一种基于问题锚点和知识图谱的教材知识点重组方法

本发明涉及教材知识编排，尤其涉及一种基于问题锚点和知识图谱的教材知识点重组方法。

背景技术：

1、传统教材通常按照知识逻辑进行编排，即以章、节、小节为组织单元，按照概念、定义、原理、公式、例题和习题等顺序展开。该类编排方式有利于系统呈现学科知识，但其组织中心仍然是知识点本身。相较而言，问题驱动教学、探究式教学和项目式学习等教学方式，更强调以问题、任务或真实情境作为学习起点，引导学生围绕问题分析、探究、获取并运用相关知识。对于此类教学场景，仅沿用传统目录结构，难以充分支撑由问题引出知识、由问题拆解组织知识、由知识应用回到问题解决的教学过程。

2、随着生成式人工智能、大语言模型和教育知识图谱技术的发展，教材、课件、讲义、教案、习题、案例等教学资源已经具备被自动解析、抽取和重组的技术基础。教育资源的智能化处理正在从简单的资源检索、内容推荐和自动问答，逐步转向对课程结构、教学路径和教学内容组织方式的自动化规划。

3、在现有技术中，主要有以下四个构建方向：

4、（1）教材知识图谱与教育资源知识图谱构建方向。如公开号为cn110287327a的中国发明专利以教材目录为对象，构建知识表达超图、知识表达链图和路径适应性知识图谱，用于支持个性化知识路径生成。

5、（2）课程知识体系、课程地图、问题图谱和能力图谱构建方向。如公开号为cn117196022a的中国发明专利从教学平台获取知识图谱和课程概要，确定课程讲授逻辑、提取课程地图并整合教学资源，形成课程知识体系，并构建课程问题图谱和能力图谱。

6、（3）基于知识图谱的教案生成与问题链教案生成方向。如公开号为cn121919381a的中国发明专利将非结构化教案转换为问题链教案，构建问题链逻辑结构图并确定逻辑节点的问题语义锚点。

7、（4）学习路径推荐与课程路径规划方向。如公开号为cn106503172a的中国发明专利创建用户个人知识图谱，并根据用户对知识点的掌握情况向用户推荐学习路径。

8、然而，上述现有技术仍存在不足：（1）现有教材知识图谱和课程建模技术侧重于对知识对象、教学资源和课程关系进行结构化表示，其组织逻辑仍偏向知识结构本身，对将结构表示结果转化为可讲授教学单元的过程支持不够明确，难以完成教学单元粒度确定、知识点归并与拆分、跨章节知识点组合及单元间衔接关系确定；（2）学习路径推荐和资源推荐技术主要面向学习者个体，难以满足教师侧从教材整体出发进行知识点单元化组织的需求；（3）现有教案生成和问题链教案生成技术侧重教学文本或教学过程的表达，多在教学范围、课时要求或已有教学结构给定的基础上生成内容，对生成前用于限定知识点范围、讲授顺序和教材依据的单元级结构约束支持不足，在教材改写场景下直接进入内容生成环节，容易出现知识点覆盖不完整、前后衔接不清、单元边界不稳定、生成依据不易定位等问题。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有技术难以完整支持传统教材向问题驱动型教学资源转化过程中的教材知识点重组需求的问题。为此，本发明提供一种基于问题锚点和知识图谱的教材知识点重组方法，在教材知识结构基础上，以教学问题为组织线索，将原教材中分散或非连续的知识点组织为适合讲授的教学单元，并明确各单元的知识点范围、讲授顺序和教材依据，为教材改写、教案生成和课堂教学设计提供结构化支撑。

2、本发明提供一种基于问题锚点和知识图谱的教材知识点重组方法，采用的技术方案如下：包括：

3、s1：获取结构化的教材，解析教材得到教材单元，基于教材单元构建基础知识点图谱；

4、s2：根据教材构建问题锚点；并建立问题锚点与教材单元、基础知识点图谱的知识点之间的初始跨层映射关系；

5、s3：对于每个问题锚点，从基础知识点图谱中选择与该问题锚点相关的知识点，生成候选知识组；基于候选知识组、初始跨层映射关系确定问题锚点之间的关系；其中，问题锚点之间的关系包括拆解关系、合并关系和先后关系；

