái)提供的工具創(chuàng)建“化學(xué)類專業(yè)化學(xué)理論教學(xué)建議內(nèi)容知識(shí)圖譜”。

1 知識(shí)圖譜基本概念

知識(shí)圖譜包括知識(shí)領(lǐng)域、知識(shí)單元、知識(shí)點(diǎn)，知識(shí)領(lǐng)域是關(guān)于某一領(lǐng)域或某一主題的知識(shí)范疇，可以是一門課程、一本教材等；知識(shí)單元是構(gòu)成知識(shí)領(lǐng)域的最基本單元形態(tài)，可以是一章內(nèi)容、一節(jié)內(nèi)容等；知識(shí)點(diǎn)是知識(shí)的最小單元，相對(duì)自包含的完整結(jié)構(gòu)，可與其他知識(shí)點(diǎn)產(chǎn)生關(guān)系。

專業(yè)知識(shí)體系知識(shí)圖譜將課程為中心的知識(shí)內(nèi)容精細(xì)化到知識(shí)領(lǐng)域、知識(shí)單元、知識(shí)點(diǎn)，以知識(shí)單元、知識(shí)點(diǎn)為基礎(chǔ)，利用知識(shí)圖譜技術(shù)，構(gòu)建知識(shí)領(lǐng)域的知識(shí)體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)課程之間的“知識(shí)單元”與“知識(shí)點(diǎn)”層次的關(guān)聯(lián)，最終建立全專業(yè)知識(shí)體系知識(shí)圖譜(圖1)。

圖1 知識(shí)圖譜基本框架

2 教育知識(shí)圖譜服務(wù)平臺(tái)界面介紹

教育部虛擬教研室平臺(tái)提供了創(chuàng)建知識(shí)圖譜的工具——教育知識(shí)圖譜服務(wù)平臺(tái)，它旨在面向多領(lǐng)域、多學(xué)科，為用戶提供簡(jiǎn)單、易操作的編輯工具。通過(guò)平臺(tái)工具，用戶能夠構(gòu)建全面多層級(jí)的學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)圖譜。平臺(tái)融入了人工智能技術(shù)，能在構(gòu)建圖譜的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)上傳文本內(nèi)容智能識(shí)別、知識(shí)挖掘、自動(dòng)抽取、關(guān)系匹配等功能。同時(shí)為用戶提供團(tuán)隊(duì)在線協(xié)作功能，凝聚多方智慧協(xié)同搭建完成知識(shí)圖譜。

教育知識(shí)圖譜服務(wù)平臺(tái)界面如圖2所示，登錄虛擬教研室平臺(tái)，點(diǎn)擊左側(cè)“知識(shí)圖譜”，右側(cè)會(huì)出現(xiàn)菜單欄。主菜單欄包括“文件”“結(jié)構(gòu)”“視圖”“挖掘”“協(xié)作”等5個(gè)部分，下面對(duì)各部分進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

圖2 知識(shí)圖譜服務(wù)平臺(tái)界面介紹

2.1 文件

知識(shí)圖譜可以另存為新圖譜、導(dǎo)出為edg文件、直接發(fā)布。

2.2 結(jié)構(gòu)

對(duì)知識(shí)圖譜進(jìn)行編輯，插入知識(shí)單元、知識(shí)點(diǎn)等，刪除節(jié)點(diǎn)，給知識(shí)點(diǎn)之間添加關(guān)系。

2.3 視圖

知識(shí)圖譜的不同呈現(xiàn)形式，給知識(shí)單元或知識(shí)點(diǎn)排序。

2.4 挖掘

對(duì)上傳的文本素材進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，自動(dòng)挖掘知識(shí)單元、知識(shí)點(diǎn)、知識(shí)點(diǎn)描述、知識(shí)點(diǎn)之前的關(guān)系。

2.5 協(xié)作

將知識(shí)單元分配給團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的補(bǔ)充和描述，可以層層分配，逐級(jí)提交和審核，最后由知識(shí)圖譜所有者進(jìn)行圖譜發(fā)布。

