倪政林，謝 婷

（1.馬鞍山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 馬鞍山 243031；2.馬鞍山廣播電視大學(xué)，安徽 馬鞍山 243011）

國(guó)際著名教育改革理論專家哈維洛克（R.G.Havelock）指出，“教育改革就是教育現(xiàn)狀所發(fā)生的任何有意義的轉(zhuǎn)變”。教育改革是一個(gè)系統(tǒng)工程，既包括各級(jí)各類教育，也包含相應(yīng)教學(xué)模式、方法、技術(shù)的改革及教學(xué)理論的不斷創(chuàng)新。新中國(guó)成立以來，國(guó)民教育經(jīng)歷不斷的改革。概括起來，改革的動(dòng)因主要包含三個(gè)方面：社會(huì)發(fā)展的需求、教育理念的革新、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步?？茖W(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)及通訊技術(shù)等現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步與發(fā)展是現(xiàn)代教育不斷改革的重要?jiǎng)右颉?/p>

文獻(xiàn)[1-5]從教育管理、教育理念、教學(xué)模式、教學(xué)方法、教育技術(shù)等一個(gè)或多個(gè)方面闡述了各自教學(xué)改革觀點(diǎn)或方法。這些觀點(diǎn)或方法的作用主要是增加、豐富教學(xué)內(nèi)容或吸引受教育者的學(xué)習(xí)興趣、注意力、主動(dòng)性等。文獻(xiàn)[6-9]運(yùn)用人工智能中的部分技術(shù)方法，改革教學(xué)評(píng)價(jià)或教學(xué)組織方法等，沒有真正發(fā)揮人工智能技術(shù)的巨大優(yōu)勢(shì)。

受新冠疫情影響，全球線上教學(xué)的發(fā)展達(dá)到了一個(gè)前所未有的廣度和深度，為智能教育的研究提供了大數(shù)據(jù)支持和良好的環(huán)境平臺(tái)。近年來，人工智能理論研究及技術(shù)應(yīng)用取得長(zhǎng)足進(jìn)步。將人工智能研究領(lǐng)域中的本體、知識(shí)表達(dá)、模式識(shí)別、大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)挖掘等理論與技術(shù)融入教育領(lǐng)域，推動(dòng)教育改革，恰逢其時(shí)。實(shí)現(xiàn)智能教育首先要解決的就是教學(xué)知識(shí)的智能識(shí)別問題。

一、相關(guān)概念

（一）本體

本體原是哲學(xué)研究范疇，指探究世界的本原或基質(zhì)的哲學(xué)理論。近幾十年里，本體這一概念及思想被引入到計(jì)算機(jī)界，并在人工智能研究領(lǐng)域中起到越來越重要的作用。目前最公認(rèn)的定義：本體是共享概念模型的明確的形式化規(guī)范說明[10]。

本體一般分為四種類型：通用、領(lǐng)域、應(yīng)用、表示[11]。通用本體覆蓋了若干個(gè)領(lǐng)域、學(xué)科或?qū)I(yè)，通常也稱為核心本體或基礎(chǔ)本體；領(lǐng)域本體包含著特定類型領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)，或是某個(gè)學(xué)科、專業(yè)的相關(guān)知識(shí)；應(yīng)用本體包含特定具體領(lǐng)域建模所需的全部知識(shí)；表示本體是關(guān)于建模本體所需的相關(guān)技術(shù)、要求及規(guī)范等。綜上，本體具有一定的層次性，就教學(xué)領(lǐng)域而言，如果說某門課程中的概念、術(shù)語及其關(guān)系看成是特定的應(yīng)用本體，那么所有課程中的共同的概念和特征則具有一定的通用性，一個(gè)教育領(lǐng)域的本體層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 教育領(lǐng)域的本體層次

本體的定義或描述涉及個(gè)體、類、屬性以及關(guān)系等，具體包含個(gè)體、類、屬性、關(guān)系、函數(shù)術(shù)語、約束、推理規(guī)則、公理、事件等全部或部分內(nèi)容[12]。

（二）知識(shí)

知識(shí)是信息接受者通過對(duì)信息的提煉和推理而獲得的正確結(jié)論，是人對(duì)自然世界、人類社會(huì)以及思維方式與運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)與掌握，是人腦通過思維重新組合和系統(tǒng)化的信息集合。在人工智能領(lǐng)域中，知識(shí)主要包含概念及概念間的關(guān)系、判定、推理、應(yīng)用、事件及事件序列、行為及行為過程、元知識(shí)等等。在通用課程教學(xué)領(lǐng)域，知識(shí)概括起來主要有概念及概念間關(guān)系、判定、公式（方法）或規(guī)則、公理、定理、推理、應(yīng)用等。雖然在不同學(xué)科或?qū)I(yè)領(lǐng)域可能會(huì)出現(xiàn)不同的提法，但就本質(zhì)而言，仍然屬于通用課程教學(xué)領(lǐng)域知識(shí)集范疇，如語言類學(xué)科或課程領(lǐng)域的知識(shí)主要包含字、詞、句、段落、篇章、語法、規(guī)范、習(xí)慣用法、成語或固定短語、應(yīng)用或?qū)懽鞯鹊?，字、詞（辭）屬于概念，語法規(guī)范屬于公式，習(xí)慣用法、成語或固定短語屬于公理，字、詞組成語句屬于概念、公理、方法或規(guī)則的應(yīng)用，語句組成段落、段落組成篇章屬于規(guī)則或推理等的應(yīng)用等等。

