面向深度学习的个人知识图谱构建

    史玉石 路红

    

    

    摘? 要 从深度学习理论出发，结合“以学生为中心、教师为主导”的教学理念，研究在课程学习过程中构建服务于学生深度学习过程的个人知识图谱的方法，从而实现学生对知识的意义建构。同时，以Web程序设计课程为例，分析个人知识图谱的构建方法。试验结果表明，通过个人知识图谱的构建可促进学生的深度学习，激发学生的学习兴趣，提高学生的课程学习效率。

    关键词 深度学习;知识图谱;MOOC课程;Web程序设计;具身学习;Web程序设计

    中图分类号：G642? ? 文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2020）12-0001-04

    Abstract Based on the theory of deeper learning and the teaching idea of “student-centered and teacher-led”， this paper studies the method of constructing personal knowledge graph for serving the students deeper learning during their curriculum learning， so as to

    realize the construction of students meaning to knowledge. Mean-while， the Web Program Design course is used as an example to ana-

    lyze the construction method of personal knowledge graph with the proposed method in this paper. The experimental results show that the proposed approach on constructing personal knowledge graph can promote students deeper learning， stimulate students leaning interest and improve their curriculum learning effect.

    Key words deeper learning; knowledge graph; MOOC course; Web program design; embodied learning; web program design

    1 引言

    在知識经济时代，培养具有终身学习、自主学习以及创新能力的高素质人才是教育教学改革的重要研究课题。相对于浅层学习，深度学习（Deeper Learning）是一种能够促进学生自主学习、独立自主解决实际问题和提升创新能力的学习方式，已成为促进当前教育理念与学习方式变革的重要学习理论[1]。为培养新时代社会所需的高素质人才，《教育信息化2.0行动计划》指出，应强化以能力为先的人才培养理念，推动教育理念和教学模式变革，重构新的教育教学体系[2]。

    传统的课堂学习模式以教师讲授为主，学生被动地接受知识。随着教育信息技术的快速发展，结合信息技术的课堂教学转变为PPT和多媒体音视频等形式的多媒体课件播放，出现课堂上教师自问自答，学生有的听讲、有的睡觉、有的刷手机等问题。

    另外，有很多学生用笔记方式记录教师上课所指出的重点、难点，但大多数仅仅通过机械性地记忆课件上所写内容，以顺利通过期末考试，属于浅层学习，无法将所学知识点迁移到实际问题中，也很难实现独立解决问题和创新能力的培养，即无法实现深度学习的目标。随着在线课程数量的急剧增加和知识产生与更新速度的不断加快，如何为学生提供优质的深度学习服务，培养学生的批判性思维、问题解决能力和自主学习能力，成为当前教育信息化亟待解决的关键问题。

    2 深度学习与知识图谱

    深度学习是一种高水平的认知方式，国内外学者对其从不同的视角进行界定。Biggs从深度学习与浅层学习存在的学习目标差异进行阐述，指出深度学习以知识迁移应用与创新作为学习目标[3]。景红娜等强调，深度学习是能够对学习内容进行批判性的高阶思维以及主动的知识建构过程[4]。何克抗界定深度学习为动态的知识建构，强调具身学习，并指出达到深度学习的目标需采用多种教与学的策略，通过学生自身认知来提升问题解决能力与创新能力[1]。王亮界定深度学习是一种基于理解和应用的持续学习过程，以知识建构与迁移、问题解决和能力发展为目标，强调学习结果的应用和迁移[5]。

    本文以具身学习理论为指导，将深度学习界定为：深度学习是一种学生能够对知识进行深度理解和建构自身认知结构的过程，并能够迁移到不同的应用情境中，以解决现实问题并逐步形成创新能力的学习过程。在课程教学中，这要求学生具备以下能力。

    1）具有批判性思维能力。学生在知识接受的过程中，不要满足于对知识的表面理解和机械性记忆，而是要学会用批判性的眼光审视知识，达到对知识点的深层理解。

    2）具有建构自身知识结构的能力。学生在对新知识点深层理解之后，能够建立新旧知识点的关联，力图建构自身认知结构。

    3）具有解决实际问题的能力和创新能力。学生在对知识深度理解和自身认知建构的基础上，应能够将知识迁移到不同的实际应用情境中，以解决现实问题并逐步形成创新能力。为此，要求学生在学习过程中必须亲身去实践、去体验、去探索，去反思，在亲身经历解决问题的过程中获得对知识的重新认识和理解，以此完善已有的认知结构，从而提升解决实际问题的能力。此外，学生在探索解决问题过程中必定会发现一些问题和创新点，以此提升创新能力。

