陳光儀，陳義明，喬波

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與智能科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410128）

0 引 言

隨著終身學(xué)習(xí)觀念的不斷深入人心，外加近年來新冠疫情的防控需求，在線學(xué)習(xí)已越來越多地成為廣大學(xué)習(xí)者的重要學(xué)習(xí)方式。各地學(xué)校和教育主管部門紛紛建立起各自的在線教學(xué)平臺，教育部也在融合現(xiàn)有開放教學(xué)資源的基礎(chǔ)上建立了國家智慧教育與公共服務(wù)平臺，為社會大眾提供全方位的面向中小學(xué)教育、職業(yè)教育和高等教育的在線教學(xué)服務(wù)。然而，對現(xiàn)有在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)進行深入研究后發(fā)現(xiàn)：目前絕大部分在線課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)資源和學(xué)習(xí)路徑都僅按其所用教材的章節(jié)順序加以組織，缺乏基于課程知識點內(nèi)在關(guān)聯(lián)邏輯的體系結(jié)構(gòu)支撐；同時幾乎所有系統(tǒng)都缺乏對不同學(xué)習(xí)者個體特征和個性化需求的自適應(yīng)性，亦無法提供及時而富有針對性的個體指導(dǎo)。從而使得學(xué)習(xí)者不知如何自主把握學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)進度，也難獨立形成系統(tǒng)性的課程知識體系結(jié)構(gòu)，造成整體上的系統(tǒng)交互體驗不好、學(xué)習(xí)效果不佳。本文擬就如何解決這一問題展開研究，以期推動新一代信息技術(shù)與在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)的深度融合，促進全社會智慧學(xué)習(xí)環(huán)境的創(chuàng)設(shè)和發(fā)展。

1 相關(guān)技術(shù)研究

新一代信息技術(shù)尤其是人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展給創(chuàng)建更具智慧的在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)帶來了無限可能。智慧化在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)本質(zhì)上可視作為一種語義網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，因為語義網(wǎng)絡(luò)的目的即為全體互聯(lián)網(wǎng)用戶提供一個更加準(zhǔn)確、更加智能的知識獲取環(huán)境，知識圖譜是實現(xiàn)語義網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)基礎(chǔ)，是通向語義網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的鮮明道路。

知識圖譜由Google 公司在2012年提出，其初衷是為了優(yōu)化搜索引擎，將傳統(tǒng)基于關(guān)鍵詞的搜索升級為基于語義的搜索，以此提高用戶的使用體驗。知識圖譜有通用知識圖譜和垂直知識圖譜之分，均采用SPO（Subject-Predicate-Object）三元組的形式描述現(xiàn)實世界中的實體、實體的特性以及實體之間的相互關(guān)系。知識圖譜相當(dāng)于一個大型的語義知識庫，它以圖形化的結(jié)構(gòu)來表示知識之間錯綜復(fù)雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系。構(gòu)建知識圖譜有自頂向下和自底向上兩種方式，前者通常指基于百科類網(wǎng)站等高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)源，從中提取本體和模式信息后再加入知識庫中，因而適用于那些內(nèi)容明確、關(guān)系清晰的領(lǐng)域知識圖譜構(gòu)建；后者一般指通過借助特定的技術(shù)手段從公開采集的數(shù)據(jù)中提取模式信息，選擇其中置信度較高的新模式，經(jīng)人工審核后再加入知識庫中。

智慧化學(xué)習(xí)系統(tǒng)是人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)和現(xiàn)代教育技術(shù)相融合的典型成果。與傳統(tǒng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的最大區(qū)別在于：智慧化學(xué)習(xí)系統(tǒng)以學(xué)習(xí)者為中心，主動適應(yīng)學(xué)習(xí)者的個體特征和個性需求，全程強調(diào)學(xué)習(xí)者個人學(xué)習(xí)方式和學(xué)習(xí)習(xí)慣的充分發(fā)揮。它借助大數(shù)據(jù)和人工智能的相關(guān)技術(shù)，全面及時地獲取學(xué)習(xí)者與學(xué)習(xí)系統(tǒng)交互所產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)信息，進而分析他們的認知水平、學(xué)習(xí)習(xí)慣、學(xué)習(xí)方式和學(xué)習(xí)狀態(tài)，然后根據(jù)學(xué)習(xí)者畫像動態(tài)調(diào)整他們的學(xué)習(xí)路徑和學(xué)習(xí)資源，針對性地推薦后續(xù)學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)活動，從而真正實現(xiàn)了因材施教的教學(xué)過程。

