毕业论文（设计）初中数学问题的全知识图谱设计与实现.pdf

摘要摘要在初等教育的各个科目中，数学学科具有举足轻重的地位，但是中学生对数 学知识进行学习时，存在很大的个体差异性。这是因为不同学习者脑海中已有的 数学知识库和自身经验都存在较大差异，对数学知识进行结构组织的能力也不同，从而导致在接受新数学知识时所产生的效果就会不同。因此，如何构建一个初中 数学全知识图谱以帮助学生在数学学习过程中，提高数学学习效率，形成更严谨 的数学思维的问题，成为了一个重要而有意义的研究课题。知识图谱就是以科学知识为研究对象，以可视化的方式来揭示科学知识的发 展历程及其结构关系，并且以空间结构的形式将学科内部或多学科间的交互关系 展示出来。因此，知识图谱不仅可以对知识进行查找、匹配、获取、推送和共享 等功能，还具有智能工具化和可视化的特性。论文以初中数学问题的全知识图谱的设计与实现为研究对象，主要完成了三 个方面的工作：(1)分析研究了利用本体构建知识图谱的方法策略。在前人的研究基础上，将本体技术和知识图谱融合在一起，利用本体构建知识图谱的框架结构及对应的 构建流程。知识节点是知识图谱的根本，为了实现它的提取和确定，本文对语义 相似度计算模型MD4进行了部分改进。通过改进后的计算公式对初中数学知识点 的名称、属性、语义关系(层次结构和非层次结构)及实例进行语义相似度计算,并将所得结果先做加权处理再求和，就可以得到知识点的实际相似度，从而实现 知识节点的提取和确定，方便后续利用本体技术完成知识图谱的构建。(2)基于所研究的构建策略，利用Prot6g6完成初中数学问题全知识图谱的构 建。根据初中数学知识特有的性质，确定了知识结构树和知识块的划分。结合一 般知识图谱本体的构建流程，给出了适合本文研究课题的特定流程，并参照流程 图在ProtegC实现初中数学问题全知识图谱的构建。(3)将构建好的知识图谱应用于初中数学智能教学系统的评测模块中。对初 中数学问题求解进行了研究和分析，提出了基于知识图谱的知识点和习题解答的 评测方法。结合模糊综合评测算法，将其应用于初中数学智能教学系统的评测模 块中。通过实验对该评测方法进行了验证，表明该方法具有较好的合理性和可行 性。关键词：初中数学知识，知识图谱，本体构建，知识评测IABS TRACTABSTRACTMathematics has the pivotal status in every subject in elementary education,but there are big individual differences when junior high school students to learn mathematics knowledge,because different learners exist large gap in their mathematics base and experience,and the ability to structure mathematics knowledge,so there will be difference when they acknowledge the new mathematics knowledge.As a result,how to build a full knowledge map for the problems in junior high school mathematics to help students enhance the effectiveness of mathematics learning and build a more rigorous mathematical thinking when they learn mathematics are becoming an important and meaningful research subject.Knowledge map uses scientific knowledge as the research object,reveals the development of scientific knowledge and its structural relationships in a visual way,and can make the interactive relationship of