知識圖譜技術在教學資源庫建設中的應用

摘 要：將知識圖譜技術運用到教學資源庫建設中，可為教育教學的信息化、數字化、智慧化提供有力的支撐。該研究基于教育智能化和知識圖譜技術，探索將知識圖譜應用于職業教育教學資源庫建設和培養學科思維能力的有效途徑，通過實證研究和案例分析，展示知識圖譜技術在職業教育教學資源管理中的優勢和應用場景，并提出解決相關挑戰的方案。

關鍵詞：知識圖譜技術；教育智能化；教學資源庫；教學效果；學習體驗

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：0450-9889（2024）06-0017-05

教育智能化是職業教育改革的重要方向之一，是當前教育領域的一個熱點和趨勢，將人工智能技術與教育教學相結合，可以提高教育教學的效率和質量，為教師提供先進的教學方式和教學手段，為學生提供更加個性化和優質的教育服務。知識圖譜技術是一種以語義為基礎，通過將知識組織成圖譜的方式來呈現和管理知識的技術［1］。本文通過研究知識圖譜技術在教學資源庫建設中的應用，探索教育智能化的新路徑。

一、研究背景

（一）國家職業教育政策對教育智能化提出了新要求

近年來，國家印發《職業教育改革實施方案》《關于推動現代職業教育高質量發展的意見》《關于深化現代職業教育體系建設改革的意見》，要求推動現代信息技術與教育教學的深度融合，提高課堂教學質量，做大做強國家職業教育智慧教育平臺，建設職業教育專業教學資源庫、精品在線開放課程、虛擬仿真實訓基地等重點項目，擴大優質資源共享，推動教育教學與評價方式變革［2］［3］［4］。2021年7月，教育部等六部門發布了《關于推進教育新型基礎設施建設構建高質量教育支撐體系的指導意見》，強調以新一代信息技術促進教育教學全過程、全要素的數字轉型與智能變革，教學資源庫也是“教育新型基礎設施”的重要組成部分［5］。

（二）現有的教學資源庫缺乏智能化技術的應用

當前數字教育資源建設以微課、題庫、數字教材等形態為主，呈現多主體供給、全時段與全學科覆蓋等特征，但整體來看尚未形成新技術支持的資源建設體系［6］。首先，資源的表現形式單一，數字教育資源建設仍停留在多媒體素材、線性教學課件、灌輸式教學視頻等形態。其次，教學資源具有多樣性，教學資源中的學科知識點之間的邏輯體系不清、連接關系松散，數字教育資源本身的知識結構、對應的能力層級等內生要素難以得到高效智能的組織與管理。最后，資源的智能化服務不足，能助推個性化學習、資源組織管理等智能技術仍未真正發揮效用，師生的使用體驗仍待優化。

（三）將知識圖譜技術應用于教學資源組織管理具有顯著優勢

隨著教育信息化的不斷發展，教育資源的數字化程度越來越高，教育智能化已經成為未來的趨勢。在這樣的背景下，如何更好地利用現有的教育資源，提高教育教學的效率和質量，成為當前教育界亟需解決的問題。而知識圖譜技術作為人工智能領域的一項重要技術，已經在多個領域得到了廣泛的應用。在教育領域，通過將知識圖譜技術應用到教學資源庫建設中，可以實現對教育資源的語義化關聯、可視化展示和智能化管理，提高教育資源的利用率和教學效果，為教育教學的信息化、數字化、智慧化提供有力的支撐。

（四）人工智能技術對教育改革提出了新要求

隨著科學技術的發展，人類進入智能時代，個體需要適應加速變化的社會生活，基礎知識和基本技能已經難以應對各種復雜、具有不確定性的陌生問題和場景，實現目標所需的能力日益復雜。展望未來，教育發展新趨勢對全面深化課改和育人工作提出了更高的要求。教師不僅要向學生傳授知識，而且要培養學生善發現、會思考、能創新、能系統解決問題的能力。

