閆博
(黑龍江工商學(xué)院 黑龍江哈爾濱 150001)
根據(jù)教育部、國(guó)家發(fā)改委、財(cái)政部《關(guān)于引導(dǎo)部分地方普通本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變的指導(dǎo)意見(jiàn)》提出的“將現(xiàn)代信息技術(shù)全面融入教學(xué)改革,推動(dòng)信息化教學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)、在線知識(shí)支持、在線教學(xué)監(jiān)測(cè)等廣泛應(yīng)用,通過(guò)校校合作、校企合作聯(lián)合開發(fā)在線開放課程”,在國(guó)家政策支持、相關(guān)技術(shù)日趨成熟的背景下,圍繞在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)開展的線上線下混合式教學(xué)的相關(guān)研究,變得日益重要。
目前,大部分在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)均提供了在線視頻、在線練習(xí)、在線問(wèn)答、資源下載等功能,能夠監(jiān)控學(xué)生學(xué)習(xí)行為和學(xué)習(xí)過(guò)程,但是在如何利用學(xué)習(xí)系統(tǒng)中歷史數(shù)據(jù)提升學(xué)習(xí)效果和教學(xué)評(píng)價(jià)仍存在一定不足。在人工智能與大數(shù)據(jù)迅速發(fā)展的背景下,知識(shí)圖譜在教育信息化中的應(yīng)用價(jià)值日益突出,但是國(guó)內(nèi)對(duì)于相關(guān)研究的內(nèi)容較少。該文著眼于知識(shí)圖譜在在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)的應(yīng)用,分析知識(shí)圖譜對(duì)課程知識(shí)和學(xué)生知識(shí)的多維度描述能力,幫助評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)效果。此外,知識(shí)圖譜在解決“知識(shí)迷航”問(wèn)題中的優(yōu)秀效果,幫助學(xué)生及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)中的不足。該文通過(guò)分析知識(shí)圖譜在在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀,以及在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)的發(fā)展困境,依托于理論支撐,對(duì)知識(shí)圖譜在在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)中的應(yīng)用價(jià)值及發(fā)展方向進(jìn)行探討。
各大高校在線上教學(xué)快速發(fā)展的大背景下,不斷推動(dòng)混合式教學(xué)的發(fā)展,線上教學(xué)也從輔助教學(xué)手段,逐步發(fā)展成為不可或缺的教學(xué)組成部分,在疫情防控的大背景下,在線教學(xué)系統(tǒng)更是成為重要的教學(xué)資源。在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)具有時(shí)間、空間不受局限的特點(diǎn),為學(xué)生提供靈活的學(xué)習(xí)環(huán)境,具有較強(qiáng)的用戶自主性、實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)性,以及學(xué)習(xí)資源易于獲取的特性。
目前,在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)的用戶主要分為學(xué)生、教師兩類角色。教師端具備的功能主要包括:上傳教學(xué)視頻、上傳教學(xué)資料、布置在線作業(yè)與測(cè)驗(yàn)、在線批改學(xué)生作業(yè)與測(cè)驗(yàn)、查看學(xué)生在線學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)、在線答疑等功能。學(xué)生端具備的主要功能包括:在線觀看視頻、下載學(xué)習(xí)資料、在線填寫作業(yè)與測(cè)驗(yàn)、查看批改信息與分?jǐn)?shù)、在線提問(wèn)等功能。一些在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)提供了具有專業(yè)特色的特殊功能,例如在線判題系統(tǒng),為計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的同學(xué)提供編程語(yǔ)言的在線編輯與運(yùn)行檢測(cè)功能。國(guó)內(nèi)主流的在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)包括中國(guó)大學(xué)MOOC、學(xué)堂在線等,包含了國(guó)內(nèi)諸多“雙一流”高等院校的一流課程,學(xué)生注冊(cè)登錄后可以在線選擇課程;EduSoho在線教育軟件,是國(guó)內(nèi)廣受歡迎的跨平臺(tái)開源項(xiàng)目,主要面向網(wǎng)絡(luò)教育培訓(xùn)機(jī)構(gòu),提供教學(xué)資源管理、在線討論、師生互動(dòng)問(wèn)答等多種功能,并提供功能模塊的定制化服務(wù);網(wǎng)易云課堂在提供大量在線課程的基礎(chǔ)上,提供了個(gè)性化學(xué)習(xí)進(jìn)度安排,以及在線筆記、在線互動(dòng)交流等功能。這些在線學(xué)習(xí)系統(tǒng),為教學(xué)模式和學(xué)習(xí)方式的改革,起到積極的推動(dòng)作用。