course inner or among various courses show in the form of space.As a consequence,knowledge map cannot only have the function of searching,matching,acquisition,pushing and sharing knowledge,but also has intelligence tools and visual features.The thesis researches the design and implementation of the full knowledge map for the problems in junior high school mathematics,and mainly completes three parts of the work:The firstly is analyzing and researching the method of using ontology to build knowledge map.Fusing together ontology technology and knowledge map,in addition to,proposing using ontology to build the frame structure of the knowledge map and its process.The knowledge node is the root of knowledge map,in order to extract and confirm it there are some changes in semantic similarity calculation model which is named MD4,and we can use the improved formula to compute the semantic similarity between the mathematics knowledge of junior high school.The similarity covers name,attribute,semantic relation which contains hierarchical relationship and none hierarchical relationship,and case similarity.Then,in front of the calculated results are weighted and then summed,so we can get the similarity of the practical knowledge.After that,we will achieve the extraction and confirming of knowledge node,and it is convenient for the subsequent knowledge map to build in using ontology technology.iiABS TRACTThe secondly is utilizing Protege to build the full knowledge map for the problems in junior high school mathematics based on the research of building strategy.Depending on the unique property of junior high school mathematics,we can confirm the division of the knowledge structure and blocks.Giving the specific process which is suitable for the thesiss research topics combined with the building process of general knowledge map ontology,and implementing the building