2 系統(tǒng)模型設(shè)計

實現(xiàn)基于知識圖譜的在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)，需要人工智能以及大數(shù)據(jù)技術(shù)的支持。參考Brusilovsky 等人提出的自適應(yīng)超媒體教學(xué)系統(tǒng)（Adaptive Educational Hypermedia Systems，AEHS）通用模型，再結(jié)合目前主流在線學(xué)習(xí)平臺的發(fā)展情況，本文設(shè)計得到基于知識圖譜的在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)的系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)模型

基于知識圖譜的在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)由課程知識圖譜模型、學(xué)習(xí)者模型、學(xué)習(xí)模型、交互界面模型和自適應(yīng)引擎組成。

課程知識圖譜模型是實現(xiàn)智慧學(xué)習(xí)系統(tǒng)的前提和基礎(chǔ)。構(gòu)建課程知識圖譜首先必須選擇好課程領(lǐng)域內(nèi)的經(jīng)典教材；然后以知識點為核心建立完整的課程知識結(jié)構(gòu)體系，并抽取教材上所涵蓋的全部學(xué)習(xí)內(nèi)容，加工整理后再組織到對應(yīng)的各個知識點中。學(xué)習(xí)資源方面，既要積極鼓勵教育者根據(jù)課程知識特點自制各種富媒體教學(xué)材料，也可以搜集整理互聯(lián)網(wǎng)上與課程有關(guān)的開放教育資源加以利用，然后再建立學(xué)習(xí)資源與課程知識點之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

學(xué)習(xí)者模型是所有使用系統(tǒng)的學(xué)習(xí)者的數(shù)字畫像。構(gòu)建學(xué)習(xí)者模型之前，應(yīng)該盡可能全面地采集其個體化靜態(tài)特征和動態(tài)特征。靜態(tài)特征是指學(xué)習(xí)者在使用系統(tǒng)之前即已具有的相關(guān)信息，主要包括其個人描述和對課程知識的現(xiàn)有認知水平；動態(tài)特征是指學(xué)習(xí)者在使用系統(tǒng)之后，隨著學(xué)習(xí)的進行和不斷深入所產(chǎn)生的交互信息，主要包括其學(xué)習(xí)行為習(xí)慣、學(xué)習(xí)風(fēng)格和個體需求等。學(xué)習(xí)者模型在學(xué)習(xí)者注冊時創(chuàng)建，并隨其在線學(xué)習(xí)活動的開展而不斷調(diào)整、豐富和完善。

學(xué)習(xí)模型是對學(xué)習(xí)者和學(xué)習(xí)系統(tǒng)交互融合過程的抽象。在該模型中，學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)行為受到課程知識圖譜模型及學(xué)習(xí)者模型的影響，同時也和系統(tǒng)提供的交互界面模型緊密相關(guān)。學(xué)習(xí)者可以根據(jù)課程知識體系結(jié)構(gòu)自主選擇知識點和相關(guān)學(xué)習(xí)資源進行學(xué)習(xí)，也可以根據(jù)系統(tǒng)推薦的學(xué)習(xí)路徑開展學(xué)習(xí)活動，學(xué)習(xí)模型能保證學(xué)習(xí)者高質(zhì)高效地逐步完成課程全部知識點的系統(tǒng)性學(xué)習(xí)。

交互界面模型是對學(xué)習(xí)者和學(xué)習(xí)系統(tǒng)信息交互場所的抽象。學(xué)習(xí)者將個體學(xué)習(xí)需求和學(xué)習(xí)目標(biāo)通過該模型反饋到系統(tǒng)，系統(tǒng)將個性化的學(xué)習(xí)路徑和學(xué)習(xí)資源通過模型及時呈現(xiàn)給學(xué)習(xí)者。構(gòu)建交互界面模型時，一方面要考慮學(xué)習(xí)者群體層次的豐富性，功能界面應(yīng)盡量簡潔、友好和美觀；另一方面根據(jù)馬斯洛需求層次理論，也要考慮學(xué)習(xí)者在移動互聯(lián)網(wǎng)時代的社交習(xí)慣需求，多提供系統(tǒng)和主流社交平臺的互聯(lián)共享通道。