隨著混合式教學(xué)的日益普及,僅僅具有上述功能的在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)已無(wú)法滿足現(xiàn)代教學(xué)的要求,不足之處也逐漸暴露。在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)普遍缺少對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)。學(xué)生在在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)中的歷史學(xué)習(xí)信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中,僅提供簡(jiǎn)單的展示與統(tǒng)計(jì)功能,如學(xué)習(xí)時(shí)常、測(cè)驗(yàn)得分等,不能夠準(zhǔn)確反映學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。學(xué)生僅根據(jù)平臺(tái)提供的功能機(jī)械式學(xué)習(xí),無(wú)法明確知識(shí)與知識(shí)間的邏輯關(guān)系,由于線上學(xué)習(xí)缺乏師生互動(dòng),導(dǎo)致容易出現(xiàn)知識(shí)碎片引起的知識(shí)迷航問(wèn)題。同時(shí),單一的教學(xué)信息統(tǒng)計(jì)結(jié)果,無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)教師的教學(xué)效果,缺少對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)情況的反饋,教師難以把控班級(jí)的整體學(xué)習(xí)情況。
知識(shí)圖譜的概念由谷歌公司于2012 年5 月提出,旨在描述現(xiàn)實(shí)世界中存在的實(shí)體以及實(shí)體之間的關(guān)系。伴隨著人工智能與大數(shù)據(jù)技術(shù)的快速發(fā)展,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于智能搜索、智能問(wèn)答、自然語(yǔ)言處理、個(gè)性化推薦、內(nèi)容分發(fā)等領(lǐng)域。
知識(shí)圖譜根據(jù)應(yīng)用范圍的不同,主要分為通用知識(shí)圖譜、垂直知識(shí)圖譜。通用知識(shí)圖譜也叫作開放領(lǐng)域知識(shí)圖譜,強(qiáng)調(diào)知識(shí)的廣度,包含海量的實(shí)體以及實(shí)體間的關(guān)系,很難完成對(duì)知識(shí)整體統(tǒng)一性的管理,準(zhǔn)確性和質(zhì)量一般,常用的項(xiàng)目有YAGO、Freebase 等。垂直知識(shí)圖譜也叫作行業(yè)知識(shí)圖譜,主要面向某一特定領(lǐng)域,實(shí)體以及實(shí)體間的關(guān)系數(shù)量較少,專門為解決特定領(lǐng)域?qū)I(yè)問(wèn)題定制,具有很強(qiáng)的專業(yè)性。該文研究的專業(yè)課程知識(shí)圖譜屬于垂直知識(shí)圖譜。
知識(shí)圖譜在教育方面的研究在國(guó)外主要集中在個(gè)性化學(xué)習(xí)方面。Rizun 通過(guò)將知識(shí)圖譜結(jié)合推薦系統(tǒng)設(shè)計(jì)了個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)[1]。Signer 等結(jié)合知識(shí)圖譜和學(xué)習(xí)路徑設(shè)計(jì)了一種個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)[2]。
國(guó)內(nèi)的研究相比于國(guó)外更為活躍,且更多集中于知識(shí)抽取方面的研究。胡茹燕提出了基于Web的課程知識(shí)圖譜構(gòu)建方法[3];單婭輝等人基于教材教輔材料和百度百科采用自然語(yǔ)言處理的方法抽取關(guān)鍵詞,取得了不錯(cuò)的效果[4];李直旭等人則采用人工進(jìn)行知識(shí)提取的辦法,但是將知識(shí)從文本擴(kuò)展到了圖片、音視頻等多模態(tài)信息[5]。在個(gè)性化學(xué)習(xí)方面,吳彥文等人將知識(shí)圖譜與推薦算法相結(jié)合,取得了一定的效果[6]。
實(shí)際應(yīng)用中,美國(guó)的Knewton 公司利用知識(shí)圖譜構(gòu)建了包含概念和先決關(guān)系的跨學(xué)科知識(shí)體系;可汗學(xué)院將知識(shí)圖譜作為數(shù)學(xué)、科學(xué)、計(jì)算機(jī)等學(xué)科課程的基本組織結(jié)構(gòu)。相比之下,目前國(guó)內(nèi)主流的在線教學(xué)平臺(tái)尚缺乏對(duì)知識(shí)圖譜的使用。