of the full knowledge map for the problems in junior high school mathematics in Protege referred to flow charts.The lastly is utilizing knowledge maps to evaluation module of the junior high school mathematics Intelligent Tutoring S ystems.The thesis has to do some researches and analysis in solving the junior high school mathematics,and putting forward the evaluation method based on the knowledge map and problem set solutions.Utilizing the knowledge map of the evaluation module of intelligent teaching system in the junior high school mathematics combined with Fuzzy comprehensive evaluation algorithm.The evaluation method is verified by experiments and shows that the method has good feasibility and rationality.Keywords:Junior high school mathematics,knowledge maps,ontology,knowledge evaluationin目录目录第一章绪论.11.1 研究背景及意义.11.2 国内外研究现状.21.2.1 数学知识网络的研究现状.21.2.2 知识图谱的研究现状.21.2.3 本体的研究现状.31.3 研究方法.41.4 论文内容和结构安排.5第二章相关理论和技术基础.72.1 数学知识网络.72.1.1 表示形式.72.1.2 知识网络的特征.82.2 知识图谱.82.2.1 知识图谱概述.82.2.2 知识图谱的构建.102.3 知识处理.122.3.1 知识的表示.122.3.2 知识的获取.132.3.3 知识的推理.142.4 本体.152.4.1 本体理论概述.152.4.2 基于Web的本体描述语言.152.4.3 本体的构建.182.5 语义相似度.192.5.1 语义相似度计算模型.202.5.2 语义相似度的计算方法.202.6 本章小结.21第三章基于本体的知识图谱构建研究.223.1 基于本体的知识处理.223.2 本体与知识图谱的映射.23IV_3.3 基于本体构建知识图谱的基本组成框架.253.3.1 用户交互层.253.3.2 知识图谱展示层.263.3.4 本体描述层.263.3.4 资源存储层.273.4 基于本体的知识图谱通用构建方法.283.4.1 本体的构建方法.283.4.2 基于本体的知识图谱构建方法.293.4.3 基于本体构建知识图谱的具体步骤.303.5 基于本体的知识图谱中知识元的获取.323.5.1 知识元的语义相似度计算模型.333.5.2 知识元的语义相似度具体计算方法.343.6 基于本体的知识图谱中属性的获取.403.6.1 对象属性关系.413.6.2 数据属性关系.423.7 本章小结.42第四章基于本体的初中数学问题全知识图谱的构建.434.1 影响初中数学问题全知识图谱的构建因素.434.2 基于本体的初中数学问题全知识图谱构建方法.444.3 基于本体构建初中数学知识图谱的详细过程.464.3.1 确定构建目标.464.3.2 确定核心知识概念集.464.3.3 划分知识块.484.3.4 获取和确定知识节点.484.3.5 确定类层次结构.504.3.6 定义类属性及关系.554.3.7 实现实例可视化.574.3.8 评审和检索.594.4 本章小结.60第五章初中数学知识图谱的应用.615.1 基于知识图谱的初中数学问题评测方法.615.1.1 知识点的评测方法.615.1.2 问题求解技能的评测方法.63v_5.1.3 