（三）智能教育

智能教育是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)人工智能技術(shù)實(shí)施、管理或輔助教育。將人工智能技術(shù)引入教育領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)人工智能與教育深度融合，能豐富和改革現(xiàn)有教育技術(shù)，提升教育管理效率及教學(xué)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)完全精細(xì)化的教育目的。目前智能教育研究的主要內(nèi)容有智能教育科學(xué)問題、關(guān)鍵核心技術(shù)、重要應(yīng)用示范等。

二、教學(xué)知識(shí)本體建模

本文從通用性及指導(dǎo)性出發(fā)，并考慮到技術(shù)的可操作性，省去了本體形式化純數(shù)學(xué)理論的定義，這里直接給出本體模型結(jié)構(gòu)及各主要類型知識(shí)本體的建模內(nèi)容及方法。教學(xué)領(lǐng)域通用本體模型結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中，個(gè)體是具體的實(shí)例或基礎(chǔ)的底層對(duì)象，類是概念、對(duì)象型或種類，屬性包含特征、特點(diǎn)或參數(shù)，關(guān)系是類與個(gè)體之間關(guān)聯(lián)的方式，函數(shù)是由類、屬性、關(guān)系等構(gòu)成的特定的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，約束是某個(gè)斷言成立的前提條件的規(guī)定，規(guī)則是利用斷言進(jìn)行某種邏輯推理的規(guī)范聲明，公理是公認(rèn)的包含特定的邏輯形式、規(guī)則約束在內(nèi)的斷言系統(tǒng)或理論，事件是屬性或關(guān)系的變化。

圖2 通用本體模型結(jié)構(gòu)

（一）概念性知識(shí)本體建模

概念性知識(shí)主要是某門課程或?qū)I(yè)中涉及到的專有名詞、術(shù)語等名稱的總和。概念的內(nèi)涵即本體模型中的屬性，概念間的聯(lián)系構(gòu)成函數(shù)，概念的應(yīng)用范圍或場(chǎng)合即規(guī)則，概念的習(xí)慣用法即公理，概念的變化或引申即事件。概念性知識(shí)的本體模型如圖3所示，其中：（1）概念間的聯(lián)系有三層含義，一是概念對(duì)象間的包含、交叉或組合，二是概念個(gè)體間可能存在的基礎(chǔ)與拓展、前件與后件等自然聯(lián)系或一定的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)聯(lián)系，三是概念個(gè)體實(shí)例與概念間的判定聯(lián)系；（2）概念引申為符合應(yīng)用范圍的非習(xí)慣性應(yīng)用，引入概念引申內(nèi)容正是個(gè)性化教育中創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要方法之一。

（二）判定性知識(shí)本體建模

判定性知識(shí)通常以“A是B”或“A有B”等結(jié)構(gòu)形式出現(xiàn)，在以概念間存在特定或常識(shí)性聯(lián)系的判定知識(shí)介紹為主的自然、人文類課程或?qū)W科中出現(xiàn)的頻率較高，其他學(xué)科或?qū)I(yè)中也有一定的出現(xiàn)概率。在日常生產(chǎn)、生活、學(xué)習(xí)中，判定性知識(shí)是一類廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)知識(shí)，如地球是行星、人有（兩只）手等等。判定知識(shí)的本體模型如圖4所示，其中，概念個(gè)體集是判定本體從概念本體繼承而來，判定類主要有“是”“有”“會(huì)”“含”“等價(jià)”等等，判定條件是兩個(gè)概念間存在判定有關(guān)系的規(guī)定或要求，判定拓展是指符合判定條件的非常規(guī)應(yīng)用。判定拓展內(nèi)容是培養(yǎng)創(chuàng)新、創(chuàng)造能力的另一個(gè)重要方法或手段。

（三）公式、方法、規(guī)則性知識(shí)本體建模

公式、方法、規(guī)則性知識(shí)是理論或應(yīng)用課程中常出現(xiàn)的內(nèi)容，公式是解決某種計(jì)算問題的手段，方法是解決某些問題的途徑或步驟，規(guī)則是解決某些問題的規(guī)定或要求，三者具有共同的特點(diǎn)，即為了解決某一問題而使用的方法手段或遵守的規(guī)定。公式、方法、規(guī)則性知識(shí)的本體模型如圖5所示，其中，此本體的個(gè)體集包含了一門課程或?qū)I(yè)領(lǐng)域內(nèi)所有的具體公式、方法或規(guī)則，參數(shù)是公式被應(yīng)用時(shí)需傳入的變量值，條件是方法或規(guī)則應(yīng)用的前提，函數(shù)是公式間的某種聯(lián)系，約束是對(duì)參數(shù)取值或前提條件的限定，拓展應(yīng)用是指符合應(yīng)用范圍的非常規(guī)或非習(xí)慣的應(yīng)用。拓展應(yīng)用的方法及內(nèi)容是培養(yǎng)創(chuàng)新、創(chuàng)造能力的又一個(gè)重要方法或手段。

