知识图谱技术在教学资源库建设中的应用

摘要：将知识图谱技术运用到教学资源库建设中，可为教育教学的信息化、数字化、智慧化提供有力的支撑。该研究基于教育智能化和知识图谱技术，探索将知识图谱应用于职业教育教学资源库建设和培养学科思维能力的有效途径，通过实证研究和案例分析，展示知识图谱技术在职业教育教学资源管理中的优势和应用场景，并提出解决相关挑战的方案。关键词：知识图谱技术；教育智能化；教学资源库；教学效果；学习体验教育智能化是职业教育改革的重要方向之一，是当前教育领域的一个热点和趋势，将人工智能技术与教育教学相结合，可以提高教育教学的效率和质量，为教师提供先进的教学方式和教学手段，为学生提供更加个性化和优质的教育服务。知识图谱技术是一种以语义为基础，通过将知识组织成图谱的方式来呈现和管理知识的技术［1］。本文通过研究知识图谱技术在教学资源库建设中的应用，探索教育智能化的新路径。一、研究背景（一）国家职业教育政策对教育智能化提出了新要求近年来，国家印发《职业教育改革实施方案》《关于推动现代职业教育高质量发展的意见》《关于深化现代职业教育体系建设改革的意见》，要求推动现代信息技术与教育教学的深度融合，提高课堂教学质量，做大做强国家职业教育智慧教育平台，建设职业教育专业教学资源库、精品在线开放课程、虚拟仿真实训基地等重点项目，扩大优质资源共享，推动教育教学与评价方式变革［2］［3］［4］。2021年7月，教育部等六部门发布了《关于推进教育新型基础设施建设构建高质量教育支撑体系的指导意见》，强调以新一代信息技术促进教育教学全过程、全要素的数字转型与智能变革，教学资源库也是“教育新型基础设施”的重要组成部分［5］。（二）现有的教学资源库缺乏智能化技术的应用当前数字教育资源建设以微课、题库、数字教材等形态为主，呈现多主体供给、全时段与全学科覆盖等特征，但整体来看尚未形成新技术支持的资源建设体系［6］。首先，资源的表现形式单一，数字教育资源建设仍停留在多媒体素材、线性教学课件、灌输式教学视频等形态。其次，教学资源具有多样性，教学资源中的学科知识点之间的逻辑体系不清、连接关系松散，数字教育资源本身的知识结构、对应的能力层级等内生要素难以得到高效智能的组织与管理。最后，资源的智能化服务不足，能助推个性化学习、资源组织管理等智能技术仍未真正发挥效用，师生的使用体验仍待优化。（三）将知识图谱技术应用于教学资源组织管理具有显著优势随着教育信息化的不断发展，教育资源的数字化程度越来越高，教育智能化已经成为未来的趋势。在这样的背景下，如何更好地利用现有的教育资源，提高教育教学的效率和质量，成为当前教育界亟需解决的问题。而知识图谱技术作为人工智能领域的一项重要技术，已经在多个领域得到了广泛的应用。在教育领域，通过将知识图谱技术应用到教学资源库建设中，可以实现对教育资源的语义化关联、可视化展示和智能化管理，提高教育资源的利用率和教学效果，为教育教学的信息化、数字化、智慧化提供有力的支撑。（四）人工智能技术对教育改革提出了新要求随着科学技术的发展，人类进入智能时代，个体需要适应加速变化的社会生活，基础知识和基本技能已经难以应对各种复杂、具有不确定性的陌生问题和场景，实现目标所需的能力日益复杂。展望未来，教育发展新趋势对全面深化课改和育人工作提出了更高的要求。教师不仅要向学生传授知识，而且要培养学生善发现、会思考、能创新、能系统解决问题的能力。二、应用价值教育智能化是当前教育领域的一个热点和趋势，将人工智能技术与教育教学相结合，可以提高教育教学的效率和质量，为学生提供更加个性化和优质的教育服务。而知识图谱技术作为一种新兴的人工智能技术，具有将海量数据进行结构化和语义化的能力，已经在教育教学领域得到了广泛应用。（一）教学资源库建设：实现智能管理和利用知识图谱可以将教学资源进行结构化和语义化，实现教学资源的智能化管理和利用。例如，南京大学的史宇坤等人（2022）利用知识图谱技术对《古无脊椎动物学》教学资源进行了管理和利用，实现了教学资源的分类、检索和推荐功能，提高了教学资源的利用效率和质量［7］。黑龙江中医药大学的郭宏伟（2021）以中国医学史为例构建了高校在线课程知识图谱，为在线课程建设与智能教育发展提供有益的参考和借鉴［8］。挪威的StianLavik等人在挪威教育和研究部的资助下，基于知识图谱技术构建了终身教育学习平台BrainBank，用户通过直观的交互界面进行学习［9］。（二）教学内容推荐：促进个性化学习教师可利用知识图谱技术，根据学生的个性化需求和学习史，推荐符合学生兴趣和能力的教学内容，增强学生的学习效果。例如，北京大学的高嘉骐（2021）等人提出了一种基于知识图谱的学习路径自动生成方法，研究成果可帮助领域专家规划学习路径，为在线学习者提供指导，促进个性化学习［10］。东北师范大学赵玲朗（2021）等人以高中物理课程为例设计了基于知识图谱的学习者画像模型，实现了学生的个性化学习服务，提高了学生的学习兴趣，并从知识和能力两个角度评价了该模型的应用效果［11］。