基于知识图谱的模糊综合评测方法.665.2 评测方法在初中数学智能教学系统中的应用.695.2.1 评测实验运行环境.695.2.2 评测实验案例.715.2.3 评测数据分析和方法验证.745.2.4 评测方法的验证结果.765.3 本章小结.76第六章工作总结与展望.776.1 本文工作总结.776.2 未来工作展望.77致谢.79参考文献.80攻读硕士学位期间取得的成果.84VI第一章绪论第一章绪论1.1 研究背景及意义对于数学在人类历史进程中的影响可借助我国杰出数学家华罗庚曾说过的一 句话来描述：“宇宙之大，粒子之微，火箭之速，化工之巧，地球之变，生物之谜,日用之繁，数学无处不在叩,不仅是研究自然学、社会学的基础，也是学习和研 究现代科学技术必不可少的基本工具，还推动了人类文明、科技和社会的发展，由此可见对数学进行学习和研究的必要性。对数学知识进行学习时，不同个体的学习效果也不同，而产生的原因，心理 学已有研究表明：因为知识是对事物结构的认识，而事物结构的构成法则有多种,可以是某种关系，也可以是某种模式，不同学习者对知识结构的组织也会不一样,比如效果差的学习者对知识结构的组织是孤立零散的，以列举、水平排列的方式 展示，而效果好的学习者对知识结构的组织是系统化的，将知识点分类分层排列，再依次建立内部关联，使之以知识层次网的结构来展示。因此在数学学习过程中，如何构建数学知识网络结构，从而解决数学知识的迁移、表示及推理等问题，使 它们能依据某种特定的规律内化到学习者的思维中，存放有序，层次分明，利用 数学知识的巩固、记忆、迁移和创新，并让学习者对这些知识运用自如，提高他 们在实际应用中能利用数学思维能力进行问题求解的能力，这些都是数学学习过 程中一个非常值得关注且很重要的问题，这在很大程度上决定了数学知识的学习 效率和掌握程度。针对上述问题，通过文献研究发现利用本体构建知识图谱是一个不错的解决 方法，因为它可以利用知识间的层次结构把分散的知识收集起来，并进行分类处 理，找出它们之间的联系及可视化展示。这样不仅可以防止知识孤岛的产生，还 可以实现知识的共享，并为知识创新提供坚实基础。而对知识图谱的可视化可以 利用本体构建工具来实现，因为本体不仅自身对知识就有很好的表示效果，通过 概念及概念间的关系构成知识网，还能为知识图谱中知识元之间的表示、知识图 谱的链接和动态更新等过程也提供有效的支撑，比如：知识图谱想实现它的查询 过程时，可以通过本体的匹配功能来实现；想要实现动态更新过程的话，使用本 体重构功能就可以等。所以在此背景下，本文提出了利用本体构建数学全知识图谱并将其应用在数 学智能教学系统的评测功能中，之所以应用到智能教学系统中，因为网络智能教 学系统不仅是目前的一个热点研究问题，也将逐渐成为未来的教学主流，将所构 建的知识图谱应用在智能教学系统上，不仅是其具有科研价值还有实际应用价值,1电子科技大学硕士学位论文可以解决目前智能教学系统中所存在的知识共享效果不好、缺乏互操作等问题，提高学习者利用智能教学系统的学习效率，不仅是数学学科，也可应用到其他学 科的学习过程中。另外，之所以选择数学学科中的初中数学部分来构建知识图谱，是由于数学 有初等数学和高等数学之分，学习数学过程也是先初等再高等，即初等是高等的 基础，只有在基础得到巩固的前提下，对后续更深入知识的学习才能得到更好的 效果，而初中数学又是初等数学的入门，基础中的基础。1.2 国内外研究现状1.2.1 数学知识网络的研究现状对数学知识进行研究时，一般都从两个角度进行：一个是认知结构，一个是 知识网络。两者的出发点不同，其中认知结构一般从学习者的学习心理出发，而 知识网络则以学科知识本身所具有的结构特点出发。因此，在为本文整理国内外 文献时，分别以“学科认知结构”、“数学认知结构”、“学科知识网络和数学知识 网络”等为关键字在各大数据库进行相关研究文献搜索，发现与前三者相关的文献 较多，差不多都不下千百篇，如在认知结构上的研究有：美国的S heffield就强调 知识良好的表述和组织方式，即认为只有良好的认知结构，才能对问题求解过程 中需提取及运用的信息有促进作用；Polyak也认为充分的知识及良好的组织是解 题者的重要资本，而良好的组织又比充分的知识重要等。就连同样在知识网络上 的研究，物理、化学等其他学科中都有较多的研究，唯独在数学知识网络的研究 上能找到的文献则非常少，大致10篇左右，而且在这些文献里对数学知识网络的 研究也不甚完善。