自適應(yīng)引擎負責(zé)學(xué)習(xí)系統(tǒng)中各模型之間的信息交互和傳遞。其主要作用在于：一方面，將學(xué)習(xí)者使用系統(tǒng)時在交互界面模型中生成的動態(tài)信息傳遞給學(xué)習(xí)者模型和學(xué)習(xí)模型；另一方面，根據(jù)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)情況和實際需求，基于課程知識圖譜模型推薦學(xué)習(xí)路徑和學(xué)習(xí)資源，并將相應(yīng)信息傳遞給學(xué)習(xí)模型或通過交互界面模型呈現(xiàn)給學(xué)習(xí)者。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計與實現(xiàn)

本章將以“Python 程序語言設(shè)計”課程為例，詳細介紹基于知識圖譜的在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)的功能設(shè)計與實現(xiàn)流程。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫模型、功能模塊和程序流程均圍繞系統(tǒng)模型而展開，數(shù)據(jù)庫設(shè)計重點考慮創(chuàng)建課程知識圖譜模型和學(xué)習(xí)者模型所需的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)和物理存儲要求；功能模塊主要考慮如何創(chuàng)建并使用學(xué)習(xí)者模型和交互界面模型；程序流程則主要考慮學(xué)習(xí)模型和自適應(yīng)引擎的實現(xiàn)，以及如何利用學(xué)習(xí)者和系統(tǒng)的交互不斷改進完善所有模型。

3.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

關(guān)系型數(shù)據(jù)庫在結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲和處理方面擁有絕對優(yōu)勢，但對知識組織及存儲的支持卻不夠友好，而以圖論為基礎(chǔ)的圖數(shù)據(jù)庫在此方面卻恰好擁有與生俱來的長處?；谥R圖譜的在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)在支持課程知識圖譜模型方面選擇了開源的圖數(shù)據(jù)庫Neo4j，而在支持學(xué)習(xí)者模型以及組織存儲學(xué)習(xí)者和系統(tǒng)的交互信息等方面則選擇了開源的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫PostgreSQL。使用數(shù)據(jù)庫輔助建模工具設(shè)計得到的數(shù)據(jù)庫模型如圖2所示。

圖2 在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫模型

數(shù)據(jù)庫中主要存儲與課程知識點有關(guān)的學(xué)習(xí)資源信息以及所有學(xué)習(xí)者的個人信息，同時學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)行為和交互數(shù)據(jù)也會保存在數(shù)據(jù)庫中。這些內(nèi)容將用于初始課程知識圖譜模型、學(xué)習(xí)者模型和學(xué)習(xí)模型的創(chuàng)建，也將用于后期對這些模型的優(yōu)化和完善。

3.2 功能模塊設(shè)計與實現(xiàn)

基于知識圖譜的在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)實現(xiàn)了課程知識圖譜模型、學(xué)習(xí)者模型、學(xué)習(xí)模型、交互界面模型和自適應(yīng)引擎的創(chuàng)建、使用和管理功能。系統(tǒng)功能模塊主要包括學(xué)習(xí)模塊和管理模塊兩部分。前者給學(xué)習(xí)者使用，提供用戶注冊登錄和課程在線學(xué)習(xí)等功能，系統(tǒng)將根據(jù)注冊信息創(chuàng)建學(xué)習(xí)者模型，基于課程知識圖譜模型初始化當(dāng)前學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)模型，并將符合其個性需求的學(xué)習(xí)路徑和學(xué)習(xí)資源通過交互界面模型呈現(xiàn)給學(xué)習(xí)者；后者給管理者使用，提供對課程知識圖譜、學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)者注冊過程及個人信息的統(tǒng)一管理功能，以便于在系統(tǒng)使用過程中不斷對各模型進行調(diào)整和完善。

3.2.1 學(xué)習(xí)模塊

學(xué)習(xí)模塊首先為所有學(xué)習(xí)者提供了注冊功能。為了后續(xù)提供個性化的學(xué)習(xí)服務(wù)，要求學(xué)習(xí)者在注冊時必須提供與課程有關(guān)的學(xué)習(xí)經(jīng)歷等背景信息，并參加課程基礎(chǔ)知識測試。學(xué)習(xí)者登錄系統(tǒng)后，可以自主選擇課程知識點進行學(xué)習(xí)，或者根據(jù)系統(tǒng)推薦的學(xué)習(xí)路徑開展學(xué)習(xí)活動。學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中，可以隨時對學(xué)習(xí)資源進行評論、收藏和評分，還可以就學(xué)習(xí)內(nèi)容和知識點問題在課程討論區(qū)中與其他學(xué)習(xí)者相互交流探討。學(xué)習(xí)者使用學(xué)習(xí)模塊的基本流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)學(xué)習(xí)模塊程序流程圖