圖5 公式、方法、規(guī)則知識(shí)本體模型結(jié)構(gòu)

（四）公理、定理、推理性知識(shí)本體建模

公理、定理、推理是由公式、方法、規(guī)則、判定或概念在邏輯推理或算術(shù)運(yùn)算的參與下形成特定結(jié)論的過程或描述。公理是一種固定的或習(xí)慣的在一定前提條件下形成結(jié)論的公認(rèn)過程；定理可視為對(duì)公理的具體應(yīng)用；推理知識(shí)有兩層含義：一是對(duì)定理的特殊或泛化應(yīng)用，二是推理規(guī)則的描述，如“if…then…”等。公理、定理、推理性知識(shí)的本體模型如圖6所示，其中，前提、結(jié)論繼承于判定本體個(gè)體集，公式、方法、規(guī)則繼承于公式、方法、規(guī)則本體類中的個(gè)體集。

圖6 公理、定理、推理知識(shí)本體模型結(jié)構(gòu)

（五）應(yīng)用性知識(shí)本體建模

應(yīng)用性知識(shí)指概念、判定、公式、方法、規(guī)則、公理、定理、推理等知識(shí)的部分或全部在解決問題時(shí)的綜合應(yīng)用，包含應(yīng)用的前提（或背景）、技巧、規(guī)范、要求、途徑方法及應(yīng)用實(shí)例等內(nèi)容。從本體的角度看，應(yīng)用本體是對(duì)本節(jié)（一）至（四）點(diǎn)中各本體的繼承和拓展。引入應(yīng)用本體的目的，理論上是滿足教學(xué)本體體系結(jié)構(gòu)完備性的需要，實(shí)際教學(xué)中也利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合運(yùn)用能力。應(yīng)用性知識(shí)的本體模型如圖7所示，其中，公理集等繼承于公理等本體，公理等本體又繼承了公式等本體及判定本體，判定本體繼承了概念本體。本節(jié)（一）至（四）中各本體的拓展應(yīng)用最后統(tǒng)一在應(yīng)用本體中，故而（一）至（五）中各本體構(gòu)成了一個(gè)完整的體系或結(jié)構(gòu)。

圖7 應(yīng)用知識(shí)本體模型結(jié)構(gòu)

（六）各知識(shí)本體模型間聯(lián)系

各知識(shí)模型間不是各自獨(dú)立，而是相互聯(lián)系構(gòu)成一個(gè)完整的知識(shí)體系，具體如圖8所示，其中箭頭表示繼承關(guān)系，如判定知識(shí)本體中的概念個(gè)體集繼承了概念知識(shí)本體中概念個(gè)體集屬性等。

圖8 各知識(shí)本體間聯(lián)系

三、教學(xué)知識(shí)本體庫(kù)

教學(xué)知識(shí)本體庫(kù)是在教育領(lǐng)域?qū)＜业闹笇?dǎo)下由行業(yè)、專業(yè)、課程等專家代表共同參加，依據(jù)上文中提出的各類知識(shí)本體模型編制而成。表1中給出了各類本體模型的一個(gè)理解性應(yīng)用示例。教學(xué)知識(shí)本體庫(kù)的構(gòu)建為計(jì)算機(jī)智能識(shí)別知識(shí)及知識(shí)間的聯(lián)系提供了數(shù)據(jù)支持。

表1 知識(shí)本體數(shù)據(jù)應(yīng)用示例

四、結(jié)束語

人類文明發(fā)展過程中，每一次新技術(shù)的誕生及應(yīng)用都會(huì)對(duì)社會(huì)各行業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，人工智能技術(shù)及應(yīng)用必然會(huì)對(duì)教育的發(fā)展產(chǎn)生重要的影響。2019年3月19日，“智能教育戰(zhàn)略研究”峰會(huì)在京召開，智能教育的理論及應(yīng)用研究已經(jīng)展開。引入本體思想及技術(shù)對(duì)知識(shí)的表達(dá)解決了計(jì)算機(jī)智能識(shí)別知識(shí)的核心技術(shù)問題，但距離真正意義的智能教育還有許多課題仍需研究，其中，學(xué)生模型及智能認(rèn)知是雙一個(gè)核心技術(shù)。學(xué)生模型主要包含學(xué)生認(rèn)知現(xiàn)狀模型、個(gè)性化特征模型等，這些模型的挖掘與構(gòu)建將是下一步研究的重點(diǎn)內(nèi)容。