由此可见，对数学的知识网络结构上的研究还需进行更多的努 力。1.2.2 知识图谱的研究现状对知识图谱(Knowledge Gr叩h)的研究，最早是在1961年由Price图利用图形绘 制科学发展规律而提出的一个模糊概念，但其实际雏形是在20世纪七八十年代由 匈牙利学者Braun、Glanzel和S chuber等以各国世界版图为研究对象绘制而成，然后又在德国著名科学计量学家Hildnm Kretschmer向对三维空间模型的研究下，它的发展得以促进等。后来在信息技术的大力支撑下，它在图书馆情报学、教育 学、生物医药学、档案管理学等诸多领域都得到了大大的推广和应用，而不再局 限于科学计量学领域。本文主要针对其在教学领域中的应用来展开综述。在人类对外部信息的感知系统中，视觉起着绝对的主导作用，而图像则是视 2第一章绪论觉信息的首要要素，所以将图像和文字结合起来教学就成为新的教学方法，通过 研究也证明，基于图像的教学比传统的教学方式有更好的效果。Hall对知识图谱 在教学中的影响做了相关研究和实验，结果表明知识图谱的引入提高了学生的学 习效率；Herl、O，neilhf和Chung网让学生绘制他们所学知识的知识图谱，从而了 解他们对教学内容的理解、掌握程度和解决问题的应用能力；Bidarra和Dias将 知识图谱引入到了网络教学中；赵玉鹏、闫巍在科学知识图谱在研究生教学 中的应用一文中指出，研究生可以借助知识图谱来快速的把握学科前沿热点，寻找存在于学科研究中的盲点，最终从方法论的层次来提高研究生的科学研究认 识水平与解决问题的能力。根据布鲁姆教育目标的分类，不同难度级别的知识图谱为学生提供不同难度 级别的知识水平，面向此类程序性知识，可以构建知识图谱来实现自适应知识评 估。P.H.WU等皿发现知识图谱作为评测工具的有效性；Alla等口为提出了基于 Multi-Agent智能知识图谱的评价体系；John等将心理特征和知识图谱的实用性 等作为文学课堂中的评测技术；Gregory等口对开发了人力绩效知识图谱映射工具(HPKMT：Human Performance Knowledge Mapping Tool),使受训I者通过仓ll建概 念和定义概念间关系的知识图谱来表达他们对培训类容领域的理解;Kumaran等口可 提出了基于学生使用本体知识图谱映射的评测；上海复旦大学计算机与信息技术 系的柳飞等在构建知识点的知识图谱的知识上，利用搜索提出了自动评测系统，并投入实际使用中。有了上述的智能评测系统的研究成果和开放式教育项目的发展，无论是教师 还是学生都有了更多的机会来接触更多更广泛更优秀的教育资源，也使得学生能 更方便更高效的开展学习。1.2.3 本体的研究现状本体的提出是在17世纪，经过这些年的发展，本体研究工作者对其理论、实 际应用以及构建方法都进行了广泛讨论和深度研究。甘健侯等对本体的相关理 论知识进行了详细的说明，包括对本体的描述语言、描述逻辑、构建方法、映射、概念语义相关度的计算及应用系统等；李景、孟宪学回等人对本体技术领域里的 相关研究热点进行了分析，有本体的构建工具、本体语言、本体库、本体的映射 和提取等，甚至还针对性的研究了顶级本体，提出了知识领域建模方法，并将相 关理论研究应用到了实际项目中，阐述了大规模本体开发环境原型系统(LODE)的开发与应用。要实现本体的应用价值，除了有理论作为依据，还需要有构建方法提供技术 3电子科技大学硕士学位论文支持。虽然本体的构建方法大致上可以归为两类：静态领域知识本体构建、动态 过程本体构建。但在此基础上，国内外领域专家等相关工作人员对本体的构建方 法还是给予了很大的关注，从而产生了多种本体构建方法：Danial-S aad9采用 Delphi方法构建了基于AT的本体；Krizhanovsky等提出了一种基于Wikipedia（维基百科知识库）通用本体的自动构建方法，并成功构建了整个系统框架和给 出了构建流程；于娟、党延忠提出了概念特征词法对本体关系进行学习研究，并可以应用在本体构建和文本挖掘等领域。正因为有了诸多的构建方法，本体才能在各个领域里得到了广泛应用。