江西科技師范大學(xué)數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)學(xué)院 程山英

一、研究背景

在“互聯(lián)網(wǎng)+”教學(xué)時代，學(xué)生面對呈爆炸式增長的學(xué)習(xí)平臺和學(xué)習(xí)資源，容易陷入知識迷航，面對各種質(zhì)量參差不齊的教學(xué)資源無法高速、有效、精準(zhǔn)地在海量信息中找到所需要的學(xué)習(xí)資料。《數(shù)據(jù)庫原理》課程是一門知識點多、關(guān)聯(lián)性強的專業(yè)必修課程，學(xué)習(xí)者在互聯(lián)網(wǎng)中進(jìn)行學(xué)習(xí)時，很難精準(zhǔn)地找到所需要的學(xué)習(xí)資源。因此，將知識圖譜技術(shù)應(yīng)用到《數(shù)據(jù)庫原理》課程的教學(xué)中，用可視化的形式進(jìn)行知識表達(dá)，學(xué)習(xí)者能進(jìn)行有效、科學(xué)地學(xué)習(xí)。因此，將專業(yè)學(xué)科與知識圖譜的可視化相結(jié)合，能提高教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)教育發(fā)展。

二、課程知識圖譜

知識圖譜是一種語義網(wǎng)絡(luò)，對現(xiàn)實世界的實體和實體之間的關(guān)系用可視化的形式顯現(xiàn)出來。知識圖譜通過有向圖把相關(guān)聯(lián)的語義信息連接在一起，能將網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用價值大幅提高。

課程知識圖譜是知識圖譜與教育相融合，在教育上的具體應(yīng)用。課程知識圖譜將知識圖譜技術(shù)應(yīng)用于某個學(xué)科或者課程，將課程內(nèi)的所有知識點以（實體，關(guān)系，實體）的三元組形式構(gòu)建一個網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)。不同的知識點用“實體”表示，知識點的關(guān)聯(lián)用“關(guān)系”表示，關(guān)系在直觀上就是有向邊，有起點，有終點，邊的方向和標(biāo)簽?zāi)苷f明具體的關(guān)系類型。這樣通過知識圖譜可以將知識點、知識點之間的概念以直觀明了的方式呈現(xiàn)在學(xué)習(xí)者面前，以便學(xué)習(xí)者能客觀和清楚地理解知識點和知識之間的關(guān)系。

三、《數(shù)據(jù)庫原理》知識圖譜構(gòu)建

本文所構(gòu)建的知識圖譜是采用自底向上的方式完成的，首先進(jìn)行了實體提取的工作，其次構(gòu)建模式層的本體模式。

（一）采集、分析數(shù)據(jù)

構(gòu)建課程知識圖譜的第一步是獲取大量的數(shù)據(jù)。首先確定領(lǐng)域范圍為《數(shù)據(jù)庫原理》；其次對經(jīng)典數(shù)據(jù)庫教材，高等教育出版社的《數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概論》進(jìn)行人工提取文字內(nèi)容，整理收集成文件；最后以《數(shù)據(jù)庫原理》教材作為參考依據(jù)，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù)，對教材中的相關(guān)知識點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并在維基百科中找到相關(guān)的知識數(shù)據(jù)進(jìn)行下載。應(yīng)用相關(guān)算法對語料庫做處理，自動處理與人工篩選相結(jié)合，對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾與整合，得到知識點，為《數(shù)據(jù)庫原理》學(xué)科知識圖譜的構(gòu)建提供充分的數(shù)據(jù)支持。

（二）概念抽取

XLink是基于跨語言知識庫XLORE的實體鏈接系統(tǒng)。將數(shù)據(jù)收集階段的知識點文檔進(jìn)行輸入，XLink能識別出《數(shù)據(jù)庫原理》知識點文檔中的知識點實體并鏈接到XLORE相對應(yīng)的實體上。文本信息和知識庫通過實體鏈接進(jìn)行橋接，為知識點文本理解提供了外部知識。本文的知識圖譜通過清華實驗室的實體抽取，XLink接口對之前數(shù)據(jù)收集階段形成的文件中的知識概念進(jìn)行抽取，得到文件中包含的知識概念。

BERT模型的全稱是Bidirectional Encoder Representations from Transformer。BERT模型是多層的Transformer架構(gòu)。在BERT模型中，多層的編碼器進(jìn)行編碼，對句子中的每一個詞應(yīng)用自注意力機制建立線性相關(guān)，詞向量和位置向量在數(shù)據(jù)庫原理知識點中起著關(guān)鍵作用。因此本文將BERT模型引入數(shù)據(jù)庫原理知識點實體關(guān)系抽取模型框架中，運用BERT模型對知識概念進(jìn)行詞向量，然后以種子概念為聚類中心對抽取的知識概念進(jìn)行聚類，得到種子概念聚類后的結(jié)果，聚類越靠前，知識概念和本課程越有關(guān)系。