二、應用價值

教育智能化是當前教育領域的一個熱點和趨勢，將人工智能技術與教育教學相結合，可以提高教育教學的效率和質量，為學生提供更加個性化和優質的教育服務。而知識圖譜技術作為一種新興的人工智能技術，具有將海量數據進行結構化和語義化的能力，已經在教育教學領域得到了廣泛應用。

（一）教學資源庫建設：實現智能管理和利用

知識圖譜可以將教學資源進行結構化和語義化，實現教學資源的智能化管理和利用。例如，南京大學的史宇坤等人（2022）利用知識圖譜技術對《古無脊椎動物學》教學資源進行了管理和利用，實現了教學資源的分類、檢索和推薦功能，提高了教學資源的利用效率和質量［7］。黑龍江中醫藥大學的郭宏偉（2021）以中國醫學史為例構建了高校在線課程知識圖譜，為在線課程建設與智能教育發展提供有益的參考和借鑒［8］。挪威的Stian Lavik等人在挪威教育和研究部的資助下，基于知識圖譜技術構建了終身教育學習平臺BrainBank，用戶通過直觀的交互界面進行學習［9］。

（二）教學內容推薦：促進個性化學習

教師可利用知識圖譜技術，根據學生的個性化需求和學習史，推薦符合學生興趣和能力的教學內容，增強學生的學習效果。例如，北京大學的高嘉騏（2021）等人提出了一種基于知識圖譜的學習路徑自動生成方法，研究成果可幫助領域專家規劃學習路徑，為在線學習者提供指導，促進個性化學習［10］。東北師范大學趙玲朗（2021）等人以高中物理課程為例設計了基于知識圖譜的學習者畫像模型，實現了學生的個性化學習服務，提高了學生的學習興趣，并從知識和能力兩個角度評價了該模型的應用效果［11］。

（三）教學評估和反饋：提供方法指導

教師可利用知識圖譜技術，根據學生的學習表現和學習史，對學生進行評估和反饋，幫助學生發現自身的學習差距和不足。例如，福州大學的陳飛（2023）等人提出一種基于知識圖譜的“能力導向+問題驅動”綜合性實踐教學模式，分別從教學目標、問題分解、資源整合、實施方式和成績評定等方面探討多路徑實踐教學及評定方法［12］。東北師范大學的李振（2019）等人提出基于學科知識圖譜的智能化認知診斷評估（ICDA-SKG）方法，為智能化認知診斷評估提供新思路，并為教育評價實踐提供方法指導［13］。

綜上所述，知識圖譜在教育智能化背景下的應用研究已經取得了一些成果，但仍然存在一些問題和挑戰，如數據質量問題、語義關聯性、知識圖譜構建復雜度及合理性等。未來，需要進一步探索和創新，提高知識圖譜技術在教育教學領域的應用效果和價值。

三、應用實例

“Android開發基礎”是我校為軟件技術專業開設的一門專業核心課程。本研究通過構建該門課程的知識圖譜應用案例，結合教材內容、網絡資源，梳理出主題類型、主題實例、關聯類型、角色、資源類型等，研究如何將教學資源轉化為知識圖譜結構，讓師生協同工作，一起構建一門課程的知識圖譜，學生在參與圖譜構建的過程中能夠更加深刻地理解課程知識點。探究知識圖譜技術在教學資源庫建設中的具體應用方法，以及應用該技術所帶來的教學變革和創新。

筆者以2020年10月電子工業出版社出版、深圳信息職業技術學院賴紅老師編著的《Android應用開發基礎》為教材，并結合網絡資源，將來自不同渠道的多源異構數據進行集成、建立關聯，構建軟件技術專業課程“Android開發基礎”的教學資源知識圖譜。

（一）知識組織模型

本研究應用國外某公司開發的免費開源知識圖譜構建平臺DMX，采用OSGi架構，使用JAVA、Vue.js開發語言和Neo4j圖數據庫，結合項目需要基于平臺進行二次開發，形成個性化的應用模塊。圖1是基于主題圖的知識組織模型，上層是知識圖譜層，主要是由節點（主題）、連接線（關系）組成，如Android使用Android Studio作為開發工具、使用JAVA作為開發語言、Android包含TextView組件等；下層是和主題相關的各類信息資源，包括文字描述、文檔、圖片、視頻、音頻、網頁等［14］。