顾慧 翔等阳在语义web及其知识的描述及信息的表达中对本体进行了研究;Heravi等画 在ebXML业务流程规范架构中应用了过程本体，不仅实现了 B2B电子商务模式 中的语义捕获及共享，对共享信息也能进行知识演绎和知识推理；本体Framenet 和WordNet因自身就具有很强的语义分析能力被应用在英文词典中，GUM和 M汰romos因对词语具有语义处理能力被广泛应用在自然语言处理中；OntoAIMS M是本体技术在智能教学系统中一个典型应用，它可以为使用该系统的 学生提供个性化的学习服务，同时还保证了教学资源的利用率和知识推理的准确 度；北京师范大学的崔光佐教授等利用泛在计算、本体、语义Web和网格计算等 技术成功研发了基于本体的网络教学支撑平台OntoEdu3,其核心部分为教育本 体；电子科技大学计算机学院可信计算与自动推理实验室符红光教授等画将本体 应用于平面几何问题求解过程中，并利用本体技术和Prolog规则实现了初等数学 中平面几何定理的证明；顾芳、曹存根等mi将本体应用在知识获取、知识及知识 推理等知识工程领域方面，人类知识通过本体表示后就可以被计算机所操作，进 而使得计算机具有一定的类人性。总之，国内外的各个领域的研究人员对对本体的研究都处于一个飞速发展的 阶段，将来利用本体的领域范围也会更加广阔，而目前整个本体理论体系也不甚 完美，所以不管是国内还是国外，对本体的研究都将更加持续的去努力，并进行 更深层次的研究，从而可以挖掘出本体更高的应用价值。1.3 研究方法本文在利用本体构建初中数学全知识图谱并将其应用于智能教学系统的评测 模块过程中，采用的研究方法为定量定性的结合分析：定量分析法可以根据整理 的大量数据使人们进一步精确化的认识研究对象，从而更科学地揭示它们之间存 在的规律，疏通逻辑关系和掌握内在本质；而定性分析法可以根据经验、主观判 断和分析能力等，在定量分析的基础上，推算事物的本质并对未来事物的发展趋 4第一章绪论向进行预估。具体的研究方法为文献调研法、统计分析法、对比分析法。首先通过文献研 究法在各大数据资源库中搜索有关于本体、知识图谱、智能教学评测系统的理论 研究及其实际应用的文献，然后利用统计分析法对前面收集的文献数据进行全面 的整理、分析和建立相关参数值的模型，再利用对比分析法将整理出的不同的理 论和方法进行对比，分析其中的异同，比较优劣，选择最好的理论和方法为本文 初中数学全知识图谱的构建及应用提供理论依据和参考方法。1.4 论文内容和结构安排针对本文研究课题，需要解决的问题主要有三个：（1）是研究利用本体构建 知识图谱的方法策略，（2）利用所研究的构建策略在本体工具中设计和实现初中 数学全知识图谱的构建，（3）将构建好知识图谱应用到实际中初中数学智能 教学系统的评测功能。针对上述三个问题和课题目标，将本文结构分成了6个章 节，每章具体内容每个如下：第一章节为“绪论”部分：对课题的研究背景及意义，数学知识网络、知识图谱、本体的国内外研究现状，本文所采用研究方法和论文内容及结构安排进行了简单 的介绍。第二章节为“相关理论和技术基础”概述部分:通过文献调研法和统计分析法对 本课题相关理论和技术进行了相关研究，主要涉及四个方面的内容：数学知识网 络、知识图谱、知识处理、本体技术和语义相关度。第三章节为“基于本体的知识图谱构建研究”部分：结合本文研究课题，可以利 用本体技术对初中数学知识进行处理，而且在研究知识图谱的构建方法时，发现 本体和知识图谱存在映射关系，从而可以将本体技术和知识图谱融合在一起，提 出了利用本体构建知识图谱的框架结构，并给出了相应的构建流程；为了获取和 确定初中数学知识图谱构建中所需的知识元，对语义相似度计算模型MD4128中名 称相似度和层次结构相似度的计算做了部分改进，利用改进后的计算公式对知识 图谱知识点的名称、属性、语义关系（层次结构和非层次结构）及实例相似度进 行计算，并将所得结果做加权处理后求和，得到实际相似度，这样就完成了知识 节点的提取和确定；同时还对构建过程中所需属性关系进行了获取和简单介绍。第四章节为“基于本体的初中数学知识图谱的构建，部分:根据初中数学知识特 有的性质，分析了构建初中数学知识网络时所要考虑的因素，并收集初中数学所 涉及知识点的概念、性质、定理等，分析它们之间的直接或间接联系，确定了初 中数学知识结构树和知识块的划分，并结合一般知识图谱本体构建流程，给出了 5电子科技大学硕士学位论文适合初中数学全知识图谱本体的信息构建流程，并参照流程图实现初中数学全知 识图谱的构建。第五章节为“基于知识图谱的评测方法及其应用”部分:对初中数学问题求解进 行了研究和分析，提出了基于知识图谱和习题解答的评测方法。结合模糊综合评 测算法，将其应用于初中数学智能教学系统的评测模块中。通过实验对该评测方 法进行了验证，实验结果与实际大致相符，表明该方法具有一定合理性和可行性。