根據(jù)上述流程，分析學(xué)習(xí)模塊的主要子功能應(yīng)該包括學(xué)習(xí)者個人注冊、課程在線學(xué)習(xí)、課程知識交流討論和學(xué)習(xí)者個人信息管理等。設(shè)計得到學(xué)習(xí)模塊的功能模塊圖如圖4所示，各子模塊實現(xiàn)的主要功能為：

圖4 學(xué)習(xí)功能模塊圖

（1）個人注冊模塊，實現(xiàn)學(xué)習(xí)者注冊功能。用戶需提供姓名、昵稱、性別、出生日期、電話號碼、電子郵箱和社交賬號等個人基本信息，同時還必須補充個人專業(yè)背景以及與Python 程序語言設(shè)計有關(guān)的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，并參加課程基礎(chǔ)知識測試，系統(tǒng)才能獲取相關(guān)信息并構(gòu)建當(dāng)前用戶的初始學(xué)習(xí)者模型。

（2）課程學(xué)習(xí)模塊，實現(xiàn)在線課程學(xué)習(xí)功能。學(xué)習(xí)者登錄系統(tǒng)后，可以根據(jù)課程知識點分類目錄自主選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容，系統(tǒng)也將根據(jù)學(xué)習(xí)者模型和課程知識圖譜模型建立起對應(yīng)的學(xué)習(xí)模型，推薦符合其認知水平的個性化學(xué)習(xí)路徑和學(xué)習(xí)資源。同時，系統(tǒng)還將實時記錄學(xué)習(xí)者的個體學(xué)習(xí)行為習(xí)慣，包括學(xué)習(xí)者在系統(tǒng)中的瀏覽路徑、視頻和文檔的學(xué)習(xí)時長、各個知識點和學(xué)習(xí)資源的點擊次數(shù)等，所獲信息將用于對現(xiàn)有學(xué)習(xí)者模型和學(xué)習(xí)模型的優(yōu)化和完善。

（3）交流討論模塊，實現(xiàn)課程知識的交流討論功能。學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中，可以隨時根據(jù)個人學(xué)習(xí)體驗對學(xué)習(xí)資源進行評論，或就具體問題與其他學(xué)習(xí)者進行探討。實現(xiàn)的功能主要包括學(xué)習(xí)資源評論、收藏和評分，以及知識點分組討論區(qū)的話題新建、回復(fù)、點贊、收藏和分享等。這種社交性學(xué)習(xí)活動本質(zhì)上是一種協(xié)同知識構(gòu)建的方式，既有利于學(xué)習(xí)者進一步鞏固和拓展學(xué)習(xí)效果，也有利于系統(tǒng)獲取更多學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)行為習(xí)慣，提升系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確和完善程度。

（4）個人管理模塊，實現(xiàn)學(xué)習(xí)者個人信息的管理功能。系統(tǒng)允許學(xué)習(xí)者隨時修改其個人信息，尤其是學(xué)習(xí)者在系統(tǒng)之外獲得的與課程有關(guān)的學(xué)習(xí)經(jīng)歷和學(xué)習(xí)成果，這些反饋有利于系統(tǒng)對學(xué)習(xí)者更精準(zhǔn)的用戶畫像。同時，系統(tǒng)還提供了學(xué)習(xí)者查看其個人歷史學(xué)習(xí)記錄的功能。

最終實現(xiàn)的在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)學(xué)習(xí)功能模塊如圖5所示。

圖5 學(xué)習(xí)功能模塊實現(xiàn)界面

3.2.2 管理模塊

管理者登錄系統(tǒng)后，可以對“Python 程序語言設(shè)計”課程知識圖譜進行管理，也可以對課程知識點以及關(guān)聯(lián)學(xué)習(xí)資源進行修改，以便于系統(tǒng)后期不斷充實和完善課程知識圖譜模型。此外，管理者還可以對學(xué)習(xí)者注冊過程和課程知識測試題目進行調(diào)整，以便建立更完善、更精準(zhǔn)的學(xué)習(xí)者模型和學(xué)習(xí)模型。設(shè)計得到管理模塊的功能模塊圖如圖6所示，各子模塊實現(xiàn)的主要功能如下：

