程昌品　陳強(qiáng)

摘要：知識(shí)庫(kù)是智能化教學(xué)系統(tǒng)的核心，是實(shí)現(xiàn)個(gè)性化知識(shí)推薦的關(guān)鍵。為了提高個(gè)性化知識(shí)推薦教學(xué)系統(tǒng)的診斷和決策能力，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于知識(shí)樹(shù)的知識(shí)表示模型，支持有效地知識(shí)邏輯推理，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)與教學(xué)過(guò)程的智能導(dǎo)航，在此基礎(chǔ)上提出了知識(shí)樹(shù)過(guò)濾推薦算法，通過(guò)該智能導(dǎo)航算法仿真學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，知識(shí)表示模型的設(shè)計(jì)能夠更好地為學(xué)生提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)參考需要，當(dāng)知識(shí)點(diǎn)在沒(méi)有任何學(xué)生學(xué)習(xí)的情況下也能夠被過(guò)濾出來(lái)推薦給學(xué)生，驗(yàn)證了基于知識(shí)樹(shù)的知識(shí)表示模型的有效性。

關(guān)鍵詞：知識(shí)樹(shù)；知識(shí)表示模型；知識(shí)樹(shù)過(guò)濾推薦算法

中圖分類(lèi)號(hào)：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2012）34-8268-04

我國(guó)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)最大的問(wèn)題是按事先設(shè)計(jì)的教學(xué)策略將簡(jiǎn)單堆積的教學(xué)資源強(qiáng)行灌輸給學(xué)生，是填鴨式教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)形式，這樣不但滿足不了不同學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，還容易導(dǎo)致學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)中出現(xiàn)厭學(xué)情緒，學(xué)習(xí)過(guò)程單調(diào)乏味從而學(xué)習(xí)效率低下。近年來(lái)興起的智能化教學(xué)系統(tǒng)[1]，能夠通過(guò)捕捉用戶需求信息，按學(xué)員的個(gè)性需求在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的知識(shí)推薦[2]。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有各種智能化教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行分析，不難發(fā)現(xiàn)要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化關(guān)鍵要解決兩個(gè)難題：一是網(wǎng)絡(luò)課程的知識(shí)表示模型設(shè)計(jì)二是獲取用戶興趣的用戶模型設(shè)計(jì)，典型的智能化教學(xué)系統(tǒng)模型如圖1所示。

用戶模型：描述用戶的個(gè)性特征，包括用戶基本信息、學(xué)習(xí)風(fēng)格、學(xué)生興趣、認(rèn)知水平（背景知識(shí)、知識(shí)熟練程度、認(rèn)知能力）；學(xué)習(xí)行為記錄了用戶的學(xué)習(xí)歷史過(guò)程（如訪問(wèn)哪些資源、學(xué)習(xí)時(shí)間、訪問(wèn)次數(shù)等），系統(tǒng)可根據(jù)用戶的學(xué)習(xí)歷史過(guò)程更新用戶模型。

課程知識(shí)庫(kù)：智能化教學(xué)系統(tǒng)的核心，是實(shí)現(xiàn)個(gè)性化知識(shí)推薦的關(guān)鍵。知識(shí)表示模型決定了知識(shí)庫(kù)的架構(gòu)。知識(shí)表示模型能夠有效地控制教學(xué)過(guò)程，與科學(xué)的教學(xué)策略相結(jié)合，能夠滿足個(gè)性化知識(shí)推薦的需求，實(shí)現(xiàn)因材施教的教育思想。知識(shí)表示是學(xué)科知識(shí)與教學(xué)策略的整合，它的實(shí)質(zhì)是知識(shí)的符號(hào)化，主要是為了便于計(jì)算機(jī)對(duì)知識(shí)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。目前，使用較多的知識(shí)表示技術(shù)有一階謂詞邏輯表示法、語(yǔ)義網(wǎng)表示法、產(chǎn)生式表示法、框架表示法等。課程知識(shí)庫(kù)[3]包含與知識(shí)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的教學(xué)素材、試題、輔助學(xué)習(xí)資料等，它包含知識(shí)點(diǎn)屬性和知識(shí)點(diǎn)鏈接兩個(gè)部分，是知識(shí)表示的基礎(chǔ)，反映了知識(shí)庫(kù)的層次結(jié)構(gòu)和知識(shí)點(diǎn)之間的相互關(guān)系。