第六章节为“工作总结与展望”部分：主要对全文的工作做了简要的总结，并针 对本课题目前存在的一些问题对未来的工作内容进行了展望。6第二章相关理论和技术基础第二章相关理论和技术基础为了更好的完成本课题的研究，成功构建良好的初中数学问题的全知识图谱,所涉及的理论和技术有数学知识网络、知识图谱、知识处理、本体论和语义相似 度等多个。下面就分别对它们进行简单的概述。2.1 数学知识网络知识网络(Knowledge networks)的最早提出是在1995年，现今已广泛应用 于各个领域的理论研究及实际应用中，但在学术界的定义还没有统一明确化。从 它所构成的节点形态角度进行分析，主要可以表述为知识与人之间和知识与知识 之间的一种知识结构，一般以知识点为网络节点。2.1.1 表示形式数学知识网络就是针对数学学科的知识网络。对它实施构建时，主要的依据 是数学知识点之间存在的共性和差异性、教学过程中的教学方式、学习者自身的 学习方式等。通过分析，目前主要有以下五种表示形式：1、串联形式表示在知识点之间寻找它们的逻辑关系，依次联系在一起，这种 形式可以使得知识点间的逻辑性更加强，学习起来不仅能巩固已有知识，还能完 成知识的迁移，但有个缺点是它只适合具有逻辑关系的知识点；2、并联形式表示将同类知识点的多个知识点或相互对立的知识点在同一个结 构中拜师出来，因为同一个知识具有不同的知识点，不同的多个知识之间也具有 相同的知识点，将它们并联在一起，可以进行对比学习，加深对知识点的理解；3、图表形式表示的是利用图或表的形式把多个知识点整理在一起，让知识点 的联系或区别都非常清楚，学习起来更加容易，能增强对知识点的记忆；4、分支形式表示的是把一个知识点从各个角度进行剖析，提取出与它相关的 知识点，在循环上述过程，直到满足需求为止，这类似于树，这种表示形式的优 点也是知识点间的关系清晰明了，易懂易接受，关键是找到主干，有机的进行层 次划分；5、辐射形式表示的是以一个知识点为中心，从它的不同角度出发寻找与之相 关的其他知识点，这种形式能提高学习者发散思维的培养，关键在于找到多个知 识点之间的共性，即中心知识点。在数学知识网络的具体构建中，可根据实际情况进行选取合适的表示形式。7电子科技大学硕士学位论文2.1.2 知识网络的特征因为对数学知识的学习不仅仅是对知识的积累，更是对知识认知的培养。学 习者通过在已有的数学知识和数学经验的基础上，对所学新知识进行判断、选择、提炼等使它们相容，形成新的知识网络，并内化在数学思维中，这就是一个良好 的知识认知过程。对知识的认知程度和构建知识网络的完善程度是相互作用相互 影响的，而良好的知识网络一般具有可利用性、可辨别性、稳定性、整体性、可 变性和个体特殊性等特征：1、可利用性是指旧知识点与新知识间多多少少都会存在某些共性，在对陌生 知识进行学习时，就可以利用与之有着共性的旧知识实施学习，提高知识利用率;2、可辨别性是指知识点间除了存在共性外，还有一定的差异性，通过构建知 识网络结构，可以清晰明了的把这些差异性辨别出来；3、稳定性指的是由于知识点间共性的存在，它们之间也存在一定的相关度，共性点越多，相关度也就越高，反之亦然；4、整体性是指知识点间都不是零散独立的存在于知识结构中的，它们彼此间 都存在一定的联系，通过这些联系还可以组成知识块，知识块与知识块之间又可 以通过某种联系构成一个整体，以便于提高学习者对知识进行记忆的效率，但前 提是学习者得具有一定的全局思维逻辑；5、可变性是指所形成的数学知识结构应该可以根据不同的需求随时进行调整 或者重组，而不是一旦形成就不能更改，比如在学习新知识时，可以在已有的知 识认知和经验的基础上，形成新的知识结构；6、个体特殊性是指不同学习者在学习方法、知识认知和经验等方面都存在一 定的差异，而知识结构又是这些方面的集中体现，甚至还决定了所形成知识结构 的复杂度和灵活性。2.2 知识图谱因为网络信息技术的飞速发展使得网络信息呈爆炸式增长，造成大量信息冗 余，资源重复率高，人们对知识与信息选择更加困难，查找精确性和效率都有了 很大的影响。为了解决上述问题并能可视化的展示知识及信息的新兴交叉学科应 运而生，那就是科学知识图谱。2.2.1 知识图谱概述在知识图谱的发展历程中，有诸多研究人员对其进行了相关研究并对其进行 定义：VailP9将知识图谱划分为静态和动态两种类型，认为它是“可视化的对获得 8第二章相关理论和技术基础的信息及其关系进行显示，使得不同背景的用户群体能利用各个具体层面对知识 进行有效的学习及交流。”