（三）教学评估和反馈：提供方法指导教师可利用知识图谱技术，根据学生的学习表现和学习史，对学生进行评估和反馈，帮助学生发现自身的学习差距和不足。例如，福州大学的陈飞（2023）等人提出一种基于知识图谱的“能力导向+问题驱动”综合性实践教学模式，分别从教学目标、问题分解、资源整合、实施方式和成绩评定等方面探讨多路径实践教学及评定方法［12］。東北师范大学的李振（2019）等人提出基于学科知识图谱的智能化认知诊断评估（ICDA-SKG）方法，为智能化认知诊断评估提供新思路，并为教育评价实践提供方法指导［13］。综上所述，知识图谱在教育智能化背景下的应用研究已经取得了一些成果，但仍然存在一些问题和挑战，如数据质量问题、语义关联性、知识图谱构建复杂度及合理性等。未来，需要进一步探索和创新，提高知识图谱技术在教育教学领域的应用效果和价值。三、应用实例“Android开发基础”是我校为软件技术专业开设的一门专业核心课程。本研究通过构建该门课程的知识图谱应用案例，结合教材内容、网络资源，梳理出主题类型、主题实例、关联类型、角色、资源类型等，研究如何将教学资源转化为知识图谱结构，让师生协同工作，一起构建一门课程的知识图谱，学生在参与图谱构建的过程中能够更加深刻地理解课程知识点。探究知识图谱技术在教学资源库建设中的具体应用方法，以及应用该技术所带来的教学变革和创新。笔者以2020年10月电子工业出版社出版、深圳信息职业技术学院赖红老师编著的《Android应用开发基础》为教材，并结合网络资源，将来自不同渠道的多源异构数据进行集成、建立关联，构建软件技术专业课程“Android开发基础”的教学资源知识图谱。（一）知识组织模型本研究应用国外某公司开发的免费开源知识图谱构建平台DMX，采用OSGi架构，使用JAVA、Vue.js开发语言和Neo4j图数据库，结合项目需要基于平台进行二次开发，形成个性化的应用模块。图1是基于主题图的知识组织模型，上层是知识图谱层，主要是由节点（主题）、连接线（关系）组成，如Android使用AndroidStudio作为开发工具、使用JAVA作为开发语言、Android包含TextView组件等；下层是和主题相关的各类信息资源，包括文字描述、文档、图片、视频、音频、网页等［14］。（二）梳理知识结构首先整理归纳出《Android应用开发基础》中的主题类型、主题实例、关联类型，如表1—4所示，由于篇幅所限，只在表中列出部分內容［15］。主题类型主要包括架构分层、基本组件、常用布局、常用控件、方法、活动状态、开发工具、属性、目录结构等内容。并在每种主题类型后面列出其实例，比如Android中常用布局包括相对布局、线性布局、帧布局、表格布局、网格布局、约束布局。（三）知识图谱构建为专业课教师和上课班级的学生建立登录账号，由教师建立主题类型、关联类型等关键内容，学生参与构建具体信息，通过师生协同工作的模式共建完整的课程知识图谱。具体而言，分别按照如下步骤构建各个部分的内容。第一步：新建主题类型，分别新建表1中的基本组件、常用布局、常用控件、方法、属性等各个主题类型。见图2。第二步：新建实例，分别新建第一步中所增加的主题类型对应的实例，比如新建一个主题类型“基本组件”的实例“Activity”。见图3。第三步：新建关联类型，构建两个主题类型之间的关联类型，比如新建“基本组件”和“方法”之间的关联类型“具有”，“Activity”和“活动状态”之间的关联类型“包括”，等等。第四步：新建两个实例之间的关联，比如基本组件“Activity”具有方法“onCreate（）”，常用控件“Button”具有属性“value”，“Android”使用“线性布局”，等等。见图4。继续以上步骤，构建更多的内容，限于篇幅，这里就不一一介绍了。（四）成果展示本部分主要展示如何利用知识图谱技术对教学资源进行可视化呈现，为用户提供基于上下文环境的智能化导航、知识发现等，为教学教研提供有力的支持。当用户浏览一个主题时，系统通过已经构建的语义关联，自动为用户提供该主题有关的其他主题信息；在屏幕上给用户呈现的不是纯文字的数据和信息，而是高度关联的网络化的知识结构，一图抵万言，学生的学习体验和认知能力将得到有效提升。如下页图5所示，Android的常用控件有TextView、EditText、Button、ImageView、CheckBox、RadioButton等，其中TextView的属性有layout_width、background、padding、margin、textSize等。通过知识图谱的语义关联进行浏览、导航，各个知识点之间的关系可以可视化展示呈现，教师在讲解的时候非常方便，学生也更加容易理解。如下页图6所示，通过点击“Button”节点可以查看其相关信息，右边的“相关”面板展示的是与其有关联关系的其他内容，为用户提供“联想式”导航。如下页图7所示，通过点击“ImageView”查看其详情信息，右边的详情面板展示的是其具体介绍内容。本研究基于教育智能化和知识图谱技术，探索将知识图谱