    知识图谱具有关联性、结构性和导航性，为学生提供了一种以非线性方式建构认知结构的方法，帮助学生建立对新旧知识的理解和关联，可视化记录对自身认知有帮助的学习资源，避免因知识结构复杂而迷失学习方向甚至终止学习过程。刘红晶等提出一种基于教师视角的SPOC课程知识地图的构建方法，以利用知识地图解决SPOC课程资源线性组织、课程知识体系不清晰等问题[6]。

    本文以解决实际问题的每个知识点的核心概念作为知识实体的识别标准，每个知识实体包含多个属性，如MOOC视频、学习博客、问题讨论及反思等。知识实体间的关联用关系表示，如前后关系、父子关系、同级关系。这样就构成“知识实体—关系—知识实体”三元组，用这些三元组构建相应的个人知识图谱。

    3 个人知识图谱构建方法

    无论是传统的线下课堂教学，还是线上直播教学或线上线下混合式教学，从知识认知的角度来看，教师需要将所学课程内容教授给目标学生，使学生能够掌握相应课程的知识内容。这样，教师需讲授的课程内容与学生现有知识结构之间的知识鸿沟，就是学生课程学习的核心内容。课程知识学习的过程，就是学生在教师指导下不断缩小相应知识鸿沟的认知过程。

    为了能够让学生对知识实体达到深度学习的三个能力目标，本研究着眼于深度学习理论，以学生为中心，运用多种教与学的方式，提出一种由知识发现、知识应用和知识创新三个阶段所组成的个人知识图谱构建方法（如图1所示），通过具身认知来动态构建个人知识图谱，实施深度学习。该模式的设计以学生构建个人知识图谱为基准、以学生学习环节为主线，并将教师作为整个学习活动的设计者与引导者，将学习过程分为知识发现、知识应用和知识创新三个阶段。

    知识发现? 知识发现阶段主要是教师依据已有的知识图谱，通过MOOC视频或者课堂讲授知识实体，引导学生去理解知识图谱所呈现的知识实体以及各个实体属性。学生在知识发现阶段是被动机械式接受知识，尽可能构建接近教师所呈现的知识图谱，构建获取到的个人知识图谱。

    知识应用? 知识应用阶段是在教师的引导和指引下，学生在课堂外通过已构建的个人知识图谱或丰富的网络学习资源完成学习任务，达到对知识发现阶段的知识图谱的理解、迁移、探索和重构的目标。对于教师来说，需要设计符合已有知识图谱结构的开放性课题，能够让学生对所学知识形成高级认知，并有可能把创意通过各种技术手段转化成各种物质性或精神性的实体作品。对于学生来说，为了完成教师所布置的课题，通过各种丰富的网络学习资源进行自主学习，将所学理论知识迁移到解决实际问题的课题中，在完成课题任务的过程中体会知识点的深层含义，纠正自己对知识点的错误理解，并且对该过程中出现的问题进行记录并探索其解决方法，创新性地完成课题并反思知识图谱中存在的问题，从而完善个人知识图谱。

    知识创新? 深度学习要求学生对知识点能够用批判性眼光去看待知识点。在知识创新阶段，学生以已生成的个人知识图谱，通过学生间、学生与教师间的知识共享与交流，建立不同知识点以及不同课程知识图谱的关联，从中发现新知识、新应用，形成内容更加准确、丰富的个人知识图谱，以达到深度学习的目标。该阶段，学生已有自己认为较为完善的知识图谱，共享交流阶段在教师的引导下，学生间通过反馈、讨论、交流，实现知识和技能的深化和提升，从而修正个人的知识图谱。此外，教师可以借助该阶段对学生自主学习进行的合适的监督和评价，提高学生的学习效率和质量。

    4 个人知识图谱构建方法在Web程序设计课程教学中的应用

    为分析本文所提出的个人知识图谱构建方法，这里以Web程序设计课程为例，探究其在课程教学中的实践应用。在教学JSP内置对象时，教师以知识图谱的方式逐步讲解每个内置对象的作用以及各个接口的使用方法。在学生接受知识图谱相关的知识点后，教师布置实验任务——注册登录功能的设计与实现。学生在实验过程中深入理解知识图谱中每个内置对象的作用以及各个接口中参数的含义。