；李华伟等网的“知识管理工具说”；陈悦、刘则渊即认 为它是“对人类随时间推移所得的知识资源及其载体进行可视化的描述，绘制、挖 掘、分析和显示科学技术知识及其联系，为促进科学技术的合作和深入研究，在 组织内创造了便于知识共享的环境。”，同时还将知识域的描述对象划分成了人或 组织、线性或编码化知识、方法或过程三类。但不管通过怎样的方式对其进行定 义，都以科学知识为研究对象，以可视化的方式来揭示科学知识的发展历程及其 结构关系，并且可以以空间的形式将学科内部或多学科间的交互关系展示出来，如图2-1所示。图2-1知识图谱应用领域图因为知识图谱是多学科的交叉融合，能在诸多研究领域中得到应用，其作用 范围非常广泛。乐飞红等在2002对知识图谱的有效作用作了部分总结：搜索导航,利用提供知识检索，提高知识的复用和防止知识的冗余，从而增强检索和获取效 率；隐型知识的转化，发现知识孤岛并建立联系，促进知识共享；为知识评估提 供基础；帮助学习者快速获取所学知识；提供学习知识的机会；创造、评价知识 资产；建立对知识进行组织和管理的基础设施等。根据知识图谱的不同作用和参考标准，比如：研究人员、描述对象、构建方 法、功能等，对知识图谱的划分方式也有多种，其中较为常用的分类还是为面向 概念的、能力的、程序的这二种知识图谱，详情可见表2-L9电子科技大学硕士学位论文表2-1知识图谱常用分类及适应场所类型定义适应场所面向概 念的依据主题或概念所组织而成，只包含了 叙述性知识分类导航、主题学习、关 联检索、新员工培训面向能 力的将组织的各种专业技能、职业视为一种 资源并记录，描述人员与知识间的关系员工、专家定位、隐性知 识定位面向程 序的依据程序组织而成，包括叙述性知识和 程序性知识问题求解、生产作业、工 程设计、实例学习2.2.2 知识图谱的构建知识图谱主要由三个层次和五个基本要素组成，其中三个层次指的是图表层、描述层和资源层；五个基本要素指的是知识节点、知识关联、知识链接、知识描 述和RDF32。研究人员在构建实现知识图谱时，只有很清晰、明确的了解了它的 基本构成，才能根据不同的框架需求去寻找最合适的构架方法、技术和工具，最 终符合目标需求。2.2.2.1 构建方法及技术常见的知识图谱构建技术有S emantic Wiki、XTM、自动标引和本体技术等。1、S emantic Wiki是在传统Wiki技术的基础上再结合S emantic的新技术，相较 于传统Wild和S emantic技术，它体现了人工智能领域技术，具有易操作、易编辑、自由度较高等的优点，还能对知识进行获取和查询数据库数据，为知识图谱的构 建技术提供参考依据；2、XTM(XML Topic Maps),在Web概念图的技术上再利用XML语言的语法结 构提取出来的抽象模型，能够实现知识图谱中的知识关联、知识链接、知识导航 及知识可视化等功能；3、自动标引表示利用信息技术将数据库存储的文献中将检索标识提取出来的 过程，有人工智能、统计、语言分析及混合四种方法，具有获取知识、提高智能 性的能力；4、本体也算是知识的一种表达形式，将其应用在知识图谱中，能够完成知识 图谱的集成和统一，为知识图谱资源层中知识库的构建打好基础。2.2.2.2 构建模式及流程随着知识图谱构建技术的发展，其构建模式也在不断的更新和改善，比较常10第二章相关理论和技术基础用的有四步、六步、七步和核心三要素模式这四种，它们的对比介绍如表2-2所示。表2-2知识图谱构建模式对比分析年份作者模式步骤2000Gartner Group四步知识审查、知识制图、建立索引、知识轮廓个人化2005苏海六步知识获取、知识审核、知识封装及存储、元知识提 取、知识链接、知识图谱生成2005庄善洁七步成立知识小组、关键用户群识别、明确目标、选择 开发工具、确定管理者、绘制知识图谱、知识图谱 完善和更新2011赵娜核心三 要素相关概念提取、概念相互关系分析、知识结构的可视化表达在知识图谱的不同构建模式中，可以提取出普遍使用的构建流程，主要有数 据的收集、处理与绘制以及图谱解读三个阶段过程，其中第二个阶段还包括数据 分析，其详细流程图如图2-2所示。数据预处理数据分析 r图谱绘制 图谱解读第二阶段 第三阶段图2-2知识图谱常用构建流程图由前文可知，知识图谱的应用广泛，所以在构建时所采用的技术方法、构建 模式及所遵循的原则也有不