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首页知识图谱驱动的个性化教学推荐系统:基于Agent与深度模型
本篇论文探讨的是"基于知识图谱的个性化智能教学推荐系统",它在当前教育领域中扮演着重要角色,旨在利用人工智能技术提升教学质量和效率。论文首先介绍了相关理论和技术背景,包括知识图谱的定义和发展,其构建方法以及协同过滤推荐算法,如Pearson相关系数和Spearman相关系数。 知识图谱作为核心组件,被用来表示和组织课程的知识结构,通过Scrapy技术从各种在线资源收集知识点和试题数据,然后利用tf-idf算法和人工规则抽取知识点间的关系,存储在Neo4j图数据库中。这样构建的知识图谱不仅有助于理解知识点之间的关联,还形成了一种层次分明的学科体系。 论文还重点介绍了两种深度学习模型的应用:Bert模型和Albert模型。Bert模型作为预训练的基础,提供了强大的语言理解和表示能力;而Albert模型在此基础上进行了改进,考虑了错题的相似度和题目难度,以便为学生推荐更适合其学习水平的题目,从而提高学习效果。 此外,论文提出了一个基于Agent技术的多Agent系统模型,这些Agent通过协作交流知识,形成一个多层次的系统,增强了个性化教学推荐的动态性和交互性。系统利用SherlockII方法进行优化,并结合模糊逻辑推理,实现了对学生认知水平的评估和个性化教学内容的推送。 这篇论文不仅阐述了知识图谱在个性化教学推荐中的应用,还涉及了数据采集、知识表示、模型选择和教学策略等多个关键环节,展示了作者在该领域的深入理解和实践能力。通过这个系统,学生可以得到定制化的学习路径和资源,教师也能获得教学效果的实时反馈,推动了教育向智能化、个性化方向发展。
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推荐系统的准确性。Sun
[14]
等人,提出了一种基于深度生成模型的知识图谱补全方法
DKRL ( Description-Embodied Knowledge Representation Learning ) 。该方法能够处理知
识图谱中的属性信息,提高了链接预测和实体分类任务的性能。Zhang
[15]
等人,提出了
一种基于循环神经网络的知识图谱问答模型RippleNet。该模型能够从大规模知识图谱
中自动挖掘和推理有用的信息,提高了问答系统的准确性。Nickel
[16]
等人,提出了一
种基于矩阵分解的知识图谱表示学习方法,该方法能够捕捉到实体和关系之间的高阶
依赖关系,提高了知识图谱补全任务的准确性。
1.2.2 个性化推荐系统
个性化智能教学推荐系统是一种基于教育数据挖掘和机器学习等技术的教学辅助
系统,其目的满足每位学生的独特需求,提供度身定制的个性化教育指导和资源推荐。
这一系统利用深入研究学生的学习数据情况,如课程评分、作业提交、学习行为等,
来了解学生的学习情况和需求,然后根据学生的兴趣、能力、学习进度等因素,推荐
适合的课程、教材、作业和学习策略等内容,以提高学生的学习效果和满意度。
个性化智能教学推荐系统的研究和应用在近年来逐渐受到关注,相关的学者和研
究团队有很多,如:Enrico Palumbo
[17]
等人提出的entity2rec方法利用知识图谱中用户项
目关系模型和神经语言模型,学习用户和项目属性的向量表示,并创建用户项目特定
属性的相关特征。这些特征再被输入到排序算法中,用于学习优化Top-N推荐的全局相
关模型。Koren
[18]
使用概率矩阵分解预测学生的得分,并基于预测结果向学生推荐相应
的试题。吴玺煜
[19]
等人提出了一种推荐算法,该算法考虑了用户对物品的显式反馈数
据,并使用知识表示学习方法获取物品的语义信息,以更好地为用户推荐相应的物品。
这种算法将语义信息融入到推荐过程中,提高了推荐的准确性和效果。Niaraki
[20]
等人
提 出 了 一 种 基 于 知 识 本 体 的 层 次 分 析 法 , 通 过 优 化 阻 抗 函 数 , 建 立 用 户 GIS
( Geographic Information System ) 知识库,结合用户行为记录、路线偏好和位置属性等,
实现个性化线路推荐。Drachsler
[21]
等人,提出了一种基于开放数据的学习分析和推荐
方法。通过引入学习者的社交网络和开放数据,该方法能够提供更丰富、多样的个性
化学习推荐。Thai-Nghe
