知识图谱在教学中的应用

 

知识图谱

近年来,知识图谱逐步从学术殿堂走进了社会大众,成为被谈论得越来越多的话题。今年,它的关注度更超过了人工智能的其它领域,不少专家学者认为,知识图谱将成为人工智能的基础设施,各领域各行业的应用都将以它为基础进行构建。知识图谱最初源于知识工程,它的发展已经经历了非常久的历史,但并未普及。直到互联网兴起后,语义网络的应用得到快速发展,它才找到了用武之地。

 

今天,我们在谈论知识图谱的时候,都会谈论到另一个十分重要的技术领域,就是深度学习。在很长一段时间里,知识图谱和深度学习都是沿着各自的道路独自发展的,它们之间的交集并不多,但现在知识图谱和深度学习的联系却越来越紧密,从数据标注到知识抽取、知识融合与消歧、知识推理等各个方面,运用深度学习处理相关问题都取得了良好的效果。本文重点在于介绍知识图谱在教学中的应用,暂未涉及深度学习的相关内容。

 

本文重点谈谈知识图谱在教育领域,特别是教学方面的应用。

 

知识图谱概述

 

知识图谱的概念最早是由谷歌提出来的,随着这一概念在学术界不断研讨,在业界不断被传播和普及,它逐渐形成了一个专业技术领域,并成为人工智能领域的重要应用领域。

 

知识图谱以“图”的方式来描述真实世界的事物及其关系。真实世界中的各种事物、存在,及其概念都被称为是实体,以“节点”来表示;实体与实体之间的关系用“边”来表示。这样,实体及其关系就可以表示成“实体--实体”的简单结构。当这种结构的连接不断扩展和延伸,就构成了一张巨大的网络,这个网络就是知识图谱。理论上,我们可以用知识图谱把地球上的所有知识联接起来,构成一个“知识地球”,把关于“中国”的所有知识联接起来,构成“知识中国”,也可以把一个政府机构、一个行业、一所学习、一个其企业相关的知识联接起来,构成一个知识政府、知识行业、知识学校、知识企业等等。

 

这种“节点--节点”的结构,也称三元组。对于知识图谱而言,三元组的魅力就如同二进制数学对于计算机科学那样,五彩缤纷、纷繁复杂的万事万物在计算机的世界里不过是01两个符号而已。浩如烟海、茫无头绪、杂乱无章的知识海洋在知识图谱里用三元组这么简单的方法解决了。

 

知识图谱有什么用处?

 

1找到正确的事物。

                               

我们开车的时候,导航是这类应用较直观的体验。在教学中,老师备课如何快速得到想要的备课素材,方便快捷地搜索和浏览教材中相关知识点;老师在分析学生的学习成绩的时候,如何全面快速地了解到学生学习相关的信息和历史情况,包括过往的学校信息,成长环境和家庭信息,等等。

 

2得到最优的结果,并形成摘要。 

                     

通过知识图谱,老师可以将与他/她教学相关的某个主题或感兴趣的知识构建知识图谱,系统将根据知识图谱不断更新和维护有关的信息,帮助其形成索引和摘要,方便备课和教学时使用。

 

3挖掘隐形知识,拓展深度和广度知识。 

 

对关联知识和隐形知识的挖掘,是知识图谱很重要的应用,而这更是知识图谱的独特价值。表面的显性的知识容易被发现,而隐形的,深度的,根源性的知识被挖掘出来往往比较困难,而这些隐形的知识往往在应用中的价值更大。例如,如果我们仅仅从学生在生活中消费比较少就判断他是贫困生,往往是不准确的,如果我们用知识图谱把学生个人生活、家庭收入、习惯等方面的更多信息关联起来以后,分析出来的信息就会准确,而且通过信息之间的关系找到其中的原因。

 

 

知识图谱在教学中的应用

 

教学是学校最重要的活动。知识图谱在教学中的应用可以被看作人工智能在教育领域的关键应用。在教学活动中,知识图谱可以协助教师提高备课的效率和质量,帮助老师批改作业和批阅试卷,把老师从繁重的体力劳动中解放出来,做更有创造性和更高价值的工作。      

                                                 

1用知识图谱构建智能教材系统。

                       

教材是教学的基础,是教学活动的出发点。老师上课和学生学习都离不开教材。目前,教材的承载形式多种多样,有纸质版、电子版、流媒体等视频版本等等。但是,不管是那种载体的,它们都有一个共同的特点,就是所记载的知识和信息都是以静止的状态存在的。而互联网的发展使得每天的信息和知识都是在以几何级数增长,这种静态的信息记载和保存方式严重制约了信息使用和传播。我们经常看到,一本教材在作者撰写的时候还是先进的,等到出版的时候,书中的很多知识已经过时了,而新的知识却不能得到及时的更新。