知識(shí)點(diǎn)過(guò)濾推薦算法：在用戶模型、課程知識(shí)庫(kù)基礎(chǔ)之上，根據(jù)不同類(lèi)型的學(xué)習(xí)風(fēng)格及個(gè)性差異，選擇相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)策略，適應(yīng)性地向用戶推薦最佳學(xué)習(xí)活動(dòng)序列和學(xué)習(xí)資源。

呈現(xiàn)模型：該模型的主要工作是將個(gè)性化推薦結(jié)果返還給用戶，個(gè)性化推薦結(jié)果可以以各種方式返還給用戶，如信函、電子郵件、網(wǎng)絡(luò)電子公告欄等。

1知識(shí)表示模型設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)可以看做是一棵倒立的知識(shí)樹(shù)，課程相當(dāng)于根，每一章和每一節(jié)構(gòu)成樹(shù)的莖，知識(shí)點(diǎn)是樹(shù)的葉。課程的章節(jié)之間存在著一定聯(lián)系，課程的知識(shí)點(diǎn)也存在著內(nèi)在聯(lián)系，通過(guò)前驅(qū)、后繼關(guān)系描述這種聯(lián)系，并通過(guò)關(guān)聯(lián)度反映知識(shí)點(diǎn)之間關(guān)聯(lián)的緊密程度。每一個(gè)課件或者每一個(gè)專(zhuān)題講解資料都對(duì)應(yīng)一個(gè)或者若干個(gè)知識(shí)點(diǎn)?；诖朔N思路，該文設(shè)計(jì)的知識(shí)表示模型如圖3所示，它也是下文進(jìn)行個(gè)性化知識(shí)推薦的基礎(chǔ)和依據(jù)。

1.1知識(shí)與知識(shí)點(diǎn)

知識(shí)點(diǎn)：是指不能再分的完整、獨(dú)立的基本知識(shí)單位，如數(shù)學(xué)中的基本概念、定義等。

單元知識(shí)：由內(nèi)容相關(guān)度較高的知識(shí)點(diǎn)整合而成，如教材中的每一節(jié)知識(shí)，就是由若干相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)整合而成。

章知識(shí)：由若干相關(guān)的單元知識(shí)整合而成，是比較完整的教學(xué)知識(shí)的表達(dá)。

課程知識(shí)：由若干篇章知識(shí)整合而成，其特點(diǎn)是知識(shí)體系相對(duì)系統(tǒng)、完整、獨(dú)立，通過(guò)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)員能夠深入掌握某種專(zhuān)門(mén)的技能，或?yàn)檫M(jìn)一步學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)，如高等數(shù)學(xué)課程、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)課程等。

為了方便用戶學(xué)習(xí)，知識(shí)點(diǎn)劃分的基本作法是教科書(shū)的一章可以化為一個(gè)大的知識(shí)點(diǎn)，其中一節(jié)的內(nèi)容又可細(xì)劃為較小的知識(shí)點(diǎn)，一節(jié)中的定義、定理等還可以劃分為更小的知識(shí)點(diǎn)。從這種知識(shí)組織的角度來(lái)講，將知識(shí)點(diǎn)分為基本知識(shí)點(diǎn)和整合知識(shí)點(diǎn)兩種基本類(lèi)型。其中基本知識(shí)點(diǎn)為領(lǐng)域知識(shí)中最基本的知識(shí)單元，對(duì)教學(xué)而言基本知識(shí)點(diǎn)在內(nèi)容上具有不可劃分性。而整合知識(shí)點(diǎn)由兩個(gè)或兩個(gè)以上的知識(shí)點(diǎn)組成，組成整合知識(shí)點(diǎn)的知識(shí)點(diǎn)可以是基本知識(shí)點(diǎn)，也可以是若干整合知識(shí)點(diǎn)的整合[3]。

知識(shí)點(diǎn)是教學(xué)組織的知識(shí)單位，就計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的《操作系統(tǒng)》課程而言，見(jiàn)下圖，知識(shí)點(diǎn)可以是一個(gè)概念、一個(gè)實(shí)例、某個(gè)操作，某個(gè)實(shí)現(xiàn)模式等，也可以是幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)的整合或一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的分解。

