知識圖譜在教學中的應用

 

知識圖譜

近年來,知識圖譜逐步從學術殿堂走進了社會大眾,成為被談論得越來越多的話題。今年,它的關注度更超過了人工智能的其它領域,不少專家學者認為,知識圖譜將成為人工智能的基礎設施,各領域各行業的應用都將以它為基礎進行構建。知識圖譜最初源于知識工程,它的發展已經經歷了非常久的歷史,但并未普及。直到互聯網興起后,語義網絡的應用得到快速發展,它才找到了用武之地。

 

今天,我們在談論知識圖譜的時候,都會談論到另一個十分重要的技術領域,就是深度學習。在很長一段時間里,知識圖譜和深度學習都是沿著各自的道路獨自發展的,它們之間的交集并不多,但現在知識圖譜和深度學習的聯系卻越來越緊密,從數據標注到知識抽取、知識融合與消歧、知識推理等各個方面,運用深度學習處理相關問題都取得了良好的效果。本文重點在于介紹知識圖譜在教學中的應用,暫未涉及深度學習的相關內容。

 

本文重點談談知識圖譜在教育領域,特別是教學方面的應用。

 

知識圖譜概述

 

知識圖譜的概念最早是由谷歌提出來的,隨著這一概念在學術界不斷研討,在業界不斷被傳播和普及,它逐漸形成了一個專業技術領域,并成為人工智能領域的重要應用領域。

 

知識圖譜以“圖”的方式來描述真實世界的事物及其關系。真實世界中的各種事物、存在,及其概念都被稱為是實體,以“節點”來表示;實體與實體之間的關系用“邊”來表示。這樣,實體及其關系就可以表示成“實體--實體”的簡單結構。當這種結構的連接不斷擴展和延伸,就構成了一張巨大的網絡,這個網絡就是知識圖譜。理論上,我們可以用知識圖譜把地球上的所有知識聯接起來,構成一個“知識地球”,把關于“中國”的所有知識聯接起來,構成“知識中國”,也可以把一個政府機構、一個行業、一所學習、一個其企業相關的知識聯接起來,構成一個知識政府、知識行業、知識學校、知識企業等等。

 

這種“節點--節點”的結構,也稱三元組。對于知識圖譜而言,三元組的魅力就如同二進制數學對于計算機科學那樣,五彩繽紛、紛繁復雜的萬事萬物在計算機的世界里不過是01兩個符號而已。浩如煙海、茫無頭緒、雜亂無章的知識海洋在知識圖譜里用三元組這么簡單的方法解決了。

 

知識圖譜有什么用處?

 

1找到正確的事物。

                               

我們開車的時候,導航是這類應用較直觀的體驗。在教學中,老師備課如何快速得到想要的備課素材,方便快捷地搜索和瀏覽教材中相關知識點;老師在分析學生的學習成績的時候,如何全面快速地了解到學生學習相關的信息和歷史情況,包括過往的學校信息,成長環境和家庭信息,等等。

 

2得到最優的結果,并形成摘要。 

                     

通過知識圖譜,老師可以將與他/她教學相關的某個主題或感興趣的知識構建知識圖譜,系統將根據知識圖譜不斷更新和維護有關的信息,幫助其形成索引和摘要,方便備課和教學時使用。

 

3挖掘隱形知識,拓展深度和廣度知識。 

 

對關聯知識和隱形知識的挖掘,是知識圖譜很重要的應用,而這更是知識圖譜的獨特價值。表面的顯性的知識容易被發現,而隱形的,深度的,根源性的知識被挖掘出來往往比較困難,而這些隱形的知識往往在應用中的價值更大。例如,如果我們僅僅從學生在生活中消費比較少就判斷他是貧困生,往往是不準確的,如果我們用知識圖譜把學生個人生活、家庭收入、習慣等方面的更多信息關聯起來以后,分析出來的信息就會準確,而且通過信息之間的關系找到其中的原因。

 

 

知識圖譜在教學中的應用

 

教學是學校最重要的活動。知識圖譜在教學中的應用可以被看作人工智能在教育領域的關鍵應用。在教學活動中,知識圖譜可以協助教師提高備課的效率和質量,幫助老師批改作業和批閱試卷,把老師從繁重的體力勞動中解放出來,做更有創造性和更高價值的工作。      

                                                 

1用知識圖譜構建智能教材系統。

                       

教材是教學的基礎,是教學活動的出發點。老師上課和學生學習都離不開教材。目前,教材的承載形式多種多樣,有紙質版、電子版、流媒體等視頻版本等等。但是,不管是那種載體的,它們都有一個共同的特點,就是所記載的知識和信息都是以靜止的狀態存在的。而互聯網的發展使得每天的信息和知識都是在以幾何級數增長,這種靜態的信息記載和保存方式嚴重制約了信息使用和傳播。我們經??吹?,一本教材在作者撰寫的時候還是先進的,等到出版的時候,書中的很多知識已經過時了,而新的知識卻不能得到及時的更新。