[22]
等人,提出了一种基于因子分解机的个性化课程推荐方法。
该方法能够捕捉学习者和课程之间的潜在交互关系,从而提高推荐的准确性和多样性。
Rendle
[23]
等 人 提出 了 一种 基 于矩 阵 分 解 的 个 性 化 推 荐 算 法 , 名为 BPR ( Bayesian
Personalized Ranking,贝叶斯个性化排序 ),能够处理隐式反馈数据,提高推荐的准确
性。Hidasi
[24]
等学者创新性地推出了一种序列推荐算法,这一算法是建立在循环神经网
络(Recurrent Neural Network, RNN)基础之上产生的,这项技术不仅能够捕捉用户的
动态行为和兴趣变化,还在推荐领域注入了更多的实时性和个性化元素,为用户提供
更加独特和时刻贴近其需求的推荐体验。He
[25]
等人提出了一种基于神经网络的协同过
滤 算 法 (Neural Collaborative Filtering, NCF ) , 将 矩 阵 分 解 和 多 层 感 知 器 (Multiple
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perceptron, MLP)相结合,从而提高推荐的准确性和泛化能力。
1.3 本文研究内容及创新点
本研究创造性地构建了智能教育推荐系统,其具体是以建构主义理论为基础,采
用知识图谱技术,旨在提升网络教学个性化推荐的网络教学推荐系统。研究重点包括
知识图谱的构建,对协同过滤推荐算法的研究,以及针对该算法存在问题的探讨。此
外,以《Python程序设计》课程为案例,创建了一个课程知识图谱。研究还突破性地
将知识图谱与协同过滤算法相结合,将这一融合应用于个性化智能教育推荐系统中,
从而为学习者提供更加贴合其需求的推荐内容。
这一系统被构建成包含两大核心模块:首先是教学资源管理模块,其次是个性化
教学学习推荐模块,创新之处在于我们引入了Agent技术,并通过多层Agent技术的深度
设计呈现了一套用在分析系统的错误诊断算法、基于模糊集推理的学生认知水平估算
算法和用于考试Agent的组卷算法等。个性化推荐模块具体包括两大核心模块,即知识
图谱展示模块、试题推荐模块,为学生呈现了课程的知识图谱,这有助于他们更好地
理解课程的总体结构,并理清并加深各个知识点之间的关联性情况。在试题推荐模块
方面,我们充分利用学生信息采集模块的数据,进行深入评估学生的学习状况。这一
独特方法融合了知识图谱和协同过滤推荐算法,为学生提供了精心定制的试题推荐。
这项革新性的设计不仅显著提升了现有网络教育系统的互动性,而且实现了个性化教
育的一大步,为学习者提供更加有针对性的教育体验。
这项研究中的一个创新之处是系统的个性化教学方面,基于知识图谱之上并有效利
用Agent技术,利用对SherlockII方法的优化,并结合模糊逻辑推理,进而设计了一个用
于评估Agent认知水平估算算法;提出一种分析Agent中错误诊断算法,该算法利用分析
考试结果发现学生知识所存在的不足并有效结合知识表示模型,进而推断出合理的需
加强学习路径,从而实现能够有针对性地加强教学;在对系统的个性化教学流程进行
分析研究的过程中,构建了一系列相关算法和组卷算法等,这些算法是基于学习进度、
难度级别和学习兴趣的智能估算来进行个性化推荐的。
其二是提出了一项基于Albert模型的重要改进措施。这一改进的关键在于引入了题
目难度作为重要的考虑因素。通过改进的Albert模型,我们能够更深入地比较学生遇到
的相似题目,以便在学生的个人学习水平范围内更好地掌握相关知识点。这项改进有
望显著提高学生在解题和知识点掌握方面的表现。
实验的运行结果鲜明揭示,系统在两个关键领域——个性化推荐和学生认知能力推理方面
表现出令人瞩目的优越性能力,试验系统的运行结果清晰展示了:这一系统能够巧妙地
依照学生的学习进度、潜力水平和兴趣领域的估算情况,为他们提供高度个性化的学
习内容建议;此外,系统还可以积极地获取学生的个性信息,深入推断他们的认知水
平;可以通过分析学生成绩的错误诊断,为他们绘制出需要强化的学习路径。这一设
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计的实施取得了预期的成果,彰显了本系统在个性化推荐和学生认知能力推理方面的
卓越优势。
1.4 全文组织结构
下面主要从本文的七个章节进行介绍:
第一章:绪论,介绍了研究的背景、意义,以及国内外研究现状,概要了解知识