3 知識(shí)圖譜創(chuàng)建流程

知識(shí)圖譜的創(chuàng)建流程包括新建知識(shí)領(lǐng)域、創(chuàng)建知識(shí)單元、創(chuàng)建知識(shí)點(diǎn)、知識(shí)點(diǎn)描述、添加關(guān)系、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等6個(gè)步驟，大致流程如圖3，詳細(xì)創(chuàng)建步驟可以查閱“教育知識(shí)圖譜服務(wù)平臺(tái)操作手冊(cè)”[3]。

圖3 知識(shí)圖譜創(chuàng)建流程圖

3.1 新建知識(shí)領(lǐng)域

當(dāng)用戶登錄進(jìn)入系統(tǒng)后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶所屬的項(xiàng)目組(項(xiàng)目組及成員統(tǒng)一由管理員創(chuàng)建)，顯示所在項(xiàng)目組中全部知識(shí)圖譜(知識(shí)圖譜統(tǒng)一由管理員創(chuàng)建)，每個(gè)管理員可以新建20個(gè)知識(shí)圖譜。從首頁(yè)新建知識(shí)圖譜。

3.2 創(chuàng)建知識(shí)單元

知識(shí)單元的創(chuàng)建分為手動(dòng)方式和自動(dòng)方式。手動(dòng)方式通過(guò)手動(dòng)輸入名稱創(chuàng)建知識(shí)單元，點(diǎn)擊圖2“結(jié)構(gòu)”菜單，選中要插入知識(shí)單元的節(jié)點(diǎn)，插入同級(jí)或者下級(jí)知識(shí)單元，輸入名稱；自動(dòng)方式通過(guò)圖像識(shí)別和內(nèi)容抽取方式，點(diǎn)擊圖2“挖掘”菜單，在“文本素材”中添加可挖掘的文本目錄，再在“目錄識(shí)別”中進(jìn)行新建和校對(duì)。

3.3 創(chuàng)建知識(shí)點(diǎn)

知識(shí)點(diǎn)的創(chuàng)建分為手動(dòng)方式和自動(dòng)方式。手動(dòng)方式通過(guò)手動(dòng)輸入名稱創(chuàng)建知識(shí)點(diǎn)，點(diǎn)擊圖2“結(jié)構(gòu)”菜單，選中要插入知識(shí)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)，插入同級(jí)或者下級(jí)知識(shí)點(diǎn)，輸入名稱；自動(dòng)方式通過(guò)圖像識(shí)別和內(nèi)容抽取方式，自動(dòng)將相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)智能歸屬到知識(shí)單元上，點(diǎn)擊圖2“挖掘”菜單，在“知識(shí)點(diǎn)挖掘”中新建和校對(duì)，在“智能歸屬”中新建和校對(duì)。

3.4 知識(shí)點(diǎn)描述

添加知識(shí)點(diǎn)描述分為手動(dòng)方式和自動(dòng)方式。手動(dòng)方式為在知識(shí)圖譜中點(diǎn)擊知識(shí)單元或知識(shí)點(diǎn)，在右側(cè)可以添加知識(shí)點(diǎn)描述；自動(dòng)方式點(diǎn)擊圖2“挖掘”菜單，在“定義抽取”中新建和校對(duì)。

3.5 添加關(guān)系

在知識(shí)樹中可以添加關(guān)聯(lián)和后序，關(guān)聯(lián)表示內(nèi)容有關(guān)聯(lián)關(guān)系，后序表示先后邏輯關(guān)系，節(jié)點(diǎn)之間關(guān)系添加分為手動(dòng)方式和自動(dòng)方式。手動(dòng)方式點(diǎn)擊圖2“結(jié)構(gòu)”菜單，在“關(guān)系”中，選中圖譜中的節(jié)點(diǎn)，再選中右側(cè)與其關(guān)聯(lián)的節(jié)點(diǎn)，在彈出框中選擇關(guān)系類型；自動(dòng)方式點(diǎn)擊圖2“挖掘”菜單，在“關(guān)系挖掘”中進(jìn)行新建和校對(duì)。

