知識(shí)圖譜下C#課程學(xué)習(xí)導(dǎo)航系統(tǒng)探析

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計(jì)算機(jī)編程語言是計(jì)算機(jī)專業(yè)教育中非常重要的一個(gè)方向。在大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)的課程設(shè)置中，編程語言的教學(xué)往往從本科一年級(jí)下學(xué)期或二年級(jí)上學(xué)期就開始了。在這一背景下，一般的語言特性固然可以順利講授，但教學(xué)中也會(huì)涉及到很多其他專業(yè)知識(shí)如內(nèi)存分配、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫等，完全超出學(xué)生的學(xué)習(xí)范圍。如果不補(bǔ)充這些知識(shí)點(diǎn)，會(huì)使學(xué)生轉(zhuǎn)移注意力，甚至喪失興趣點(diǎn)，影響到接受知識(shí)的效率。教師需要隨時(shí)根據(jù)課堂上學(xué)生的反饋，延伸講解一些必要的知識(shí)點(diǎn)，才能使學(xué)生能充分理解所授知識(shí)點(diǎn)，確保教學(xué)質(zhì)量。2020年初的肺炎疫情使得在線教學(xué)成為重要的授課手段，然而在線課堂上教師很難及時(shí)掌握學(xué)生的動(dòng)態(tài)，從而忽略學(xué)生對(duì)陌生知識(shí)點(diǎn)的理解需求，最終影響到教學(xué)效果。為此，在“軟件構(gòu)造基礎(chǔ)———c#程序設(shè)計(jì)”課程組教學(xué)實(shí)踐基礎(chǔ)上，本文提出利用知識(shí)圖譜技術(shù)來為學(xué)生補(bǔ)充陌生知識(shí)點(diǎn)的方案，通過對(duì)授課內(nèi)容和聽課學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，整理出相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，在課程講授過程中，作為獨(dú)立知識(shí)點(diǎn)推送給各位學(xué)生，為其補(bǔ)充關(guān)聯(lián)知識(shí)。在充分調(diào)研課程領(lǐng)域本體模型及其實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，課程組應(yīng)用知識(shí)圖譜（knowledgegraph）設(shè)計(jì)開發(fā)了C#課程學(xué)習(xí)導(dǎo)航系統(tǒng)，并將其附加到現(xiàn)有在線教學(xué)平臺(tái)應(yīng)用于在線教學(xué)中。通過對(duì)學(xué)生的課堂測(cè)試和問卷調(diào)查，課程組發(fā)現(xiàn)該技術(shù)有效提升了在線教學(xué)的授課效率。

一、課程知識(shí)本體設(shè)計(jì)