6、s4：确定教学知识单元数量；针对每个教学知识单元数量，根据问题锚点之间的关系，对候选知识组进行划分，生成候选划分方案；

7、在s4中，对候选知识组进行划分，执行候选知识组拆分时，将具有可执行拆分组合的较大问题锚点，拆分为多个较小问题锚点；其中，对于具有拆解关系的较大问题锚点和较小问题锚点，若较大问题锚点对应多个较小问题锚点，多个较小问题锚点对较大问题锚点的整体覆盖比例大于等于预设阈值，则多个较小问题锚点构成可执行拆分组合；

8、s5：根据核心知识点覆盖率、核心知识点重叠率、顺序违背率和负载方差选择出最优的候选划分方案，确定最终教学知识单元及其讲授顺序建议；

9、s6：为每个最终教学知识单元生成现实导入问题，并结合最终教学知识单元及其讲授顺序建议，得到围绕问题锚点组织的教学知识单元结果。

10、进一步的，在s2中，从教材的标题、学习目标、例题、案例、教材导语以及体现知识点用途或适用情境的文本表述中生成候选问题锚点；基于教材单元和基础知识点图谱从候选问题锚点中筛选得到问题锚点，筛选条件为：若候选问题锚点仅为知识点名称本身，或者缺少来源教材单元、初始触发知识点或证据文本，则不作为问题锚点。

11、进一步的，在s3中，根据证据相关度、图谱关系相关度、语义相关度和来源位置相关度判断问题锚点和知识点是否相关；

12、其中，证据相关度用于判断知识点与问题锚点是否具有直接教材证据；

13、图谱关系相关度用于表示知识点与问题锚点的初始触发知识点之间在基础知识点图谱中的关系强度；

14、语义相关度用于表示知识点的名称、说明及来源证据文本与问题锚点的名称及证据文本之间的语义接近程度；

15、来源位置相关度用于表示知识点与问题锚点在教材中的来源位置接近程度。

16、进一步的，在s3中，

17、对比两个问题锚点，如果其讨论的内容相近，其中一个问题锚点的限制条件较少、能够覆盖的情况较多，将其作为较大问题锚点；另一个问题锚点增加了具体条件、具体组成部分或者具体处理步骤，将其作为较小问题锚点；

18、较小问题锚点中的核心知识点被较大问题锚点覆盖的比例大于等于预设覆盖阈值，并且同时满足以下条件时，建立由较大问题锚点指向较小问题锚点的拆解关系：

19、条件1：从问题表述判断较大问题锚点的覆盖范围大于较小问题锚点；

20、条件2：较大问题锚点包含较小问题锚点未涉及的核心知识点；

21、条件3：二者具有共同教材标题、共同学习目标、同一例题、同一案例、同一教材导语或者来源位置相近的教材证据；

22、对于不存在拆解关系的两个问题锚点，判断是否满足合并关系条件；

23、两个问题锚点之间没有明显的范围包含关系，但二者的覆盖范围相近，并且分别关注同一教学内容中的不同部分；则两个问题锚点存在合并关系；

24、先后关系依据知识点先修关系和教材内容判断。

25、进一步的，整体覆盖比例的计算公式为：

26、

27、其中，表示问题锚点对应候选知识组中的核心知识点集合，为较大问题锚点，表示所有较小问题锚点所包含的全部核心知识点，表示与建立拆解关系的较小问题锚点的组合，表示第i个较小问题锚点。

28、进一步的，在s5中，根据核心知识点覆盖率、核心知识点重叠率、顺序违背率和负载方差计算候选划分方案的全局评分，选择全局评分最高的候选划分方案作为最终划分方案；

29、最终划分方案中的各候选教学知识单元为最终教学知识单元；

30、依据问题锚点之间的先后关系和知识点之间的先修关系，对最终教学知识单元进行排序，得到最终教学知识单元的讲授顺序建议。

31、进一步的，全局评分的计算公式为：

32、

33、其中，表示候选划分方案的全局评分，表示核心知识点覆盖率，表示核心知识点重叠率，表示顺序违背率，表示负载方差；表示核心知识点覆盖率的预设权重，表示核心知识点重叠率的预设权重，表示顺序违背率的预设权重，表示负载方差的预设权重；