图谱和个性化推荐系统的概念。最后,展示了本文的研究内容及创新点。
第二章:相关理论与技术概述。深入讨论了知识图谱的概念和构建步骤,以及知
识获取的技术。此外,还介绍了协同过滤推荐算法和Bert模型与Albert模型的相关知识。
最后,探讨了Agent技术、SherlockII系统和错误诊断算法,为本文构建扎实的理论基础。
第三章:Python程序设计知识图谱的构建。详细解释了个性化智能教学系统模型,
对知识图谱的构建、知识点的表示和关系以及使用neo4j存储知识图谱的展示进行了详
细的阐述和讨论。
第四章:基于知识图谱的个性化教学推荐算法。讨论了基于知识图谱的个性化智
能教学推荐算法,如判定学生对知识点的掌握情况和使用改进的Albert相似度模型计算
题目相似度与题目筛选。研发了系统的个性化教学流程以及个性推荐Agent群中使用的
后继知识点推荐算法、前驱搜索算法、动态难度级别算法以及学生兴趣的估算方法,
同时具体提出了用在分析Agent的错误诊断算法、基于模糊集推理的学生认知水平推理
算法以及考试Agent的组卷算法和教学管理Agent的学生模糊综合评价等。
第五章:基于知识图谱的个性化推荐系统。详细描述了个性化智能教学推荐系统
的总体结构和设计以及推荐模块的功能,还有系统的实现和学习效果评估。
第六章:总结与展望。总结了全文的研究内容和关键成果,以及展望了未来可能
的研究方向。
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第2章 相关理论与技术概述
2.1 知识图谱
2.1.1 知识图谱的介绍与发展
知识图谱是一个将知识和信息组织成一个结构化的图谱,以便机器能够理解和利
用这些信息的技术。它主要由三个部分组成:实体、属性和关系。实体是指真实存在
的、具有唯一标识的事物或概念,例如人、地点、物品、组织等。每个实体都有一个
唯一的标识符,通常是一个URI ( Uniform Resource Identifier ) 或者是一个本地ID。属性
是指实体的特征或者是实体与其他实体之间的关联性,例如一个人的年龄、身高、体
重、出生日期等。属性可以有多个,每个属性都有一个名称和一个值。关系是指实体
之间的联系和连接,例如人与人之间的亲戚关系、组织与人之间的就职关系、物品与
物品之间的共同特征等。关系可以是有向的或者是无向的,例如婚姻关系是有向的,
而朋友关系是无向的。
知识图谱和知识库在理论和方法上确实存在相似之处。它们的共同点在于,都可
以通过更有效和智能的方式来保存和管理已有的知识,并提供一个方便的访问接口,
以满足人们对所需知识高效、准确获取的需求
[26]
。知识图谱通过对实体进行语义建模
和关系抽取,可以构建出一个基于结构化知识的知识库,并且能够实现对知识的推理
和查询,从而支持各种知识驱动的应用场景。知识图谱可以从多个来源进行构建,包
括文本挖掘、数据抽取等。知识图谱的构建和应用也面临着多种技术挑战,如实体链
接、关系抽取、知识推理、数据融合等。目前,知识图谱的应用已经涵盖了多个领域,
如教育、医疗、金融、企业等。例如,在教育领域,基于知识图谱的个性化教育系统
可以通过对学生知识结构的建模和分析,为学生提供个性化的学习路径和资源推荐,
从而提高学生的学习效果。
知识图谱的发展历程可以分为以下几个阶段:
(1) 早期知识库和本体技术(1990年代-2000年代初)。早期的知识库和本体技术主
要是通过手工构建和维护一个静态的、基于规则的知识库,用于自然语言处理和其他
人工智能应用中的语义理解和推理。
(2) 语义网和RDF技术(2000年代初-中期)。随着Web技术的发展,人们开始思考如
何将知识库和本体技术与Web技术相结合,以实现更广泛的知识共享和应用。这个阶段
的代表性技术包括语义网和RDF技术。语义网是一个基于Web的知识共享和交互模型,
RDF ( Resource Description Framework )
[27]
是 一 种 基 于 XML ( EXtensible Markup
Language ) 的语言,用于描述资源和它们之间的关系。
(3) 知识图谱和Linked Data(2010年代)。随着Web技术和语义技术的不断进步,
人们开始将知识库和本体技术与Linked Data技术相结合,构建了更为丰富、动态和开
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