3.6 團(tuán)隊(duì)協(xié)作

知識(shí)圖譜提供團(tuán)隊(duì)成員協(xié)作功能，每個(gè)圖譜可以通過(guò)團(tuán)隊(duì)協(xié)作完成，點(diǎn)擊“分配”，可以把需要編輯的子樹分配給任務(wù)接收人，任務(wù)接收人可以繼續(xù)分配，完成任務(wù)后可以提交，對(duì)提交的知識(shí)圖譜進(jìn)行審核。

根據(jù)知識(shí)圖譜創(chuàng)建流程，我們將《化學(xué)類專業(yè)化學(xué)理論教學(xué)建議內(nèi)容》搭建為“化學(xué)類專業(yè)化學(xué)理論教學(xué)建議內(nèi)容知識(shí)圖譜”。建議內(nèi)容知識(shí)圖譜共560個(gè)節(jié)點(diǎn)、153個(gè)知識(shí)單元、407個(gè)知識(shí)點(diǎn)、561個(gè)關(guān)系，視圖窗口中可以查看知識(shí)圖譜的不同呈現(xiàn)形式：知識(shí)樹視圖、關(guān)系圖、知識(shí)點(diǎn)視圖(圖4-6)。

圖4 “化學(xué)類專業(yè)化學(xué)理論教學(xué)建議內(nèi)容知識(shí)圖譜”知識(shí)樹視圖

圖5 “化學(xué)類專業(yè)化學(xué)理論教學(xué)建議內(nèi)容知識(shí)圖譜”關(guān)系圖

圖6 “化學(xué)類專業(yè)化學(xué)理論教學(xué)建議內(nèi)容知識(shí)圖譜”知識(shí)點(diǎn)視圖

知識(shí)樹視圖如圖4，從知識(shí)樹視圖中可以看到整個(gè)知識(shí)圖譜的層級(jí)結(jié)構(gòu)，右鍵點(diǎn)擊知識(shí)單元或知識(shí)點(diǎn)，在下拉框中選擇“查看描述”，可以添加文本、鏈接、圖片、視頻等；選擇“復(fù)制”，可以將知識(shí)單元或知識(shí)點(diǎn)自主組合成新的知識(shí)圖譜，有利于知識(shí)點(diǎn)的重新整合；選擇“查看關(guān)系”可以看到當(dāng)前知識(shí)點(diǎn)的關(guān)系邏輯。對(duì)知識(shí)單元或知識(shí)點(diǎn)添加描述或添加關(guān)系只能在知識(shí)樹視圖中操作。

關(guān)系圖如圖5，關(guān)系圖用不同顏色表示不同層級(jí)的知識(shí)單元和知識(shí)點(diǎn)，便于識(shí)別。從關(guān)系圖中可以看到各知識(shí)點(diǎn)和知識(shí)單元之間的關(guān)系，可以拖拽知識(shí)點(diǎn)或知識(shí)單元，可以選擇查看關(guān)系類型。右鍵點(diǎn)擊知識(shí)單元或知識(shí)點(diǎn)，在下拉框中選擇“前往知識(shí)樹”會(huì)跳轉(zhuǎn)到知識(shí)樹并定位到該知識(shí)單元或知識(shí)點(diǎn)，在知識(shí)樹視圖中進(jìn)行關(guān)系的添加或修改。

知識(shí)點(diǎn)視圖如圖6，從知識(shí)點(diǎn)視圖中可以看到知識(shí)圖譜所有的知識(shí)點(diǎn)，可以查找、刪除知識(shí)點(diǎn)，右鍵點(diǎn)擊知識(shí)點(diǎn)，在下拉框中選擇“查看”，可以查看知識(shí)點(diǎn)描述，若要修改描述要跳轉(zhuǎn)到知識(shí)樹視圖中修改；選擇“編輯”可以修改知識(shí)點(diǎn)名稱；選擇“歸屬”可以重新定義知識(shí)點(diǎn)和知識(shí)單元的歸屬，點(diǎn)擊“前往”，會(huì)跳轉(zhuǎn)到知識(shí)樹并定位到該知識(shí)單元或知識(shí)點(diǎn)。