（三）關(guān)系抽取

完成了數(shù)據(jù)采集和概念抽取后，將下來的工作是要從數(shù)據(jù)中抽取實體和關(guān)系。對聚類后的概念和課程對應(yīng)的概念進(jìn)行三元組劃分，構(gòu)造實體與實體間的關(guān)系，并將整理好的三元組寫入Neo4j圖形數(shù)據(jù)庫。假設(shè)：任意一個實體對僅有一個關(guān)系。定義了六類實體對關(guān)系，分別是依賴，被依賴，包含，屬于，無關(guān)，有關(guān)。需要特別說明的是，本文構(gòu)建了“章節(jié)概念”，將每一章的內(nèi)容進(jìn)行了知識點的歸納。

考慮到課程知識點的特殊性和知識的嚴(yán)謹(jǐn)性，初步對實體關(guān)系進(jìn)行了人工標(biāo)注。同時為了增強系統(tǒng)的可擴展性，預(yù)留了手工標(biāo)注數(shù)據(jù)的功能，在以后的使用過程中，如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)、關(guān)系有誤差，隨時可以進(jìn)行更改。

四、《數(shù)據(jù)庫原理》知識圖譜可視化

在完成了數(shù)據(jù)采集、概念和關(guān)系抽取的工作后，就需要對《數(shù)據(jù)庫原理》知識圖譜進(jìn)行可視化的設(shè)計與實現(xiàn)。

（一）《數(shù)據(jù)庫原理》知識圖譜的存儲

應(yīng)用Python的py2neo，把之前文件中的實體和關(guān)系三元組全部存儲到Neo4j圖形數(shù)據(jù)庫中，在應(yīng)用Cypher語言對《數(shù)據(jù)庫原理》課程知識圖譜進(jìn)行各種個性化的查詢和路徑分析操作，如圖1所示，各知識點的關(guān)系很直觀清晰地顯示出來。

圖1 實體關(guān)系

（二）數(shù)據(jù)的展示

Django是一個開源的Web框架，它擁有豐富的在線文檔，文檔記錄了完備的信息，特別容易上手進(jìn)行開發(fā)設(shè)計。Django有強大的數(shù)據(jù)庫訪問組件，方便進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的訪問，且界面友好，有效的錯誤提示和幫助，適合連接數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用程序。

實現(xiàn)開發(fā)知識圖譜展示W(wǎng)eb頁面，根據(jù)查詢的知識概念，得到該知識概念對應(yīng)的知識圖譜，同時調(diào)用開源的知識概念解釋接口，獲取對當(dāng)前知識概念的解釋。運用Django框架，對Neo4j后臺圖形數(shù)據(jù)庫中的知識圖譜數(shù)據(jù)與Web前端進(jìn)行交互，前端是通過Ajax方法調(diào)用后端接口查找數(shù)據(jù)，實現(xiàn)可視化技術(shù)。

（三）可視化平臺的實現(xiàn)

在Web頁面中，默認(rèn)顯示《數(shù)據(jù)庫原理》課程知識指定個數(shù)的節(jié)點，在右側(cè)的查詢中輸入查詢的內(nèi)容，能展開查詢節(jié)點的功能。

五、知識圖譜效果分析與評價

選擇計算機專業(yè)學(xué)生進(jìn)行對比學(xué)習(xí)實驗，將40名學(xué)生隨機分成二組，對比實驗學(xué)習(xí)，然后進(jìn)行測試和調(diào)查問卷進(jìn)行學(xué)習(xí)效果分析。測試表明，應(yīng)用課程知識圖譜進(jìn)行學(xué)習(xí)，測試時間有效縮短，測試成績明顯提升。對使用課程知識圖譜學(xué)習(xí)的學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查。從結(jié)果可以看出90%的學(xué)生認(rèn)為課程知識圖譜使用方便，95%的學(xué)生認(rèn)為知識圖譜能幫助掌握課程整體結(jié)構(gòu)，93%的學(xué)生認(rèn)為課程知識圖譜能幫助理解知識間的關(guān)聯(lián)。

通過效果分析可知，《數(shù)據(jù)庫原理》課程知識圖譜能幫助學(xué)生掌握知識整體結(jié)構(gòu)和理解知識點之間的關(guān)系，改善學(xué)生學(xué)習(xí)體驗，提升教學(xué)效果。

六、結(jié)語

實踐結(jié)果表明，《數(shù)據(jù)庫原理》可視化知識圖譜系統(tǒng)的使用，使學(xué)習(xí)者形成清晰的知識體系，將知識內(nèi)容直觀簡潔地呈現(xiàn)給學(xué)習(xí)者，降低了學(xué)習(xí)者的視覺負(fù)擔(dān)，提升學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效率，為知識圖譜應(yīng)用在教學(xué)中的發(fā)展提供啟示。