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機械制圖課程體系知識圖譜的構(gòu)建與應(yīng)用實踐
四川省劍閣職業(yè)高級中學(xué)校 羅春清 2024/4/25 21:36:58
［摘 要］ 課程體系整體設(shè)計和優(yōu)化是提升人才培養(yǎng)質(zhì)量的基礎(chǔ)。知識圖譜創(chuàng)新了知識表示和管理方式，在智能搜索與問答等領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用，但在教育教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用還較少。基于知識圖譜和自然語言處理技術(shù)，梳理課程教學(xué)計劃的主要組成要素，從人才培養(yǎng)方案和課程教學(xué)計劃中抽取課程實體、屬性和關(guān)系等信息，設(shè)計了課程體系本體模型，實現(xiàn)了人工智能專業(yè)課程體系知識圖譜的構(gòu)建。依托知識圖譜可視化技術(shù)，分析了課程間支撐關(guān)系和課程之間內(nèi)容的重復(fù)情況，為課程體系優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。
［關(guān)鍵詞］ 課程體系；知識圖譜；人工智能；信息抽取
引言
在互聯(lián)網(wǎng)時代背景下，人類社會日益關(guān)注教育信息化。將技術(shù)和教學(xué)相結(jié)合既是信息時代的所向，又是現(xiàn)代基礎(chǔ)教育發(fā)展所需要的。2019年教育部印發(fā)的《關(guān)于深化中職教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》（教高〔2019〕6號）提出，全面提高課程建設(shè)質(zhì)量，加強課程體系整體設(shè)計，提高課程建設(shè)規(guī)劃性、系統(tǒng)性［1］。高質(zhì)量人才的培養(yǎng)依托人才培養(yǎng)方案的實施，而課程體系的構(gòu)建是人才培養(yǎng)方案的核心。
知識圖譜創(chuàng)新了知識表示、知識管理和知識組織的方式［2］，與現(xiàn)實生活中人們對知識的管理與認知方式接近。在智能搜索、智能問答等領(lǐng)域，知識圖譜已廣泛應(yīng)用［3］，但在教育教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用還比較少。
為了全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，需要加強課程體系的整體設(shè)計和優(yōu)化。在深入分析現(xiàn)有課程教學(xué)計劃和人才培養(yǎng)目標的基礎(chǔ)上，本文嘗試將知識圖譜和可視化技術(shù)引入教育教學(xué)領(lǐng)域，設(shè)計了課程體系知識圖譜的本體模型，實現(xiàn)了課程體系知識圖譜的構(gòu)建，并利用可視化技術(shù)對課程的支撐關(guān)系和重復(fù)情況進行了分析，為課程體系的優(yōu)化設(shè)計提供了輔助支撐。
一、課程體系知識圖譜的構(gòu)建
知識圖譜構(gòu)建的一般過程是：首先構(gòu)建本體模型，用來描述知識圖譜要管理的概念、屬性、關(guān)系等信息；其次在本體模型的指導(dǎo)下，添加實體及相關(guān)關(guān)系形成最終的知識圖譜。
（一）課程體系知識圖譜本體模型構(gòu)建
“本體”是指一種形式化的，對于共享概念體系的明確又詳細的說明［4］。人工智能領(lǐng)域的學(xué)者將本體引入人工智能，用于對客觀世界的存在進行系統(tǒng)化描述，方便知識的重用和交互［5］。
課程體系屬于領(lǐng)域本體的范疇，是對課程體系應(yīng)用本體方法進行分析、建模的結(jié)果，即把現(xiàn)實世界中有關(guān)課程的一切活動抽象為一組概念及概念之間的關(guān)系，其目的是規(guī)范課程體系知識圖譜的構(gòu)建，用于對課程之間的支撐關(guān)系和課程內(nèi)容可能存在的交叉與重復(fù)進行分析。結(jié)合課程本體構(gòu)建的實際，設(shè)計了包括本體領(lǐng)域確定、本體設(shè)計與管理的課程本體構(gòu)建方法。
1.本體領(lǐng)域確定。課題聚焦課程體系優(yōu)化研究，重點關(guān)注課程之間的支撐關(guān)系和課程內(nèi)容邊界的分析，因此領(lǐng)域就限定在課程體系，研究范圍為課程支撐情況和課程內(nèi)容。目標是需要直觀、準確地表達課程之間的支撐關(guān)系和課程內(nèi)容組成，便于后續(xù)分析。
2.本體的設(shè)計與管理。深入分析了課程教學(xué)計劃的主要組成要素，為構(gòu)建課程體系知識圖譜奠定了基礎(chǔ)。梳理的課程教學(xué)計劃的主要組成要素包括課程名稱、上課學(xué)期、課程學(xué)時、課程類型、理論學(xué)時、實踐學(xué)時、教學(xué)內(nèi)容、選用教材等。其中，教學(xué)內(nèi)容可以細分為不同的教學(xué)單元及具體知識點；選用教材包括書名、版本、作者、出版社、出版時間等信息。在此基礎(chǔ)上，選擇適當?shù)囊匦纬闪苏n程體系本體概念、屬性和層次，如圖1所示。
圖1 課程體系本體模型示意圖
為了更好地在軟件系統(tǒng)中使用本體信息，實踐中沒有采用現(xiàn)成的Protégé軟件，而是自行開發(fā)了本體設(shè)計程序，實現(xiàn)了本體中的概念、關(guān)系以及屬性的管理。
（二）課程體系知識圖譜的知識獲取與加工
知識圖譜的構(gòu)建過程一般包括信息抽取、知識融合和知識加工［6］。參照知識圖譜構(gòu)建的一般過程，課程體系知識圖譜構(gòu)建過程如下。
1.數(shù)據(jù)獲取。構(gòu)建課程體系知識圖譜，主要的數(shù)據(jù)來自人工智能專業(yè)的人才培養(yǎng)方案和課程教學(xué)計劃。其中，獲取的數(shù)據(jù)類型包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)等［7］。
2.信息抽取。信息抽取是指從各種類型的數(shù)據(jù)源中提取出實體、屬性以及實體間的相互關(guān)系，在此基礎(chǔ)上形成本體化的知識表達。結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)不需要進行數(shù)據(jù)的抽取，可直接進入知識融合階段。半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)或非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，要實現(xiàn)基本知識的抽取，需要進行實體抽取、關(guān)系抽取和屬性抽取［8］136。實體抽取也稱命名實體識別，是從原始語料中自動識別出命名實體，通過實體抽取可以得到文本中的實體節(jié)點，如抽取出“數(shù)字圖像處理”“數(shù)字電路”（未完，下一頁）
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