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《機(jī)械制圖》課程知識(shí)圖譜構(gòu)建及其在教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用
四川省劍閣職業(yè)高級(jí)中學(xué)校 羅春清 2024/9/16 21:37:11
（接上頁）程相關(guān)文本資料，經(jīng)過文本清洗、分詞等預(yù)處理后，構(gòu)建課程文本集。
②課程本體構(gòu)建：在課程專家的指導(dǎo)下，通過頭腦風(fēng)暴的方法收集課程目標(biāo)、學(xué)科內(nèi)容、學(xué)習(xí)資源等相關(guān)的課程概念，并合理分類，形成層次化的課程概念體系，明確概念間的各種關(guān)系，構(gòu)建課程本體。
③課程知識(shí)抽取：針對(duì)課程本體中的各種概念和關(guān)系，構(gòu)建深度學(xué)習(xí)模型，從所收集語料中自動(dòng)抽取對(duì)應(yīng)概念實(shí)體和關(guān)系。
④課程知識(shí)整合與存儲(chǔ)：依據(jù)課程本體框架，整合所抽取的知識(shí)，在課程專家審核修訂后存儲(chǔ)到圖數(shù)據(jù)庫中，用以支持各種知識(shí)圖譜應(yīng)用需求。
2.2 課程文本集構(gòu)建
課程文本資料來源多種多樣，包括傳統(tǒng)紙質(zhì)資料，也包括各種教育文獻(xiàn)、慕課文檔、課程百科等在線資源。對(duì)于傳統(tǒng)紙質(zhì)資料可通過軟件工具進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，而對(duì)于各種形式的在線資源，則主要借助網(wǎng)頁爬蟲技術(shù)批量獲取。
2.3 課程本體構(gòu)建
課程本體是對(duì)課程知識(shí)框架的形式化表述，定義了課程相關(guān)的核心概念及其關(guān)系�；谡n程知識(shí)內(nèi)容的不同，可以將課程核心概念劃分為以下三種類型。
①課程要求：課程要求是指課程大綱所述教學(xué)依據(jù)相關(guān)概念，包括教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)要求、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等。
②課程知識(shí)：課程知識(shí)是指課程所需講述的知識(shí)概念，包括基本概念、語法、規(guī)則等。
③學(xué)習(xí)資源：學(xué)習(xí)資源是指課程所需的教學(xué)、學(xué)習(xí)資源相關(guān)概念，包括書籍、文章、視頻、音頻、網(wǎng)站、應(yīng)用程序等。
課程概念體系描述了課程知識(shí)的核心概念及其分類學(xué)關(guān)系。為充分描述課程知識(shí)框架，還需要描述概念間的橫向關(guān)系。例如，“課程知識(shí)”概念間主要包括2類橫向關(guān)系。
2.4 課程知識(shí)抽取
以課程本體所包含的底層概念及關(guān)系為抽取目標(biāo)，本文采用基于異構(gòu)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)體關(guān)系聯(lián)合抽取模型，實(shí)現(xiàn)課程知識(shí)抽取。模型架構(gòu)如下。
①文本嵌入層：該層將輸入課程文本逐句轉(zhuǎn)化為多維文本向量�；诜衷~和詞性標(biāo)注結(jié)果，文本中的每個(gè)詞可轉(zhuǎn)化為一個(gè)詞嵌入和一個(gè)詞性嵌入。詞嵌入采用基于中文維基預(yù)訓(xùn)練的Bert模型，詞性嵌入采用基于詞性表的one-hot編碼。
②聯(lián)合抽取層：該層依據(jù)輸入的文本向量抽取多種類型的實(shí)體和關(guān)系。基于BiLSTM所識(shí)別的文本向量隱藏特征，條件隨機(jī)場（CRF）子層被用來識(shí)別實(shí)體，關(guān)系抽取則被轉(zhuǎn)換為多頭學(xué)習(xí)任務(wù)，由sigmoid子層實(shí)現(xiàn)。對(duì)抗訓(xùn)練（AT）被添加在模型中，以緩解模型在小樣本數(shù)據(jù)集上學(xué)習(xí)的過擬合問題。