（二）梳理知識結構

首先整理歸納出《Android應用開發基礎》中的主題類型、主題實例、關聯類型，如表1—4所示，由于篇幅所限，只在表中列出部分內容［15］。主題類型主要包括架構分層、基本組件、常用布局、常用控件、方法、活動狀態、開發工具、屬性、目錄結構等內容。并在每種主題類型后面列出其實例，比如Android中常用布局包括相對布局、線性布局、幀布局、表格布局、網格布局、約束布局。

（三）知識圖譜構建

為專業課教師和上課班級的學生建立登錄賬號，由教師建立主題類型、關聯類型等關鍵內容，學生參與構建具體信息，通過師生協同工作的模式共建完整的課程知識圖譜。具體而言，分別按照如下步驟構建各個部分的內容。

第一步：新建主題類型，分別新建表1中的基本組件、常用布局、常用控件、方法、屬性等各個主題類型。見圖2。

第二步：新建實例，分別新建第一步中所增加的主題類型對應的實例，比如新建一個主題類型“基本組件”的實例“Activity”。見圖3。

第三步：新建關聯類型，構建兩個主題類型之間的關聯類型，比如新建“基本組件”和“方法”之間的關聯類型“具有”，“Activity”和“活動狀態”之間的關聯類型“包括”，等等。

第四步：新建兩個實例之間的關聯，比如基本組件“Activity”具有方法“onCreate（ ）”，常用控件“Button”具有屬性“value”，“Android”使用“線性布局”，等等。見圖4。

繼續以上步驟，構建更多的內容，限于篇幅，這里就不一一介紹了。

（四）成果展示

本部分主要展示如何利用知識圖譜技術對教學資源進行可視化呈現，為用戶提供基于上下文環境的智能化導航、知識發現等，為教學教研提供有力的支持。當用戶瀏覽一個主題時，系統通過已經構建的語義關聯，自動為用戶提供該主題有關的其他主題信息；在屏幕上給用戶呈現的不是純文字的數據和信息，而是高度關聯的網絡化的知識結構，一圖抵萬言，學生的學習體驗和認知能力將得到有效提升。

如下頁圖5所示，Android的常用控件有TextView、EditText、Button、ImageView、CheckBox、RadioButton等，其中TextView的屬性有layout_width、background、padding、margin、textSize等。通過知識圖譜的語義關聯進行瀏覽、導航，各個知識點之間的關系可以可視化展示呈現，教師在講解的時候非常方便，學生也更加容易理解。

如下頁圖6所示，通過點擊“Button”節點可以查看其相關信息，右邊的“相關”面板展示的是與其有關聯關系的其他內容，為用戶提供“聯想式”導航。

如下頁圖7所示，通過點擊“ImageView”查看其詳情信息，右邊的詳情面板展示的是其具體介紹內容。

本研究基于教育智能化和知識圖譜技術，探索將知識圖譜應用于職業教育教學資源庫建設和培養學科思維能力的有效途徑。通過構建一門名為“Android開發基礎”的軟件專業核心課程知識圖譜的實踐和探索，取得了一定的成果和經驗。隨著人工智能和大數據等技術的不斷發展，知識圖譜在教育領域的應用將更加廣泛。未來，可以進一步研究如何利用知識圖譜技術實現教學資源的智能化、個性化推薦，提供個性化的學習支持和評估反饋。同時，可以探索如何通過知識圖譜的構建和應用，促進學科思維能力的培養，并應用于其他學科和領域的教學。

參考文獻

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［4］中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發《關于深化現代職業教育體系建設改革的意見》［EB/OL］.https：//www.gov.cn/zhengce/2022-12/21/ c o n t e n t _ 5 7 3 2 9 8 6 . h t m .

［5］關于推進教育新型基礎設施建設構建高質量教育支撐體系的指導意見［EB/OL］.http：//www.moe.gov.cn/ s r c s i t e / A 1 6 / s 3 3 4 2 / 2 0" 2 1 0 7 / t 2 0 2 1 0 7 2 0 _ 5 4 5 7 8 3 . h t m l .

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