1.2知識(shí)表示模型的設(shè)計(jì)[4]

該文的知識(shí)表示模型特點(diǎn)是通過(guò)層次關(guān)系描述知識(shí)點(diǎn)之間的相互關(guān)系結(jié)構(gòu)，為此定義了兩種關(guān)系：前驅(qū)關(guān)系和后繼關(guān)系。

①前驅(qū)關(guān)系：例如，知識(shí)點(diǎn)“進(jìn)程”與“線程”之間的關(guān)系。知識(shí)點(diǎn)“線程”的學(xué)習(xí)依賴(lài)于知識(shí)點(diǎn)“進(jìn)程”的學(xué)習(xí)，則知識(shí)點(diǎn)“進(jìn)程”是知識(shí)點(diǎn)“線程”的前驅(qū)。前驅(qū)關(guān)系具有傳遞性，如果A是B的前驅(qū)，B是C的前驅(qū)，則A是C的前驅(qū)。

②后繼關(guān)系：例如，“線程”與“處理器調(diào)度”之間的關(guān)系。學(xué)習(xí)完知識(shí)點(diǎn)“線程”后學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)為“處理器調(diào)度”，則“線程”與“處理器調(diào)度”構(gòu)成后繼關(guān)系?！疤幚砥髡{(diào)度”是“線程”的后繼。后繼關(guān)系與前驅(qū)關(guān)系是互逆的。后繼關(guān)系也具有傳遞性。

課程的知識(shí)表示模型可通過(guò)知識(shí)之間的層次關(guān)系圖描述。下圖是《操作系統(tǒng)》課程的教學(xué)知識(shí)層次關(guān)系圖，圖中由若干結(jié)點(diǎn)與知識(shí)點(diǎn)組成，每一個(gè)結(jié)點(diǎn)表示一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，結(jié)點(diǎn)之間的連線表示它們之間具有關(guān)聯(lián)關(guān)系，連線上的值代表關(guān)聯(lián)程度。關(guān)聯(lián)程度是反映知識(shí)點(diǎn)之間相互關(guān)系的基本參數(shù)，整個(gè)課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)由這種層次關(guān)系圖描述，不過(guò)，如何科學(xué)的確定知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)程度，直接影響對(duì)課程知識(shí)體系的表述與構(gòu)建，顯然不可以隨心所欲地主觀確定。我們的作法是：由若干有豐富教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的老師先提出各自的預(yù)案，對(duì)知識(shí)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)度先給出參考值，然后通過(guò)求取平均值來(lái)確定。

知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系可能有一個(gè)前驅(qū)知識(shí)點(diǎn)多個(gè)后繼知識(shí)點(diǎn)，例如：對(duì)于知識(shí)點(diǎn)“進(jìn)程”，它有一個(gè)前驅(qū)知識(shí)點(diǎn)“進(jìn)程管理”和多個(gè)后繼知識(shí)點(diǎn)“進(jìn)程的基本特征”、“進(jìn)程狀態(tài)及轉(zhuǎn)換”、“進(jìn)程描述”和“進(jìn)程控制”。此外，知識(shí)點(diǎn)還會(huì)有如下幾種情況：一個(gè)前驅(qū)知識(shí)點(diǎn)一個(gè)后繼知識(shí)點(diǎn)；多個(gè)前驅(qū)知識(shí)點(diǎn)一個(gè)后繼知識(shí)點(diǎn)；一個(gè)前驅(qū)知識(shí)點(diǎn)多個(gè)后繼知識(shí)點(diǎn)；以及沒(méi)有前驅(qū)知識(shí)點(diǎn)或者沒(méi)有后繼知識(shí)點(diǎn)等情況。

圖3的分析思路相應(yīng)的表格設(shè)計(jì)如下：

知識(shí)點(diǎn)描述表（編號(hào)，名稱(chēng)，描述，所屬章節(jié)），編號(hào)為此表的主鍵。

知識(shí)點(diǎn)關(guān)系表（編號(hào)，前驅(qū)知識(shí)點(diǎn)編號(hào)，知識(shí)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)度），編號(hào)和前驅(qū)知識(shí)點(diǎn)編號(hào)共同作為此表的主鍵，知識(shí)點(diǎn)編號(hào)是相對(duì)于知識(shí)點(diǎn)表的外鍵。對(duì)應(yīng)的表關(guān)系如下：