2.5 課程知識(shí)整合與存儲(chǔ)
所抽取的實(shí)體和關(guān)系都是課程本體相應(yīng)概念和關(guān)系的實(shí)例，按照課程本體可實(shí)現(xiàn)所抽取知識(shí)的整合。為滿足復(fù)雜查詢與大量課程知識(shí)存儲(chǔ)需求，選擇圖數(shù)據(jù)管理方式自由、支持ACID事務(wù)和Cypher查詢語言的圖數(shù)據(jù)庫Neo4j來存儲(chǔ)課程知識(shí)圖譜：①首先將課程知識(shí)圖譜中所有節(jié)點(diǎn)與邊的內(nèi)容整理成表格形式的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)；②然后利用計(jì)算機(jī)程序批量拼接Cypher語句，并把這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到Neo4j圖數(shù)據(jù)庫。
3 《機(jī)械制圖》課程知識(shí)圖譜應(yīng)用
3.1 知識(shí)圖譜與教學(xué)內(nèi)容的融合
知識(shí)圖譜構(gòu)建是一個(gè)高級(jí)程序設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)過程，因此，可以將知識(shí)圖譜構(gòu)建融入教學(xué)內(nèi)容中，形成面向不同課程目標(biāo)的教學(xué)案例。例如，針對(duì)教材《機(jī)械制圖（第5版）》，可設(shè)計(jì)如下教學(xué)案例�；谥R(shí)圖譜的課程背景介紹案例，所屬章節(jié)：課程背景；所屬知識(shí)點(diǎn)：《機(jī)械制圖》的重要性。
案例目標(biāo)：通過典型知識(shí)圖譜及其應(yīng)用介紹，闡明課程學(xué)習(xí)的重要性，激發(fā)學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)的熱情。
案例內(nèi)容：介紹百度、google等知識(shí)圖譜以及趣味性知識(shí)圖譜應(yīng)用案例。
除上述案例外，還可以將知識(shí)圖譜的構(gòu)建過程與循環(huán)、鏈表、文件等課程知識(shí)點(diǎn)結(jié)合，形成多樣化的教學(xué)案例。
3.2 知識(shí)圖譜與教學(xué)技術(shù)的融合
課程知識(shí)圖譜具有知識(shí)表達(dá)的優(yōu)勢(shì)，因此，可直接作為一種新的課程知識(shí)展示形式。例如，針對(duì)教材《機(jī)械制圖（第5版）》的“第2章 平面圖形繪制”的知識(shí)點(diǎn)可表示為圖1。
進(jìn)而，利用知識(shí)圖譜的知識(shí)整合與推理優(yōu)勢(shì)，可以研發(fā)更多創(chuàng)新性的教學(xué)技術(shù)。
①學(xué)生/教師/場景圖譜：利用知識(shí)圖譜增強(qiáng)學(xué)生、教師、教學(xué)場景的表述，顯化三者之間的關(guān)系，幫助教師多視角了解每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和能力，提供個(gè)性化教學(xué)。
②基于知識(shí)圖譜的智能教學(xué)：利用課程知識(shí)圖譜將課程知識(shí)點(diǎn)與教材、講義、習(xí)題等關(guān)聯(lián)，根據(jù)教師教學(xué)進(jìn)度，持續(xù)精準(zhǔn)推送符合下一階段教學(xué)需求的教學(xué)內(nèi)容及資源，實(shí)現(xiàn)智能備課等輔助教學(xué)功能。
③基于知識(shí)圖譜的自適應(yīng)學(xué)習(xí)：通過知識(shí)圖譜，構(gòu)建在線學(xué)習(xí)平臺(tái)，實(shí)時(shí)追蹤和評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和理解程度，然后根（未完，下一頁）
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