知識(shí)圖譜技術(shù)在教學(xué)資源庫建設(shè)中的應(yīng)用

摘要：將知識(shí)圖譜技術(shù)運(yùn)用到教學(xué)資源庫建設(shè)中，可為教育教學(xué)的信息化、數(shù)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(shí)圖譜技術(shù)，探索將知識(shí)圖譜應(yīng)用于職業(yè)教育教學(xué)資源庫建設(shè)和培養(yǎng)學(xué)科思維能力的有效途徑，通過實(shí)證研究和案例分析，展示知識(shí)圖譜技術(shù)在職業(yè)教育教學(xué)資源管理中的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用場景，并提出解決相關(guān)挑戰(zhàn)的方案。關(guān)鍵詞：知識(shí)圖譜技術(shù)；教育智能化；教學(xué)資源庫；教學(xué)效果；學(xué)習(xí)體驗(yàn)教育智能化是職業(yè)教育改革的重要方向之一，是當(dāng)前教育領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)和趨勢(shì)，將人工智能技術(shù)與教育教學(xué)相結(jié)合，可以提高教育教學(xué)的效率和質(zhì)量，為教師提供先進(jìn)的教學(xué)方式和教學(xué)手段，為學(xué)生提供更加個(gè)性化和優(yōu)質(zhì)的教育服務(wù)。知識(shí)圖譜技術(shù)是一種以語義為基礎(chǔ)，通過將知識(shí)組織成圖譜的方式來呈現(xiàn)和管理知識(shí)的技術(shù)［1］。本文通過研究知識(shí)圖譜技術(shù)在教學(xué)資源庫建設(shè)中的應(yīng)用，探索教育智能化的新路徑。一、研究背景（一）國家職業(yè)教育政策對(duì)教育智能化提出了新要求近年來，國家印發(fā)《職業(yè)教育改革實(shí)施方案》《關(guān)于推動(dòng)現(xiàn)代職業(yè)教育高質(zhì)量發(fā)展的意見》《關(guān)于深化現(xiàn)代職業(yè)教育體系建設(shè)改革的意見》，要求推動(dòng)現(xiàn)代信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合，提高課堂教學(xué)質(zhì)量，做大做強(qiáng)國家職業(yè)教育智慧教育平臺(tái)，建設(shè)職業(yè)教育專業(yè)教學(xué)資源庫、精品在線開放課程、虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地等重點(diǎn)項(xiàng)目，擴(kuò)大優(yōu)質(zhì)資源共享，推動(dòng)教育教學(xué)與評(píng)價(jià)方式變革［2］［3］［4］。2021年7月，教育部等六部門發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)教育新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)構(gòu)建高質(zhì)量教育支撐體系的指導(dǎo)意見》，強(qiáng)調(diào)以新一代信息技術(shù)促進(jìn)教育教學(xué)全過程、全要素的數(shù)字轉(zhuǎn)型與智能變革，教學(xué)資源庫也是“教育新型基礎(chǔ)設(shè)施”的重要組成部分［5］。（二）現(xiàn)有的教學(xué)資源庫缺乏智能化技術(shù)的應(yīng)用當(dāng)前數(shù)字教育資源建設(shè)以微課、題庫、數(shù)字教材等形態(tài)為主，呈現(xiàn)多主體供給、全時(shí)段與全學(xué)科覆蓋等特征，但整體來看尚未形成新技術(shù)支持的資源建設(shè)體系［6］。首先，資源的表現(xiàn)形式單一，數(shù)字教育資源建設(shè)仍停留在多媒體素材、線性教學(xué)課件、灌輸式教學(xué)視頻等形態(tài)。其次，教學(xué)資源具有多樣性，教學(xué)資源中的學(xué)科知識(shí)點(diǎn)之間的邏輯體系不清、連接關(guān)系松散，數(shù)字教育資源本身的知識(shí)結(jié)構(gòu)、對(duì)應(yīng)的能力層級(jí)等內(nèi)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(wù)不足，能助推個(gè)性化學(xué)習(xí)、資源組織管理等智能技術(shù)仍未真正發(fā)揮效用，師生的使用體驗(yàn)仍待優(yōu)化。