知識(shí)圖譜本質(zhì)上是一個(gè)結(jié)構(gòu)化的語義知識(shí)庫，以符號(hào)形式描述客觀世界中的概念及其相互的邏輯依存關(guān)系，其基本的組成單位為兩種形式的知識(shí)三元組，即<實(shí)體1、關(guān)系、實(shí)體2>和<實(shí)體、屬性、屬性值>，實(shí)體間通過關(guān)系相互聯(lián)結(jié)，構(gòu)成網(wǎng)狀的知識(shí)結(jié)構(gòu)[1]。從邏輯上看，知識(shí)圖譜由模式層（schemalayer）和數(shù)據(jù)層（datalayer）構(gòu)成，其中的模式層充當(dāng)知識(shí)圖譜的概念模型和邏輯基礎(chǔ)，對(duì)知識(shí)圖譜的數(shù)據(jù)層進(jìn)行規(guī)范和約束。通常采用本體作為知識(shí)圖譜的模式層，借助本體定義的規(guī)則和公理來約束知識(shí)圖譜的數(shù)據(jù)層；知識(shí)圖譜的數(shù)據(jù)層則是本體（圖譜模式層）的實(shí)例，以<實(shí)體1、關(guān)系、實(shí)體2>或<實(shí)體、屬性、屬性值>三元組的形式存儲(chǔ)各種事實(shí)（知識(shí)），形成一個(gè)圖狀的語義知識(shí)庫，其中的基本元素是各個(gè)實(shí)體，具體來說包括課程的章、節(jié)、知識(shí)點(diǎn)名稱等；關(guān)系則是其中某兩個(gè)實(shí)體之間的語義關(guān)系，是模式層所定義邏輯關(guān)系的實(shí)例；屬性是對(duì)實(shí)體的說明，表達(dá)實(shí)體與屬性值間的映射。設(shè)計(jì)過程中，課程組將“軟件構(gòu)造基礎(chǔ)———C#程序設(shè)計(jì)”課程中包含的教學(xué)知識(shí)作為圖譜數(shù)據(jù)層的具體內(nèi)容，將章、節(jié)、知識(shí)點(diǎn)等名稱（概念）作為圖譜模式層的內(nèi)容，通過定義課程知識(shí)圖譜中模式層應(yīng)包含的概念及它們之間的關(guān)系來確定課程知識(shí)圖譜的邏輯結(jié)構(gòu)，從而獲得該圖譜的本體結(jié)構(gòu)。課程知識(shí)本體的設(shè)計(jì)工作重點(diǎn)考慮兩個(gè)方面，即知識(shí)的邏輯結(jié)構(gòu)體系，以及學(xué)習(xí)導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)課程知識(shí)圖譜的功能需求。課程組參考核心教材唐大仕編著的《C#程序設(shè)計(jì)教程（第2版）》[2]，將課程所包含的知識(shí)點(diǎn)集合按教材大綱劃分為三個(gè)級(jí)別的學(xué)習(xí)單元（第一級(jí)對(duì)應(yīng)章、第二級(jí)對(duì)應(yīng)節(jié)、第三級(jí)對(duì)應(yīng)知識(shí)點(diǎn)），同時(shí)提取多種關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行語義標(biāo)注，生成一個(gè)較為復(fù)雜的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)[3]。此外，在課程學(xué)習(xí)導(dǎo)航系統(tǒng)中，課程知識(shí)圖譜主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面的功能支持，一是為學(xué)生選擇合適的學(xué)習(xí)內(nèi)容提供重要參考依據(jù)，二是幫學(xué)生推薦合理的學(xué)習(xí)路徑。如圖1所示，具體設(shè)計(jì)中課程組將課程知識(shí)本體設(shè)計(jì)為包含章、節(jié)、知識(shí)點(diǎn)三種級(jí)別知識(shí)單元的結(jié)構(gòu)，同時(shí)標(biāo)注出知識(shí)單元之間存在的三種關(guān)系，即包含關(guān)系、相關(guān)關(guān)系和順序關(guān)系。例如，章與節(jié)、節(jié)與知識(shí)點(diǎn)間具有上下級(jí)（第一級(jí)、第二級(jí)、第三級(jí)）的包含關(guān)系，每一章包含多個(gè)節(jié)，每一節(jié)包含多個(gè)知識(shí)點(diǎn)；章與章、節(jié)與節(jié)、知識(shí)點(diǎn)與知識(shí)點(diǎn)之間存在順序關(guān)系，即學(xué)習(xí)某一章、某一節(jié)或某一知識(shí)點(diǎn)時(shí)需要具備其他若干個(gè)章、節(jié)或知識(shí)點(diǎn)單元的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，需要先行開展基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)；知識(shí)點(diǎn)與知識(shí)點(diǎn)間存在相關(guān)關(guān)系，即兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)彼此具有千絲萬縷的聯(lián)系，通常需要同時(shí)學(xué)者來加深理解、提升知識(shí)接受水平?；谝陨显O(shè)計(jì)思路進(jìn)行課程知識(shí)本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可利用各類知識(shí)單元之間的邏輯依存關(guān)系生成各種滿足特定教學(xué)需求的學(xué)習(xí)路徑，為課程學(xué)習(xí)導(dǎo)航系統(tǒng)的不同用戶提供個(gè)性化學(xué)習(xí)服務(wù)。

二、課程知識(shí)圖譜構(gòu)建

課程組以“軟件構(gòu)造基礎(chǔ)———C#程序設(shè)計(jì)”課程為例，基于本體結(jié)構(gòu)研究和設(shè)計(jì)，構(gòu)建一個(gè)課程知識(shí)圖譜實(shí)例。知識(shí)圖譜主要采用自頂向下的方式由課程組教師構(gòu)建，先確定知識(shí)圖譜模式層中的各級(jí)概念，再與從開放鏈接的數(shù)據(jù)源中提取出來的實(shí)體、屬性和關(guān)系等知識(shí)要素進(jìn)行關(guān)聯(lián)。圖2所示為C#課程知識(shí)圖譜構(gòu)建的流程，主要階段包括：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取、知識(shí)自動(dòng)/半自動(dòng)抽取、知識(shí)融合與表示、知識(shí)加工（實(shí)體對(duì)齊、標(biāo)準(zhǔn)表示、知識(shí)推理與發(fā)現(xiàn)等）。