圖6 管理功能模塊圖

（1）課程知識圖譜管理模塊。系統(tǒng)采用湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與智能科學(xué)技術(shù)學(xué)院院長朱幸輝教授編寫的《Python程序設(shè)計案例教程》作為教材，構(gòu)建了較為完整的Python 程序語言課程知識圖譜。系統(tǒng)運行時，管理者可以通過該模塊對現(xiàn)有知識圖譜進行修改，及時補充Python 程序語言發(fā)展的新知識、新內(nèi)容，同時還可以對界面模塊中呈現(xiàn)給學(xué)習(xí)者的課程知識點及其相互關(guān)系進行調(diào)整，使之更準(zhǔn)確、更科學(xué)、更全面地體現(xiàn)課程的知識結(jié)構(gòu)體系。

（2）學(xué)習(xí)資源管理模塊。系統(tǒng)所使用的學(xué)習(xí)資源主要來源于課程教學(xué)團隊多年來的自制積累，同時也搜集整理了互聯(lián)網(wǎng)上與Python 程序語言有關(guān)的許多開放教育資源，清洗整理后再將它們與課程知識圖譜中的各個知識點建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。系統(tǒng)允許管理者在后期不斷補充和更新課程學(xué)習(xí)資源，并根據(jù)學(xué)習(xí)者反饋對學(xué)習(xí)資源和課程知識點之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系進行調(diào)整，以完善課程知識圖譜模型，優(yōu)化學(xué)習(xí)體驗，提升學(xué)習(xí)效果。

（3）注冊過程管理模塊。學(xué)習(xí)者模型是否準(zhǔn)確反映了學(xué)習(xí)者的個性，是實施學(xué)習(xí)路徑和學(xué)習(xí)資源推薦的關(guān)鍵。管理者能夠根據(jù)系統(tǒng)運行后的反饋意見和實際效果，及時調(diào)整獲取學(xué)習(xí)者個體特征的手段和方式。譬如對于不便于在學(xué)習(xí)過程中動態(tài)獲取的信息，或者獲取質(zhì)量不高的信息，可以調(diào)整至學(xué)習(xí)者的注冊流程，以用戶“個性標(biāo)簽選擇”或“學(xué)習(xí)習(xí)慣設(shè)置”等方式轉(zhuǎn)而由學(xué)習(xí)者自主提供。同時，系統(tǒng)也允許管理者對課程基礎(chǔ)知識測試進行修改調(diào)整，這樣可以創(chuàng)建更精準(zhǔn)的學(xué)習(xí)者模型。

（4）學(xué)習(xí)者管理模塊。管理者能夠查看并管理所有學(xué)習(xí)者，包括其個人學(xué)習(xí)記錄和學(xué)習(xí)成績等，從而及時掌握學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)進度和學(xué)習(xí)水平，對其進行個性化的學(xué)習(xí)指導(dǎo)。同時，管理者還能通過系統(tǒng)和學(xué)習(xí)者實時交流互動，參與話題討論，解答課程相關(guān)問題等。

最終實現(xiàn)的在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)管理功能模塊如圖7所示。

圖7 管理功能模塊實現(xiàn)界面

4 結(jié) 論

本文介紹了基于知識圖譜的在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計思路，提出了智慧化學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計模型，并以“Python 程序語言設(shè)計”課程為例設(shè)計實現(xiàn)了完整的系統(tǒng)功能模塊。應(yīng)用結(jié)果表明：本文成果能給Python 程序語言的學(xué)習(xí)者提供高效且個性化的在線學(xué)習(xí)環(huán)境，課程知識點分布科學(xué)合理，系統(tǒng)推薦內(nèi)容符合個體學(xué)習(xí)需求，交互體驗友好，學(xué)習(xí)效果良好。后續(xù)研究工作重點在于：一方面，系統(tǒng)獲取學(xué)習(xí)者的行為數(shù)據(jù)后，如何跟隨其學(xué)習(xí)進程實時優(yōu)化學(xué)習(xí)模型并同步調(diào)整交互界面模型還需要進一步深入研究；另一方面，對于如何規(guī)范系統(tǒng)模型和功能模塊設(shè)計，以便將成果推廣至其他同類在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)也需要反復(fù)實踐。作者將從以上方向著手，扎實開展后期的理論研究和實踐創(chuàng)新工作，以期取得更有價值的成果，為推動全社會形成良好的智慧學(xué)習(xí)環(huán)境做出貢獻。