1989年,美國(guó)學(xué)者古貝和林肯在《第四代評(píng)價(jià)》專著中提出了相關(guān)理論。他們從建構(gòu)主義和哲學(xué)出發(fā),提出評(píng)價(jià)是評(píng)價(jià)中與其對(duì)象雙方交互作用,形成共同的心理構(gòu)建過(guò)程[7]。真實(shí)性評(píng)價(jià)、作業(yè)評(píng)定等評(píng)價(jià)方式均屬于第四代評(píng)價(jià)范疇,這些評(píng)價(jià)方式尤其重視問(wèn)題解決中的思維過(guò)程和層次。
圍繞學(xué)生學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià),依據(jù)專業(yè)課程知識(shí)圖譜、學(xué)生專業(yè)課程學(xué)情知識(shí)圖譜進(jìn)行診斷性評(píng)價(jià)、形成性評(píng)價(jià)的研究,以達(dá)到專業(yè)教學(xué)的診斷、調(diào)節(jié)作用。
聯(lián)通主義是George Siemens 在2005年提出的一種互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的學(xué)習(xí)理論(他也是MOOC 課程模式的締造者之一)[8],其基本思想是:知識(shí)是網(wǎng)絡(luò)化聯(lián)結(jié)的,學(xué)習(xí)是連接專門節(jié)點(diǎn)和信息源的過(guò)程。
以聯(lián)通主義理論作為知識(shí)圖譜應(yīng)用的理論依據(jù)之一,以可視化方式構(gòu)建知識(shí)結(jié)構(gòu)并呈現(xiàn)給學(xué)生,實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)的有效組織,知識(shí)點(diǎn)清晰的邏輯關(guān)系有效解決學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中產(chǎn)生的知識(shí)迷航問(wèn)題。
垂直知識(shí)圖譜是面向特定領(lǐng)域的知識(shí)圖譜,基于行業(yè)數(shù)據(jù)構(gòu)建,強(qiáng)調(diào)知識(shí)的深度??梢圆捎米皂斚蛳潞妥缘紫蛏舷嘟Y(jié)合的方式構(gòu)建垂直知識(shí)圖譜。以專業(yè)課教材、大綱、教案等資源作為知識(shí)來(lái)源,進(jìn)行知識(shí)提取、知識(shí)融合,以及垂直知識(shí)圖譜的構(gòu)建,從而形成專業(yè)課程的垂直知識(shí)圖譜。在構(gòu)建專業(yè)課程知識(shí)圖譜的過(guò)程中,可以參考垂直知識(shí)圖譜的構(gòu)建方法、模型、技術(shù)等。
該文以專業(yè)課程為例,探討知識(shí)圖譜的構(gòu)建流程。
知識(shí)圖譜設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)專業(yè)課程的實(shí)際情況進(jìn)行深入分析,界定知識(shí)圖譜開發(fā)必要性與可行性。明確課程定位,以專業(yè)課某一章節(jié)為案例,對(duì)知識(shí)點(diǎn)的實(shí)體信息、知識(shí)點(diǎn)與知識(shí)點(diǎn)的關(guān)系進(jìn)行分析,某些較為簡(jiǎn)單的專業(yè)課程通過(guò)傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中的E-R 圖(實(shí)體-聯(lián)系圖,Entity Relationship Diagram)分析即可,使用知識(shí)圖譜反而會(huì)增加復(fù)雜性。知識(shí)圖譜與關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)可以從可視化、深度搜索、查詢效率、數(shù)據(jù)多樣性、預(yù)期成本幾個(gè)方面進(jìn)行比較分析,進(jìn)而確定方案的選擇。
數(shù)據(jù)是構(gòu)建知識(shí)圖譜的基本元素,需要通過(guò)確定專業(yè)課涉及的場(chǎng)景確定實(shí)體信息。對(duì)于專業(yè)課程,數(shù)據(jù)資源包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)化專業(yè)課數(shù)據(jù)包括專業(yè)知識(shí)的表格數(shù)據(jù),大多是以Excel、CSV 格式存儲(chǔ)的關(guān)系型數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu);半結(jié)構(gòu)化專業(yè)課數(shù)據(jù),例如教師的教案,具有一定的基本結(jié)構(gòu),既包含了課時(shí)、題目、授課地點(diǎn)等信息,還有教學(xué)重點(diǎn)、教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容等復(fù)雜信息;非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),例如教學(xué)視頻、教學(xué)圖片、教材等資源。