（三）將知識(shí)圖譜技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)資源組織管理具有顯著優(yōu)勢(shì)隨著教育信息化的不斷發(fā)展，教育資源的數(shù)字化程度越來越高，教育智能化已經(jīng)成為未來的趨勢(shì)。在這樣的背景下，如何更好地利用現(xiàn)有的教育資源，提高教育教學(xué)的效率和質(zhì)量，成為當(dāng)前教育界亟需解決的問題。而知識(shí)圖譜技術(shù)作為人工智能領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)，已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在教育領(lǐng)域，通過將知識(shí)圖譜技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)資源庫建設(shè)中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)教育資源的語義化關(guān)聯(lián)、可視化展示和智能化管理，提高教育資源的利用率和教學(xué)效果，為教育教學(xué)的信息化、數(shù)字化、智慧化提供有力的支撐。（四）人工智能技術(shù)對(duì)教育改革提出了新要求隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類進(jìn)入智能時(shí)代，個(gè)體需要適應(yīng)加速變化的社會(huì)生活，基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能已經(jīng)難以應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜、具有不確定性的陌生問題和場景，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)所需的能力日益復(fù)雜。展望未來，教育發(fā)展新趨勢(shì)對(duì)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?qū)W生傳授知識(shí)，而且要培養(yǎng)學(xué)生善發(fā)現(xiàn)、會(huì)思考、能創(chuàng)新、能系統(tǒng)解決問題的能力。二、應(yīng)用價(jià)值教育智能化是當(dāng)前教育領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)和趨勢(shì)，將人工智能技術(shù)與教育教學(xué)相結(jié)合，可以提高教育教學(xué)的效率和質(zhì)量，為學(xué)生提供更加個(gè)性化和優(yōu)質(zhì)的教育服務(wù)。而知識(shí)圖譜技術(shù)作為一種新興的人工智能技術(shù)，具有將海量數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化和語義化的能力，已經(jīng)在教育教學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。（一）教學(xué)資源庫建設(shè)：實(shí)現(xiàn)智能管理和利用知識(shí)圖譜可以將教學(xué)資源進(jìn)行結(jié)構(gòu)化和語義化，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的智能化管理和利用。例如，南京大學(xué)的史宇坤等人（2022）利用知識(shí)圖譜技術(shù)對(duì)《古無脊椎動(dòng)物學(xué)》教學(xué)資源進(jìn)行了管理和利用，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)資源的分類、檢索和推薦功能，提高了教學(xué)資源的利用效率和質(zhì)量［7］。黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)的郭宏偉（2021）以中國醫(yī)學(xué)史為例構(gòu)建了高校在線課程知識(shí)圖譜，為在線課程建設(shè)與智能教育發(fā)展提供有益的參考和借鑒［8］。挪威的StianLavik等人在挪威教育和研究部的資助下，基于知識(shí)圖譜技術(shù)構(gòu)建了終身教育學(xué)習(xí)平臺(tái)BrainBank，用戶通過直觀的交互界面進(jìn)行學(xué)習(xí)［9］。（二）教學(xué)內(nèi)容推薦：促進(jìn)個(gè)性化學(xué)習(xí)教師可利用知識(shí)圖譜技術(shù)，根據(jù)學(xué)生的個(gè)性化需求和學(xué)習(xí)史，推薦符合學(xué)生興趣和能力的教學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。