（一）前期準(zhǔn)備

在構(gòu)建課程知識(shí)圖譜之前，課程組充分調(diào)研當(dāng)前知識(shí)圖譜實(shí)現(xiàn)技術(shù)及其工具集，完成構(gòu)建工具、存儲(chǔ)方式、支撐數(shù)據(jù)等選擇。目前，本體開發(fā)工具包括的美國斯坦福大學(xué)的Protégé和Ontolingua、德國卡爾斯魯厄大學(xué)的OntoEdit和KAON、英國的WebOnto、西班牙馬德里理工大學(xué)的WebODE等。本文采用Protégé作為課程本體構(gòu)建和編輯工具，采用OWL（webontologylanguage）格式文件存儲(chǔ)課程知識(shí)圖譜?？紤]C#程序設(shè)計(jì)課程知識(shí)圖譜設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的專業(yè)性要求，且涉及教學(xué)目標(biāo)等知識(shí)，因此圖譜的初步構(gòu)建工作主要依賴于課程的專任教師。此外，課程知識(shí)圖譜構(gòu)建的學(xué)習(xí)資源和知識(shí)素材主要取自課程教學(xué)大綱和核心教材，同時(shí)也參考了其它一些國內(nèi)外優(yōu)秀書籍，如JonSkeet著的《深入理解C#（第3版）》[4]、GaryMcLeanHall編著的《C#敏捷開發(fā)實(shí)踐》[5]等。

（二）課程知識(shí)圖譜主體內(nèi)容實(shí)現(xiàn)

本課程知識(shí)圖譜的內(nèi)容主要由以下部分構(gòu)成：類及其屬性和關(guān)系的定義、實(shí)例及其屬性和關(guān)系的標(biāo)注[6]。依據(jù)“軟件構(gòu)造基礎(chǔ)———C#程序設(shè)計(jì)”課程知識(shí)本體結(jié)構(gòu)，課程知識(shí)圖譜中含“章”“節(jié)”和“知識(shí)點(diǎn)”三個(gè)類，以及“包含”“相關(guān)”“順序”三種語義關(guān)系。在定義課程知識(shí)圖譜的邏輯結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，課程組按照自頂向下的方式對(duì)本課程的教學(xué)大綱及核心教材《C#程序設(shè)計(jì)教程（第2版）》進(jìn)行了深入分析，歸納本課程的知識(shí)單元，并劃分為12章、64節(jié)、249個(gè)知識(shí)點(diǎn)；從配套教材中提煉出上述三級(jí)知識(shí)單元，依次轉(zhuǎn)換為“章”“節(jié)”和“知識(shí)點(diǎn)”類的實(shí)體，并添加至課程知識(shí)圖譜之中；然后，進(jìn)一步標(biāo)注這些實(shí)體之間存在的“包含”“相關(guān)”及“順序”邏輯關(guān)系，初步形成一個(gè)完整的課程知識(shí)圖譜。圖3所示為章、節(jié)、知識(shí)點(diǎn)之間包含關(guān)系的可視化示例。

（三）知識(shí)圖譜檢驗(yàn)

“軟件構(gòu)造基礎(chǔ)———C#程序設(shè)計(jì)”課程知識(shí)圖譜構(gòu)建完成后，還需要完成質(zhì)量評(píng)估，即對(duì)知識(shí)圖譜執(zhí)行一致性和正確性的檢驗(yàn)。其中，圖譜的一致性檢驗(yàn)包括語法一致性檢驗(yàn)、語義一致性檢驗(yàn)和用戶自定義的一致性檢驗(yàn)[6]。本課程知識(shí)圖譜全程由Protégé編輯工具進(jìn)行開發(fā)，因此不可能存在語法不一致的問題；同時(shí)，在本知識(shí)圖譜中只存在“章”“節(jié)”和“知識(shí)點(diǎn)”三級(jí)概念，概念之間的關(guān)系比較明確，也基本不會(huì)產(chǎn)生沖突；實(shí)體之間的關(guān)系存在包含關(guān)系、相關(guān)關(guān)系和順序關(guān)系三種，其中包含關(guān)系依賴于教材大綱，十分明確沒有歧義，相關(guān)關(guān)系具有對(duì)稱性，基本不會(huì)產(chǎn)生不一致性，而對(duì)于可能出現(xiàn)不一致性問題的實(shí)體間的順序關(guān)系，可使用Protégé工具對(duì)課程知識(shí)圖譜進(jìn)行簡(jiǎn)單的推理，檢驗(yàn)出可能存在的不一致情況。