表1中知識(shí)點(diǎn)“進(jìn)程”有一個(gè)前驅(qū)知識(shí)點(diǎn)“進(jìn)程管理”和多個(gè)后繼知識(shí)點(diǎn)“進(jìn)程的基本特征”、“進(jìn)程狀態(tài)及轉(zhuǎn)換”、“進(jìn)程描述”和“進(jìn)程控制”，它們的關(guān)聯(lián)度分別為0.8，0.7，0.7，0.60

2個(gè)性化知識(shí)推薦[5]

在完成了基于網(wǎng)絡(luò)課程的知識(shí)表示設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，實(shí)施課程知識(shí)點(diǎn)的個(gè)性化推薦。側(cè)重通過(guò)知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系（如表1所示）來(lái)進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的推薦，考察用戶過(guò)去的學(xué)習(xí)行為也即瀏覽訪問(wèn)的知識(shí)點(diǎn)，從而可以獲取用戶感興趣的學(xué)習(xí)內(nèi)容，并向用戶推薦同類(lèi)的教學(xué)資源。知識(shí)樹(shù)過(guò)濾推薦算法的具體步驟如下：

1）通過(guò)對(duì)課程的基本知識(shí)點(diǎn)的測(cè)試，獲得用戶的基礎(chǔ)水平，根據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)，向用戶推薦符合其基礎(chǔ)水平的章節(jié)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行學(xué)習(xí)。具體思路如下：

若用戶是新生，則用戶基礎(chǔ)水平的知識(shí)點(diǎn)范圍涉及本課程的基本知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容，根據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)向?qū)W生推薦章節(jié)進(jìn)行學(xué)習(xí)，如：

If認(rèn)知水平值<=0.3 then學(xué)習(xí)第四章知識(shí)點(diǎn)

Else if認(rèn)知水平值>=0.7then學(xué)習(xí)第六章知識(shí)點(diǎn)

Else學(xué)習(xí)第五章知識(shí)點(diǎn)

若用戶是老生，測(cè)試其基礎(chǔ)水平，分析其對(duì)此章節(jié)的學(xué)習(xí)掌握程度，以決定推薦下一章節(jié)的學(xué)習(xí)或前一章節(jié)的學(xué)習(xí)，如：

If認(rèn)知水平值>0.5then 學(xué)習(xí)下一章節(jié)知識(shí)點(diǎn)

Else 學(xué)習(xí)上一章節(jié)知識(shí)點(diǎn)

2）獲得用戶可能感興趣的知識(shí)點(diǎn)集合。通過(guò)上步測(cè)試，確定向?qū)W員推薦當(dāng)前適合的知識(shí)點(diǎn)，并得到這些知識(shí)點(diǎn)的后繼知識(shí)點(diǎn)；根據(jù)知識(shí)點(diǎn)關(guān)聯(lián)度屬性，去掉關(guān)聯(lián)度小于0.5的相鄰知識(shí)點(diǎn)。表1表示了知識(shí)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)度，知識(shí)點(diǎn)“進(jìn)程”有一個(gè)前驅(qū)知識(shí)點(diǎn)“進(jìn)程管理”和多個(gè)后繼知識(shí)點(diǎn)“進(jìn)程的基本特征”、“進(jìn)程狀態(tài)及轉(zhuǎn)換”、“進(jìn)程描述”和“進(jìn)程控制”，它們的關(guān)聯(lián)度分別為0.8，0.7，0.7，0.60，表明這些知識(shí)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)度都超過(guò)0.5，即它們與知識(shí)點(diǎn)“進(jìn)程”關(guān)系密切，是用戶必須學(xué)習(xí)掌握的內(nèi)容。如果當(dāng)前訪問(wèn)的知識(shí)點(diǎn)是“進(jìn)程”，則用戶感興趣的知識(shí)點(diǎn)集合包含這些后繼知識(shí)點(diǎn)。

3）然后選擇當(dāng)前知識(shí)點(diǎn)相關(guān)度最高的前若干項(xiàng)（Top-N）作為推薦結(jié)果給當(dāng)前用戶。