4 知識(shí)圖譜的應(yīng)用

知識(shí)圖譜通過(guò)信息抽取、知識(shí)加工等技術(shù)將某些非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)構(gòu)建為知識(shí)圖譜，其結(jié)構(gòu)化、關(guān)聯(lián)化的狀態(tài)更便于我們對(duì)知識(shí)的組織和管理，因此，知識(shí)圖譜在課程建設(shè)、資源建設(shè)、教材編寫等方面具有廣泛的應(yīng)用。

4.1 知識(shí)圖譜在課程建設(shè)中的應(yīng)用

4.1.1 輔助培養(yǎng)方案的制定

將課程內(nèi)容按章節(jié)分為知識(shí)領(lǐng)域、知識(shí)單元、知識(shí)點(diǎn)，對(duì)各知識(shí)點(diǎn)添加描述，形成完整的課程知識(shí)體系，通過(guò)可視化的結(jié)構(gòu)關(guān)系，遴選知識(shí)點(diǎn)，輔助培養(yǎng)方案的制定。

4.1.2 輔助課程平臺(tái)建設(shè)

知識(shí)圖譜可以輔助課程組內(nèi)老師進(jìn)行課程平臺(tái)的建設(shè)，老師們可以將每周上課內(nèi)容作為一個(gè)知識(shí)單元，課前準(zhǔn)備、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)考查等作為子知識(shí)單元，將教學(xué)課件、教學(xué)視頻、作業(yè)、習(xí)題、測(cè)試題等作為知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行添加和綁定，課程組內(nèi)的老師可以對(duì)各知識(shí)點(diǎn)的描述進(jìn)行補(bǔ)充、修改，有利于老師們對(duì)課程內(nèi)容的梳理及課程資源的共建共享。

4.1.3 輔助各類教學(xué)比賽的組織

可以抽取課程知識(shí)圖譜中的知識(shí)點(diǎn)作為教學(xué)比賽的內(nèi)容，優(yōu)秀教學(xué)案例和視頻也可作為知識(shí)點(diǎn)的補(bǔ)充，不斷完善，指導(dǎo)示范課建設(shè)。

4.2 知識(shí)圖譜在資源建設(shè)中的應(yīng)用

可建立教學(xué)資源庫(kù)知識(shí)圖譜，按不同類別搜集各類教學(xué)課件、視頻、案例、題庫(kù)，設(shè)計(jì)錄制數(shù)字資源等，在協(xié)同教研、資源建設(shè)方面可以發(fā)揮重要作用。

4.3 知識(shí)圖譜在教材中的應(yīng)用

基于建設(shè)好的課程知識(shí)圖譜，可對(duì)已有教材進(jìn)行審閱，修訂提高；可以遴選知識(shí)點(diǎn)規(guī)劃新教材的編寫；還可以通過(guò)知識(shí)體系的對(duì)比，開展教材相關(guān)的教學(xué)研究工作。

綜上所述，“化學(xué)類專業(yè)化學(xué)理論教學(xué)建議內(nèi)容知識(shí)圖譜”可以輔助課程建設(shè)：通過(guò)遴選知識(shí)圖譜中的知識(shí)點(diǎn)，輔助制定本科生培養(yǎng)方案；可將各類資源添加綁定到知識(shí)點(diǎn)，形成完備的知識(shí)庫(kù)，有利于各課程內(nèi)容之間的共建共享、融會(huì)貫通；也可將各知識(shí)點(diǎn)整合組織，為教材的審閱和新教材的編寫提供參考。

5 結(jié)語(yǔ)

知識(shí)圖譜是一系列靜態(tài)或動(dòng)態(tài)圖譜形式的圖形，旨在通過(guò)可視化技術(shù)對(duì)知識(shí)結(jié)構(gòu)以及知識(shí)發(fā)展進(jìn)程進(jìn)行直觀描述。本文闡述了知識(shí)圖譜的創(chuàng)建過(guò)程和實(shí)際應(yīng)用，對(duì)人們認(rèn)識(shí)知識(shí)圖譜、建設(shè)知識(shí)圖譜具有一定的參考意義。