三、基于知識(shí)圖譜的學(xué)習(xí)導(dǎo)航系統(tǒng)研發(fā)

學(xué)習(xí)導(dǎo)航系統(tǒng)為具有不同知識(shí)接受能力的學(xué)生提供適配的學(xué)習(xí)服務(wù)，這種個(gè)性化的適配主要體現(xiàn)在課程內(nèi)容（學(xué)習(xí)素材）呈現(xiàn)和知識(shí)導(dǎo)航（學(xué)習(xí)路徑）支持兩方面[7]。其中，適配課程內(nèi)容呈現(xiàn)表現(xiàn)為不同學(xué)習(xí)能力（知識(shí)接受能力）的學(xué)生在點(diǎn)擊同一個(gè)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，看到的學(xué)習(xí)素材內(nèi)容并不一樣，而會(huì)根據(jù)學(xué)生當(dāng)前的知識(shí)基礎(chǔ)有所區(qū)別；適配知識(shí)導(dǎo)航支持則表現(xiàn)為具有不同學(xué)習(xí)能力、不同知識(shí)基礎(chǔ)的學(xué)生在訪問同一個(gè)知識(shí)單元時(shí)，看到的學(xué)習(xí)內(nèi)容的學(xué)習(xí)次序（跳轉(zhuǎn)鏈接）并不相同，會(huì)根據(jù)學(xué)生已掌握的知識(shí)單元學(xué)習(xí)歷史記錄進(jìn)行調(diào)整。

(一)課程內(nèi)容呈現(xiàn)

課程知識(shí)圖譜可根據(jù)學(xué)生的知識(shí)學(xué)習(xí)和接受能力，為其篩選合適的學(xué)習(xí)內(nèi)容以及不同形式的知識(shí)素材。主要過程如下：從課程知識(shí)圖譜中提取出知識(shí)單元（含章/節(jié)/知識(shí)點(diǎn)）形成目錄導(dǎo)航樹，供學(xué)生從中選取某一知識(shí)單元作為學(xué)習(xí)目標(biāo)；判斷學(xué)生是否已掌握當(dāng)前的知識(shí)單元；將學(xué)生尚未掌握的知識(shí)單元添加至學(xué)生的學(xué)習(xí)集合中，并基于關(guān)聯(lián)關(guān)系從課程的知識(shí)圖譜中提取其相關(guān)的基礎(chǔ)性知識(shí)（即該知識(shí)單元的前驅(qū)知識(shí)單元），并從學(xué)習(xí)資源中檢索出對(duì)應(yīng)的知識(shí)素材，供后續(xù)使用。

(二)知識(shí)導(dǎo)航支持

依據(jù)課程的知識(shí)圖譜，可自動(dòng)生成學(xué)生的學(xué)習(xí)路徑，實(shí)現(xiàn)課程學(xué)習(xí)資源和素材的快速導(dǎo)航，具體過程包括：提取學(xué)習(xí)資源涵蓋的知識(shí)點(diǎn)集合；根據(jù)課程知識(shí)圖譜中知識(shí)點(diǎn)之間的邏輯依存關(guān)系，判斷知識(shí)點(diǎn)相對(duì)的前驅(qū)后繼情況；生成各知識(shí)素材的學(xué)習(xí)順序。本文設(shè)計(jì)的智能學(xué)習(xí)導(dǎo)航為用戶提供基于定制學(xué)習(xí)內(nèi)容生成的高效學(xué)習(xí)路徑，其中C#程序設(shè)計(jì)課程知識(shí)圖譜是支持適配學(xué)習(xí)內(nèi)容呈現(xiàn)和導(dǎo)航的關(guān)鍵。課程知識(shí)圖譜作為知識(shí)內(nèi)容組織模型，存儲(chǔ)課程知識(shí)實(shí)體以及實(shí)體間關(guān)系等數(shù)據(jù)，并將知識(shí)點(diǎn)之間隱含的抽象關(guān)系以可視化的形式呈現(xiàn)出來；而學(xué)習(xí)導(dǎo)航系統(tǒng)從課程搜集整理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（教學(xué)素材）中搜索相關(guān)聯(lián)的知識(shí)實(shí)例，并基于專職任課教師預(yù)先抽取的相關(guān)知識(shí)實(shí)例與實(shí)體之間的關(guān)系生成結(jié)構(gòu)化的知識(shí)點(diǎn)圖譜。如圖4所示，基于C#程序設(shè)計(jì)課程知識(shí)圖譜構(gòu)建的學(xué)習(xí)導(dǎo)航系統(tǒng)采用模型—視圖—控制器（modelviewcontroller,MVC）開發(fā)模式，采用Jena語義網(wǎng)應(yīng)用框架實(shí)現(xiàn)模型層數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，采用ECharts開源可視化庫實(shí)現(xiàn)視圖層的可視化界面，并采用Python實(shí)現(xiàn)控制器層的業(yè)務(wù)邏輯處理。