34、核心知识点覆盖率用于表示候选划分方案对全书核心知识点的覆盖程度，

35、核心知识点重叠率用于表示不同候选教学知识单元之间核心知识点重复分配的程度，

36、顺序违背率用于表示候选划分方案是否违反知识点先修关系或问题锚点先后关系，

37、负载方差用于表示候选划分方案中各候选教学知识单元之间的教学负载是否均衡。

38、进一步的，候选教学知识单元的教学负载根据其对应的候选知识组的教学负载计算得到；

39、候选知识组的教学负载的计算过程为：确定候选知识组的核心知识点，计算所有核心知识点的教学负载，求和得到候选知识组的教学负载；

40、其中，若知识点被学习目标要求，或者其结构显著性或材料支撑度大于等于对应阈值，则该知识点为核心知识点；教学负载为知识点的结构显著性、知识类型复杂度和材料支撑度的加权和。

41、进一步的，在s1中，从教材单元中抽取得到知识点、知识层关系和来源证据，构建得到基础知识点图谱；

42、基础知识点图谱包括知识点节点、教材单元节点、知识点之间的知识层关系以及知识点与教材单元之间的来源关系；

43、知识层关系包括先修关系、组成关系、共现关系和相似关系。

44、本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

45、（1）本发明在基础知识点图谱之上构建问题锚点层，并以问题锚点作为教学知识单元的组织中心，使教材内容能够由原有章节和知识点组织方式，转化为围绕教学中心问题展开的单元组织方式。基于问题锚点与知识点、教材单元之间的跨层映射关系，原教材中分散于不同章节或小节的知识点可以围绕同一教学中心问题进行组织，从而减少原教材连续目录结构对教学单元划分的限制。最终形成的教学知识单元能够更清楚地体现问题引导、知识支撑和单元边界，为问题驱动教学、教材改写和教案设计提供更适合的知识组织基础。

46、（2）本发明在处理过程中记录知识点来源证据、问题锚点的初始触发关系、教材证据关系和知识支撑关系。最终输出结果中还包括知识点来源路径，以及问题锚点到知识点的映射路径。通过上述路径，可以明确每个教学知识单元中的知识点来自原参考资料中的哪一章节、小节、例题、案例、学习目标或正文段落，也可以明确问题锚点由哪些知识点引出、由哪些教材内容提供证据，以及由哪些知识点共同支撑；有助于后续教材改写、教案生成和教师审核，降低后续生成内容中出现依据不明、内容难以核验的风险。

47、（3）本发明在问题锚点之间保留拆解关系、合并关系和先后关系，使候选知识组在后续调整时不仅依据知识点数量、负载大小或语义相似度，还能够参考问题锚点之间的组织关系。本发明可以更合理地判断哪些候选知识组适合进一步细分，哪些候选知识组适合合并为同一教学知识单元，以及不同教学知识单元之间应如何安排先后顺序；有利于减少教学知识单元过大或过小、中心问题过散、相邻单元衔接不顺等情况，提高教学知识单元划分结果的稳定性和可解释性。

48、（4）本发明在候选划分方案确定为最终教学知识单元之前，从核心知识点覆盖、核心知识点重叠、教学顺序和单元负载等方面对候选划分方案进行综合评价；能够在多个候选划分方案之间进行筛选和比较，避免仅依据问题锚点相关度或候选知识组数量直接确定最终结果。本发明可以降低核心知识点未被纳入教学知识单元、同一核心知识点被多个教学知识单元重复分配、教学顺序违背先修关系或问题锚点先后关系、不同教学知识单元内容量差异过大的风险，从而提高最终划分结果的完整性、边界清晰度、顺序合理性和负载均衡性。

49、（5）本发明支持教师指定教学单元数量，并将其作为优先目标生成和评价候选划分方案；在教师未指定教学单元数量时，本发明也可以根据教材知识点负载和候选划分方案评价结果，推荐合适的教学单元数量及其对应划分方案。本发明既保留了教师对教学规划的控制，又能够减少因指定数量不合理而导致的核心知识点覆盖不足、单元负载不均衡或教学顺序不合理等问题。

50、（6）本发明最终输出已经完成划分和排序的教学知识单元结构。教学知识单元结构明确了每个教学知识单元的组织中心、知识点范围、核心知识点、讲授顺序建议以及对应的现实导入问题，可作为后续教材改写、教案生成、课堂活动设计或学习任务设计的单元框架。基于上述结构化结果，后续处理可以以教学知识单元为基本对象展开，直接围绕既定单元组织教材内容、设计课堂活动和生成学习任务，减少重新梳理整本教材、判断知识范围和安排讲授顺序的工作量，提高后续教学资源加工的稳定性、连贯性和可控性。

51、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。