將結(jié)構(gòu)化專業(yè)課數(shù)據(jù)通過(guò)專有工具轉(zhuǎn)換成三元組;非結(jié)構(gòu)化專業(yè)課數(shù)據(jù)一般針對(duì)文本進(jìn)行自然語(yǔ)言處理,并抽取實(shí)體、關(guān)系以及屬性。
將實(shí)體、關(guān)系以及屬性通過(guò)相似度計(jì)算的方法,將屬性、實(shí)體進(jìn)行合并。
包括本體構(gòu)建、知識(shí)推理、質(zhì)量評(píng)估,將知識(shí)抽取和知識(shí)融合得到的結(jié)果,經(jīng)過(guò)進(jìn)一步加工獲得結(jié)構(gòu)化、網(wǎng)絡(luò)化的知識(shí)體系。
搭建知識(shí)圖譜可視化平臺(tái),提供知識(shí)圖譜生成、知識(shí)圖譜展示等功能,根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的需求,融合人工智能、深度學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù),提供課程推薦、學(xué)習(xí)路徑規(guī)劃、智能答疑等功能。
構(gòu)建基于學(xué)生學(xué)習(xí)行為的在線學(xué)習(xí)系統(tǒng),對(duì)學(xué)生專業(yè)課程的作業(yè)、測(cè)驗(yàn)等進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄,直觀反饋題目的正確率、題目的提交次數(shù)、答題時(shí)間等信息,形成學(xué)習(xí)行為和學(xué)習(xí)過(guò)程監(jiān)控的原始數(shù)據(jù),為分析專業(yè)教學(xué)情況、提升專業(yè)教學(xué)質(zhì)量提供重要信息。通過(guò)學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)效率、交流協(xié)作、資源利用、學(xué)習(xí)效果等指標(biāo),構(gòu)建基于在線學(xué)習(xí)行為的用戶畫像模型。
通過(guò)學(xué)生學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)的積累、畫像模型的創(chuàng)建,多角度刻畫學(xué)生的在線學(xué)習(xí)情況,通過(guò)融合知識(shí)圖譜,挖掘數(shù)據(jù)的潛在價(jià)值。
垂直知識(shí)圖譜的構(gòu)建技術(shù)已相對(duì)成熟,通過(guò)專業(yè)課程知識(shí)圖譜、課程單元知識(shí)圖譜的構(gòu)建,不僅能夠幫助學(xué)生清晰地認(rèn)識(shí)知識(shí)與知識(shí)之間的邏輯關(guān)系,而且能夠解決由于知識(shí)碎片導(dǎo)致的知識(shí)迷航問(wèn)題,明確學(xué)習(xí)目標(biāo)。
應(yīng)用中,將知識(shí)圖譜融合到在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)中,根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)行為和學(xué)習(xí)過(guò)程的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),反饋到知識(shí)圖譜中,通過(guò)技術(shù)手段做到一個(gè)課程單元一個(gè)知識(shí)圖譜、一個(gè)學(xué)生一個(gè)知識(shí)圖譜,解決學(xué)生知識(shí)迷航的問(wèn)題,幫助學(xué)生有針對(duì)性地系統(tǒng)化學(xué)習(xí)。
通過(guò)專業(yè)課程知識(shí)圖譜、學(xué)生專業(yè)課程學(xué)情知識(shí)圖譜的研究,從整體、個(gè)體不同角度進(jìn)行專業(yè)教學(xué)學(xué)情分析,為專業(yè)教學(xué)改進(jìn)提供依據(jù),提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、專業(yè)的教學(xué)水平。
基于知識(shí)圖譜的教學(xué)評(píng)價(jià),從學(xué)生學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià),反饋每個(gè)學(xué)生以及班級(jí)整體的教學(xué)情況,彌補(bǔ)了單一分?jǐn)?shù)評(píng)價(jià)的不足。一方面,從學(xué)生角度,直觀地了解知識(shí)點(diǎn)掌握情況,快速定位自身不足,解決學(xué)習(xí)過(guò)程中知識(shí)迷航的問(wèn)題;另一方面,知識(shí)圖譜的數(shù)據(jù)反饋到人才培養(yǎng)效果,幫助改進(jìn)專業(yè)教學(xué)過(guò)程。