四、試驗(yàn)及分析

項(xiàng)目組將采用課程知識(shí)圖譜技術(shù)的C#課程學(xué)習(xí)導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于“軟件構(gòu)造基礎(chǔ)———C#程序設(shè)計(jì)”課程的教學(xué)實(shí)踐中。將40名選修本課程學(xué)生分為甲、乙兩組，以第二章合計(jì)25個(gè)知識(shí)點(diǎn)為測(cè)試項(xiàng)，甲組20名學(xué)生使用學(xué)習(xí)導(dǎo)航系統(tǒng)，乙組20名學(xué)生未使用學(xué)習(xí)導(dǎo)航系統(tǒng)，完成第二章內(nèi)容學(xué)習(xí)后通過標(biāo)準(zhǔn)化試題測(cè)試兩組學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。圖5所示為知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)效果對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，數(shù)據(jù)顯示使用本文知識(shí)圖譜學(xué)習(xí)導(dǎo)航系統(tǒng)的甲組學(xué)生平均成績?yōu)?8.4，而未使用學(xué)習(xí)導(dǎo)航系統(tǒng)的乙組學(xué)生平均成績?yōu)?9.2，說明知識(shí)圖譜對(duì)提高學(xué)生本課程的學(xué)習(xí)效率有一定幫助。

五、結(jié)語

“軟件構(gòu)造基礎(chǔ)———C#程序設(shè)計(jì)”課程在線教學(xué)中存在互動(dòng)方式有限、無法切實(shí)了解學(xué)生聽課效果等問題，為達(dá)到預(yù)期教學(xué)目標(biāo)，構(gòu)建課程學(xué)習(xí)導(dǎo)航系統(tǒng)以提供個(gè)性化知識(shí)學(xué)習(xí)服務(wù)是一個(gè)非常必要的解決方案。然而，學(xué)習(xí)導(dǎo)航系統(tǒng)的研發(fā)依然面臨很多技術(shù)挑戰(zhàn)，其中如何針對(duì)每位學(xué)生對(duì)課程知識(shí)理解掌握的實(shí)際情況為其規(guī)劃更高效的學(xué)習(xí)路徑十分關(guān)鍵，課程知識(shí)圖譜恰好可以滿足這一需求。為此，課程組將知識(shí)圖譜技術(shù)引入C#課程學(xué)習(xí)導(dǎo)航系統(tǒng)研發(fā)之中，并在軟件工程專業(yè)的課程教學(xué)中進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)踐，對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，基于知識(shí)圖譜的課程學(xué)習(xí)導(dǎo)航系統(tǒng)能克服紙質(zhì)教材知識(shí)素材分散性的不足，有效促進(jìn)關(guān)聯(lián)知識(shí)的學(xué)習(xí)和記憶，進(jìn)一步提高學(xué)生對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)的掌握度。當(dāng)前課程知識(shí)圖譜的構(gòu)建在很大程度上還依賴于學(xué)科專家的篩選處理，而實(shí)現(xiàn)課程知識(shí)圖譜的全程自動(dòng)化構(gòu)建對(duì)于推動(dòng)知識(shí)服務(wù)發(fā)展具有十分重大的意義。未來，課程組將圍繞上述課題以及知識(shí)圖譜的高效應(yīng)用展開進(jìn)一步的研究。

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作者:何政 葉剛 單位:武漢大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院