3實(shí)驗(yàn)評(píng)估設(shè)計(jì)[6]

為驗(yàn)證知識(shí)樹(shù)過(guò)濾推薦算法的準(zhǔn)確性和有效性，按以下方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)估設(shè)計(jì)：由多名專(zhuān)家通過(guò)討論提出操作系統(tǒng)課程到底包含哪些基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，我們的設(shè)計(jì)方案中應(yīng)有30個(gè)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，并組織專(zhuān)家提供兩套操作系統(tǒng)試題，每套30個(gè)選擇題，每個(gè)選擇題都是對(duì)一個(gè)基礎(chǔ)知識(shí)的考核，并且考核的難度相，只是考核的角度有所不同。

第一步，抽取15名用戶對(duì)第一套試題進(jìn)行自測(cè)，該套試題共涉及到30個(gè)知識(shí)點(diǎn)。測(cè)試后，根據(jù)知識(shí)點(diǎn)掌握熟練情況及知識(shí)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)程度按知識(shí)樹(shù)過(guò)濾推薦算法獲取推薦集合。

第二步，組織用戶按照推薦結(jié)果進(jìn)行復(fù)習(xí)，用戶復(fù)習(xí)完全部推薦內(nèi)容后，組織用戶對(duì)第二套試題進(jìn)行自測(cè)，并對(duì)自測(cè)成績(jī)和第一次自測(cè)成績(jī)進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)統(tǒng)計(jì)，15名學(xué)員推薦前的平均學(xué)習(xí)成績(jī)?yōu)?8，通過(guò)知識(shí)樹(shù)過(guò)濾推薦算法進(jìn)行學(xué)習(xí)后的平均學(xué)習(xí)成績(jī)則達(dá)到84，算法的有效性值得肯定。

4結(jié)論

該文研究網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)下如何實(shí)施因材施教，為學(xué)員提供個(gè)性化知識(shí)推薦問(wèn)題，通過(guò)知識(shí)庫(kù)、教學(xué)方法、教學(xué)手段、學(xué)員認(rèn)知水平等方面的協(xié)同整合，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)知識(shí)的發(fā)現(xiàn)、定位及訪問(wèn)，是對(duì)傳統(tǒng)的填鴨式教學(xué)的變革，使網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)智能化。為此基于網(wǎng)絡(luò)課程進(jìn)行了知識(shí)表示模型的設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上提出了一種知識(shí)點(diǎn)過(guò)濾推薦算法，能夠避免“冷啟動(dòng)”造成的對(duì)新學(xué)員無(wú)法進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)推薦的問(wèn)題，也能夠針對(duì)個(gè)體特征引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，從而改善用戶學(xué)習(xí)效率低、學(xué)習(xí)過(guò)程盲目混亂的狀況，能夠激發(fā)學(xué)生求知的欲望，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)探求知識(shí)，讓學(xué)生與教學(xué)平臺(tái)“互動(dòng)”起來(lái)。但該文的研究局限于網(wǎng)絡(luò)課程，而不是網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的個(gè)性化知識(shí)推薦研究，需要今后進(jìn)一步擴(kuò)展和完善。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊德華.個(gè)性化遠(yuǎn)程教學(xué)模型的研究與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代遠(yuǎn)距離教育，2008（2）.

[2]李高敏.基于協(xié)同過(guò)濾的教學(xué)資源個(gè)性化推薦技術(shù)的研究及應(yīng)用[D].北京交通大學(xué)，2010.

[3]曹偉.自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)中知識(shí)表示模型的設(shè)計(jì)[J]，計(jì)算機(jī)仿真，2010（3）.

[4]胡曉楠.基于知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)內(nèi)容個(gè)性化推薦研究[D].重慶大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，2010.

[5]JonathanL.Herlocker，JosephA.Konstan，LorenG.Terveen，JohhT.Riedl，Evaluatingcollaborativeilteringrecommendersystems.ACMTransactiononInformationSystems，2004，22（1），20-21.

[6]程昌品.基于信息增益比的決策樹(shù)用于畢業(yè)生就業(yè)預(yù)測(cè)[J].計(jì)算機(jī)仿真，2009（5）.