以信息技術(shù)為手段,圍繞在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā),通過(guò)記錄學(xué)生學(xué)習(xí)行為和學(xué)習(xí)過(guò)程,生成學(xué)生專業(yè)課程學(xué)情知識(shí)圖譜、專業(yè)課程知識(shí)圖譜。學(xué)生和教師從不同維度查看知識(shí)圖譜,達(dá)到解決學(xué)生知識(shí)迷航、幫助老師了解學(xué)生學(xué)情的目標(biāo)。
知識(shí)圖譜自動(dòng)化構(gòu)建的研究是未來(lái)研究的主要方向,通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)算法優(yōu)化等方法,提升實(shí)體與關(guān)系抽取的準(zhǔn)確性。同時(shí),依托于在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)中學(xué)生的學(xué)習(xí)行為和學(xué)習(xí)過(guò)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),反饋到知識(shí)圖譜中,刻畫學(xué)生的實(shí)際學(xué)習(xí)效果,明確個(gè)人與整體的知識(shí)點(diǎn)掌握情況,實(shí)現(xiàn)知識(shí)圖譜與在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)的融合。
根據(jù)專業(yè)課程知識(shí)結(jié)構(gòu)與教學(xué)目標(biāo),生成專業(yè)課程的知識(shí)圖譜,將知識(shí)點(diǎn)以可視化的形式展示給學(xué)生,幫助學(xué)生構(gòu)建知識(shí)體系。依據(jù)在線教學(xué)視頻、試題、測(cè)驗(yàn)、教材等教學(xué)資源,結(jié)合學(xué)生的在線學(xué)習(xí)行為與學(xué)習(xí)過(guò)程,生成每個(gè)學(xué)生的專業(yè)課程學(xué)情知識(shí)圖譜,精準(zhǔn)刻畫學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。
通過(guò)比對(duì)專業(yè)課程知識(shí)圖譜與學(xué)生學(xué)情知識(shí)圖譜,從個(gè)體、班級(jí)整體對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià),幫助專業(yè)教師深化了解學(xué)生學(xué)情,發(fā)現(xiàn)教學(xué)過(guò)程不足之處,指導(dǎo)專業(yè)教學(xué)策略的改進(jìn),通過(guò)與教研資料關(guān)聯(lián),幫助教師提升備課效率和質(zhì)量,達(dá)到提升教學(xué)質(zhì)量的目標(biāo)。
通過(guò)將知識(shí)圖譜與當(dāng)前主流技術(shù)相結(jié)合,使得在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)更具智能化,主要研究與發(fā)展方向包括以下幾個(gè)方面。
第一,自適應(yīng)學(xué)習(xí)。通過(guò)知識(shí)圖譜與數(shù)據(jù)分析技術(shù)的結(jié)合,實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)點(diǎn)薄弱情況的研判,結(jié)合知識(shí)圖譜的實(shí)體關(guān)系,為學(xué)生個(gè)性化制定學(xué)習(xí)策略、規(guī)劃學(xué)習(xí)路徑,并實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)學(xué)習(xí)資源的推薦。第二,智能備課。利用知識(shí)圖譜在輔助教學(xué)過(guò)程中,實(shí)現(xiàn)講義、練習(xí)等教學(xué)資源的推送,考試中以知識(shí)圖譜為背景的智能分析。第三,智慧課堂。通過(guò)知識(shí)圖譜與數(shù)據(jù)挖掘的融合,針對(duì)性制定教學(xué)策略,實(shí)現(xiàn)授課過(guò)程的動(dòng)態(tài)學(xué)情診斷。第四,智能答疑。通過(guò)融合自然語(yǔ)言處理技術(shù),綜合實(shí)現(xiàn)知識(shí)檢索、知識(shí)推薦、知識(shí)答疑等互動(dòng)環(huán)節(jié)。
在全國(guó)疫情防控的大背景下,線上線下混合式教學(xué)的相關(guān)研究變得日益重要。通過(guò)對(duì)知識(shí)譜圖在教育教學(xué)信息化中的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用情況進(jìn)行梳理,以在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)為基礎(chǔ),研究知識(shí)圖譜在提升學(xué)習(xí)效果和教學(xué)評(píng)價(jià)方面的應(yīng)用。結(jié)合用戶畫像、深度學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù),開發(fā)知識(shí)圖譜與在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)的融合軟件,研究的同時(shí),形成可復(fù)用、可推廣的教學(xué)工具,為一線教學(xué)工作服務(wù)。