 

以知识图谱构建的智能教材系统可以很好地解决这个问题,它使得教材知识体系的更新和维护变得简单易行。我们知道,一本教材的结构是由目录、章、节和段落组成,而每一段落所表达的知识和信息都是具体的和明确的。我们顺着教材的结构,用三元组的方法将其中的实体和关系抽取出来,并进而根据每个三元组之间的内在联系“画”出一张知识图谱网络,这个知识图谱的网络可以以任何一个节点为顶点调整网络结构、节点及其关系。这样,我们就可以根据不同的用途,灵活方便地使用知识图谱教材了。

 

知识图谱教材可以帮助老师备课、生成题库(作业和试题)、帮助老师批改作业和试卷,分析学生学习成绩等。由于它的应用实现是建立在深度学习的基础上的,知识的生成、更新和维护都可以自动完成,并按照教师设定的目标和功能帮助教师处理教学活动中许多重复的体力劳动,减轻了教师的工作负担。                         

2试题库的生成。

                                     

在知识图谱教材的基础上,我们可以设计并自动生成一个题库。这个题库可以用于学生的练习和作业,也可以用于生成考试试卷。与传统题库不同的是,传统电子题库一般只能做填空题、选择题和判断题,而知识图谱生成的题库则可以有更大的弹性和扩展性,论述题、分析题、实验实训题,以及实操性的题目都可以完成。

                           

3教师备课。

                                      

备课是教师工作量十分巨大的一项工作,也是十分艰辛的事情。在知识图谱教材的基础上,我们可以根据教师的教学任务和目标,设计和开发教师的备课模板。这个模板也是以知识图谱为基础进行设计和开发的。将知识图谱结构的教材、备课素材库、题库等与备课模板相结合,可以快速生成一个教学教案。这个教学案中可以根据教学计划设定每一个教学场景和教学活动的用时,提前预演模拟教学过程,包括与学生的互动节点等。这个教学方案还可以与智慧教室关联起来,在智慧教室的环境中,所有的教学活动和过程都被完整地记录下来。然后,采用深度学习加知识图谱的技术把教学活动中产生的新知识信息进行抽取,形成新的样本数据,不断丰富教材、题库和课件库。

                       

4作业和试卷批改。

                                      

批改作业是教师又一繁重的工作,其中大多数的工作是重复性劳动,创造性的价值较低,但它又是教学活动中必不可少的工作。以知识图谱教材和题库作为基础,作业批改和试卷批改都可以交由智能机器人系统完成。

 

在智能题库的基础上,教师可以根据教学计划和目标,在作业系统里设计和布置作业。这些作业经由学生完成并提交给智能作业批改系统之后,系统可以立即自动给出学生作业的批改结果,并根据批改的结果给学生批语和指导。由于作业批改系统是建立在深度学习平台之上的,系统可以持续不断累积学生作业的数据,作为供平台进行学习和训练的样本,因此系统的数据样本越丰富,过程也持久,对老师的教学经验和风格的了解越多,作业批改的准确率就会越高。

                       

5学生学习状况分析。

                                      

孔子提出因材施教的教育理念后,如何达成这一理想就成为一代接一代的教育工作不懈努力的目标。将知识图谱应用于教学之中,为我们实现这一理想又向前跨越了一大步。

 

采用知识图谱技术,可以将每一个学生的学习状况进行“透视”,分析出学习成绩与性格、兴趣爱好、学习方式、学习环境、家庭背景等方面的联系,帮助老师根据不同学生的基础和情况制定差异化的教学计划。完整的知识图谱可以勾画出每一个学生的成长历程。

 

 

轩辕研究院信天翁实验室

 
 
 

 

信天翁实验室是轩辕研究院建立的人工智能实验室,它以知识图谱、机器视觉、深度学习为技术架构,围绕认知智能、感知智能和计算智能领域的关键技术,进行技术研发和工程应用开发。

 

实验室拥有一批思维活跃,在专业技术领域颇有建树的年轻工程技术人才,并通过产学研合作的方式,与广东各高校建立起广泛的合作。我们在应用知识图谱构建智能教学系统的应用开发上做了大量的基础性研发工作,取得了一些成果,积累了一定的数据。实验室采取开放式的研发体系,热忱欢迎对这一领域感兴趣的老师加入实验室,共同探讨和研究相关领域的技术问题。

 

 

 

 

轩辕研究院信天翁实验室团队

 

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