例如，北京大學(xué)的高嘉騏（2021）等人提出了一種基于知識(shí)圖譜的學(xué)習(xí)路徑自動(dòng)生成方法，研究成果可幫助領(lǐng)域?qū)＜乙?guī)劃學(xué)習(xí)路徑，為在線學(xué)習(xí)者提供指導(dǎo)，促進(jìn)個(gè)性化學(xué)習(xí)［10］。東北師范大學(xué)趙玲朗（2021）等人以高中物理課程為例設(shè)計(jì)了基于知識(shí)圖譜的學(xué)習(xí)者畫像模型，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)服務(wù)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并從知識(shí)和能力兩個(gè)角度評(píng)價(jià)了該模型的應(yīng)用效果［11］。（三）教學(xué)評(píng)估和反饋：提供方法指導(dǎo)教師可利用知識(shí)圖譜技術(shù)，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)和學(xué)習(xí)史，對(duì)學(xué)生進(jìn)行評(píng)估和反饋，幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)自身的學(xué)習(xí)差距和不足。例如，福州大學(xué)的陳飛（2023）等人提出一種基于知識(shí)圖譜的“能力導(dǎo)向+問題驅(qū)動(dòng)”綜合性實(shí)踐教學(xué)模式，分別從教學(xué)目標(biāo)、問題分解、資源整合、實(shí)施方式和成績?cè)u(píng)定等方面探討多路徑實(shí)踐教學(xué)及評(píng)定方法［12］。東北師范大學(xué)的李振（2019）等人提出基于學(xué)科知識(shí)圖譜的智能化認(rèn)知診斷評(píng)估（ICDA-SKG）方法，為智能化認(rèn)知診斷評(píng)估提供新思路，并為教育評(píng)價(jià)實(shí)踐提供方法指導(dǎo)［13］。綜上所述，知識(shí)圖譜在教育智能化背景下的應(yīng)用研究已經(jīng)取得了一些成果，但仍然存在一些問題和挑戰(zhàn)，如數(shù)據(jù)質(zhì)量問題、語義關(guān)聯(lián)性、知識(shí)圖譜構(gòu)建復(fù)雜度及合理性等。未來，需要進(jìn)一步探索和創(chuàng)新，提高知識(shí)圖譜技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用效果和價(jià)值。三、應(yīng)用實(shí)例“Android開發(fā)基礎(chǔ)”是我校為軟件技術(shù)專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)核心課程。本研究通過構(gòu)建該門課程的知識(shí)圖譜應(yīng)用案例，結(jié)合教材內(nèi)容、網(wǎng)絡(luò)資源，梳理出主題類型、主題實(shí)例、關(guān)聯(lián)類型、角色、資源類型等，研究如何將教學(xué)資源轉(zhuǎn)化為知識(shí)圖譜結(jié)構(gòu)，讓師生協(xié)同工作，一起構(gòu)建一門課程的知識(shí)圖譜，學(xué)生在參與圖譜構(gòu)建的過程中能夠更加深刻地理解課程知識(shí)點(diǎn)。探究知識(shí)圖譜技術(shù)在教學(xué)資源庫建設(shè)中的具體應(yīng)用方法，以及應(yīng)用該技術(shù)所帶來的教學(xué)變革和創(chuàng)新。筆者以2020年10月電子工業(yè)出版社出版、深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院賴紅老師編著的《Android應(yīng)用開發(fā)基礎(chǔ)》為教材，并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)資源，將來自不同渠道的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成、建立關(guān)聯(lián)，構(gòu)建軟件技術(shù)專業(yè)課程“Android開發(fā)基礎(chǔ)”的教學(xué)資源知識(shí)圖譜。（一）知識(shí)組織模型本研究應(yīng)用國外某公司開發(fā)的免費(fèi)開源知識(shí)圖譜構(gòu)建平臺(tái)DMX，采用OSGi架構(gòu)，使用JAVA、Vue.js開發(fā)語言和Neo4j圖數(shù)據(jù)庫，結(jié)合項(xiàng)目需要基于平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)，形成個(gè)性化的應(yīng)用模塊。