    教学内容分析? Web程序设计是一门实用性与实践性很强的课程，教学任务一般分为两部分：一部分为基础理论知识学习，主要让学生通过微视频和课堂授课方式对相关知识点和资源进行学习，并辅以练习和测试，实现对知识点的浅层学习;另一部分为作品设计实践，以开放性课题的形式发布学习任务，且学习任务设计要充分考虑教学目标、任务总量，要充分考虑学生的认知负荷，在设计内容上要难易得当，内容可扩展，避免持续难度带来的松懈或挫败。

    学生分析? 本研究以南京理工大学紫金学院2018级计算机相关专业两个班级共计203名本科生为研究对象，这两个班级的学生分别来计算机科学与技术专业和软件工程专业。该年级学生通过一年的课程学习，对计算机类专业有了初步认识，并具备学习该课程的先前知识和技能。在智能方面，他们的思维具有更高程度的抽象性，具备自主学习、独立思考的能力以及团队协作精神。

    教学过程? 以JSP知识模块中的内置对象——Request的接口使用为例，在Web开发中经常会用到客户端向服务器端发送请求信息，服务器端首先获取客户端的请求信息，然后依据其请求信息做出相应处理并返回给客户端。基于Web程序设计的特点，围绕Request对象接口使用的教学目标，依据第3节所提出的个人知识图谱构建方法，构建如表1所示的个人知识图谱。

    1）教师通过事先准备好的知识图谱，讲解和演示每个内置对象的作用以及各个接口的使用方法。学生在接受知识图谱相关的学习内容后，还原出教师所演示的应用示例。

    2）教師布置开放性实验任务——注册登录功能的设计与实现，不限制注册与登录时所需要的信息、输入信息的类型和Web页面的数量等，旨在于让学生在实验过程中深入理解知识图谱中每个内置对象的作用以及各个接口中参数的含义，建立与已学知识点关联，从中发现新知识，以达到深度学习的目的。

    教学效果分析? 认可度方面，课程实施之后，对参与实验的203名本科生进行问卷调查，问卷包含10个封闭式问题和两个开放性问题，即：你喜欢这样的学习模式吗？你是否还愿意继续用这种学习模式学习其他课程？从问卷结果来看，有93.63%的学生喜欢这种学习模式，有87.65%学生愿意继续用这种学习模式学习其他课程。

    此外，在10个封闭式问题中，大部分学生认为通过构建个人知识图谱这种学习路径激发了学习兴趣，并且学会了汇报研究成果，提升了自主探索和自主创新能力。由此可见，大部分学生对構建个人知识图谱的学习模式认可度很高，也愿意继续使用这种学习模式。

    5 结语

    深度学习作为近些年来学习方式变革的主要方向，是学生实现终身学习和自主学习的重要基础。深度学习作为一种高级认知加工过程，离不开学生亲自去感受、去体会、去探索、去反思，最后对知识进行建构。本研究提出一种构建个人知识图谱的学习模式。实验分析表明，学生对这种学习模式认可度较高。同时，该模式提高了学生解决实际问题的能力和创新能力。在完成学习任务的过程中，学生获得了成就感，激发了学习兴趣。此外，通过构建个人知识图谱，对网络学习资源进行有效标注，对利用人工智能实现课程重构带来一定的帮助。接下来，将利用学生和教师共同完成的个人知识图谱，对网络上丰富的课程资源进行重构，为在线学习者提供个性化学习路径推荐服务。

    参考文献

    [1]何克抗.深度学习：网络时代学习方式的变革[J].教育研究，2018，39（5）：111-115.

    [2]韦怡彤，王继新，丁茹.混合式学习环境下深度学习导向的协同知识建构模式研究：以《教育技术学导论》课程为例[J].中国电化教育，2019（9）：128-134.

    [3]Biggs J. Individual differences in study processes

    and the quality of learning outcomes[J].Higher edu-cation，1979，8（4）：381-394.

    [4]景红娜，陈琳，赵雪萍.基于Moodle的深层学习研究[J].远程教育杂志，2011（3）：27-33.

    [5]王亮.深度学习视角下基于多模态知识图谱的MOOC课程重构[J].现代教育技术，2018，28（10）：100-106.

    [6]刘红晶，谭良.基于教师视角的SPOC课程知识地图构建方法研究[J].电化教育研究，2017，38（9）：64-70.