 

以知識圖譜構建的智能教材系統可以很好地解決這個問題,它使得教材知識體系的更新和維護變得簡單易行。我們知道,一本教材的結構是由目錄、章、節和段落組成,而每一段落所表達的知識和信息都是具體的和明確的。我們順著教材的結構,用三元組的方法將其中的實體和關系抽取出來,并進而根據每個三元組之間的內在聯系“畫”出一張知識圖譜網絡,這個知識圖譜的網絡可以以任何一個節點為頂點調整網絡結構、節點及其關系。這樣,我們就可以根據不同的用途,靈活方便地使用知識圖譜教材了。

 

知識圖譜教材可以幫助老師備課、生成題庫(作業和試題)、幫助老師批改作業和試卷,分析學生學習成績等。由于它的應用實現是建立在深度學習的基礎上的,知識的生成、更新和維護都可以自動完成,并按照教師設定的目標和功能幫助教師處理教學活動中許多重復的體力勞動,減輕了教師的工作負擔。                         

2試題庫的生成。

                                     

在知識圖譜教材的基礎上,我們可以設計并自動生成一個題庫。這個題庫可以用于學生的練習和作業,也可以用于生成考試試卷。與傳統題庫不同的是,傳統電子題庫一般只能做填空題、選擇題和判斷題,而知識圖譜生成的題庫則可以有更大的彈性和擴展性,論述題、分析題、實驗實訓題,以及實操性的題目都可以完成。

                           

3教師備課。

                                      

備課是教師工作量十分巨大的一項工作,也是十分艱辛的事情。在知識圖譜教材的基礎上,我們可以根據教師的教學任務和目標,設計和開發教師的備課模板。這個模板也是以知識圖譜為基礎進行設計和開發的。將知識圖譜結構的教材、備課素材庫、題庫等與備課模板相結合,可以快速生成一個教學教案。這個教學案中可以根據教學計劃設定每一個教學場景和教學活動的用時,提前預演模擬教學過程,包括與學生的互動節點等。這個教學方案還可以與智慧教室關聯起來,在智慧教室的環境中,所有的教學活動和過程都被完整地記錄下來。然后,采用深度學習加知識圖譜的技術把教學活動中產生的新知識信息進行抽取,形成新的樣本數據,不斷豐富教材、題庫和課件庫。

                       

4作業和試卷批改。

                                      

批改作業是教師又一繁重的工作,其中大多數的工作是重復性勞動,創造性的價值較低,但它又是教學活動中必不可少的工作。以知識圖譜教材和題庫作為基礎,作業批改和試卷批改都可以交由智能機器人系統完成。

 

在智能題庫的基礎上,教師可以根據教學計劃和目標,在作業系統里設計和布置作業。這些作業經由學生完成并提交給智能作業批改系統之后,系統可以立即自動給出學生作業的批改結果,并根據批改的結果給學生批語和指導。由于作業批改系統是建立在深度學習平臺之上的,系統可以持續不斷累積學生作業的數據,作為供平臺進行學習和訓練的樣本,因此系統的數據樣本越豐富,過程也持久,對老師的教學經驗和風格的了解越多,作業批改的準確率就會越高。

                       

5學生學習狀況分析。

                                      

孔子提出因材施教的教育理念后,如何達成這一理想就成為一代接一代的教育工作不懈努力的目標。將知識圖譜應用于教學之中,為我們實現這一理想又向前跨越了一大步。

 

采用知識圖譜技術,可以將每一個學生的學習狀況進行“透視”,分析出學習成績與性格、興趣愛好、學習方式、學習環境、家庭背景等方面的聯系,幫助老師根據不同學生的基礎和情況制定差異化的教學計劃。完整的知識圖譜可以勾畫出每一個學生的成長歷程。

 

 

軒轅研究院信天翁實驗室

 
 
 

 

信天翁實驗室是軒轅研究院建立的人工智能實驗室,它以知識圖譜、機器視覺、深度學習為技術架構,圍繞認知智能、感知智能和計算智能領域的關鍵技術,進行技術研發和工程應用開發。

 

實驗室擁有一批思維活躍,在專業技術領域頗有建樹的年輕工程技術人才,并通過產學研合作的方式,與廣東各高校建立起廣泛的合作。我們在應用知識圖譜構建智能教學系統的應用開發上做了大量的基礎性研發工作,取得了一些成果,積累了一定的數據。實驗室采取開放式的研發體系,熱忱歡迎對這一領域感興趣的老師加入實驗室,共同探討和研究相關領域的技術問題。

 

 

 

 

軒轅研究院信天翁實驗室團隊

 

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