圖1是基于主題圖的知識(shí)組織模型，上層是知識(shí)圖譜層，主要是由節(jié)點(diǎn)（主題）、連接線（關(guān)系）組成，如Android使用AndroidStudio作為開發(fā)工具、使用JAVA作為開發(fā)語言、Android包含TextView組件等；下層是和主題相關(guān)的各類信息資源，包括文字描述、文檔、圖片、視頻、音頻、網(wǎng)頁等［14］。（二）梳理知識(shí)結(jié)構(gòu)首先整理歸納出《Android應(yīng)用開發(fā)基礎(chǔ)》中的主題類型、主題實(shí)例、關(guān)聯(lián)類型，如表1—4所示，由于篇幅所限，只在表中列出部分內(nèi)容［15］。主題類型主要包括架構(gòu)分層、基本組件、常用布局、常用控件、方法、活動(dòng)狀態(tài)、開發(fā)工具、屬性、目錄結(jié)構(gòu)等內(nèi)容。并在每種主題類型后面列出其實(shí)例，比如Android中常用布局包括相對(duì)布局、線性布局、幀布局、表格布局、網(wǎng)格布局、約束布局。（三）知識(shí)圖譜構(gòu)建為專業(yè)課教師和上課班級(jí)的學(xué)生建立登錄賬號(hào)，由教師建立主題類型、關(guān)聯(lián)類型等關(guān)鍵內(nèi)容，學(xué)生參與構(gòu)建具體信息，通過師生協(xié)同工作的模式共建完整的課程知識(shí)圖譜。具體而言，分別按照如下步驟構(gòu)建各個(gè)部分的內(nèi)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(gè)主題類型。見圖2。第二步：新建實(shí)例，分別新建第一步中所增加的主題類型對(duì)應(yīng)的實(shí)例，比如新建一個(gè)主題類型“基本組件”的實(shí)例“Activity”。見圖3。第三步：新建關(guān)聯(lián)類型，構(gòu)建兩個(gè)主題類型之間的關(guān)聯(lián)類型，比如新建“基本組件”和“方法”之間的關(guān)聯(lián)類型“具有”，“Activity”和“活動(dòng)狀態(tài)”之間的關(guān)聯(lián)類型“包括”，等等。第四步：新建兩個(gè)實(shí)例之間的關(guān)聯(lián)，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(xù)以上步驟，構(gòu)建更多的內(nèi)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(shí)圖譜技術(shù)對(duì)教學(xué)資源進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，為用戶提供基于上下文環(huán)境的智能化導(dǎo)航、知識(shí)發(fā)現(xiàn)等，為教學(xué)教研提供有力的支持。當(dāng)用戶瀏覽一個(gè)主題時(shí)，系統(tǒng)通過已經(jīng)構(gòu)建的語義關(guān)聯(lián)，自動(dòng)為用戶提供該主題有關(guān)的其他主題信息；在屏幕上給用戶呈現(xiàn)的不是純文字的數(shù)據(jù)和信息，而是高度關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)化的知識(shí)結(jié)構(gòu)，一圖抵萬言，學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和認(rèn)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l(wèi)ayout_width、background、padding、margin、textSize等。通過知識(shí)圖譜的語義關(guān)聯(lián)進(jìn)行瀏覽、導(dǎo)航，各個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系可以可視化展示呈現(xiàn)，教師在講解的時(shí)候非常方便，學(xué)生也更加容易理解。如下頁圖6所示，通過點(diǎn)擊“Button”節(jié)點(diǎn)可以查看其相關(guān)信息，右邊的“相關(guān)”面板展示的是與其有關(guān)聯(lián)關(guān)系的其他內(nèi)容，為用戶提供“聯(lián)想式”導(dǎo)航。如下頁圖7所示，通過點(diǎn)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(nèi)容。本研究基于教育智能化和知識(shí)圖譜技術(shù)，探索將知識(shí)圖譜