CN115329200B - 一种基于知识图谱和用户相似度的教学资源推荐方法 - Google Patents

一种基于知识图谱和用户相似度的教学资源推荐方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及信息检索技术领域，具体涉及一种基于知识图谱和用户相似度的教学资源推荐方法；本发明对教学资源文本进行预处理，再提取获取词向量，根据用户的历史行为，得到历史知识向量，根据词向量和历史知识向量计算用户对于教学资源的相似度，然后对知识图谱和用户相似度赋权重，融合获得联合相似度矩阵，并对联合相似度矩阵进行学习校正，再计算获得教学推荐资源，推荐给用户，本发明通过对联合相似度矩阵的校正，得到具有结构信息和特征选择信息联合矩阵，进而较大程度地联合数据的结构信息和特征选择信息来筛选出最具代表性的特征，并且本发明提升了教学推荐资源推荐的准确性，使得教学资源的推荐能够更符合学习者的知识认识水平。

Description

一种基于知识图谱和用户相似度的教学资源推荐方法
技术领域
本发明涉及信息检索技术领域，具体涉及一种基于知识图谱和用户相似度的教学资源推荐方法。
背景技术
教学资源是为教学的有效开展提供的素材等各种可被利用的条件，通常包括教材、案例、影视、图片、课件等，也包括教师资源、教具、基础设施等，广义也应该涉及到教育政策等内容。从广义上来讲，教学资源可以指在教学过程中被教学者利用的一切要素，包括支撑教学的、为教学服务的人、财、物、信息等。从狭义上来讲，教学资源（学习资源）主要包括教学材料、教学环境及教学后援系统。
随着教育信息化的深入发展，互联网上的教学资源数量呈现出指数级的飞速增长，教学资源的类型也更加多元。同时在电子商务、社交网站等广泛应用的推荐系统，也逐渐应用到教育领域，能够在一定程度上实现教学资源的个性化推荐。
如专利申请号为CN201810749591.0的专利，其在说明书中记载有“首先根据知识图谱获取关键字扩充用户检索关键字集合，得到第一检索资源列表；根据用户之间的背景相似度和兴趣相似度计算出当前检索用户和其他用户之间的相似度；选择出与当前检索用户相似度最高的F个用户；在第一检索资源列表中将当前检索用户已经下载的资源删除，得第二检索资源列表。根据当前检索用户与上述选择出的F个用户之间的相似度、当前检索用户和F个用户针对各资源已经评过的分数计算预测出当前检索用户针对第二检索资源列表中各资源的评分，从中选择评分排名前F′的资源推荐给当前检索用户。本发明方法将知识图谱和用户相似度考虑进去，明显提高了教学资源推荐的精准”，又如专利申请号为CN201710204355.6的专利，其在说明书中记载有“包括：知识图谱资源模块，用于构建资源库的知识图谱和资源图谱；学生学习能力测评模块，用于在知识图谱资源模块的基础上对学生学习能力进行测评获得学生学习能力等级；学生画像模块，用于结合学生学习能力等级和学生信息库绘制学生画像并对学生信息进行聚类；教师画像模块，基于教师信息库绘制教师画像；个性化推荐模块，用于对学生或教师进行资源推荐。本发明基于异构教学资源，对学习能力各不相同的学习者，以及面向差异学习者进行教学的教师能够以比较高的精准度推荐教学资源”，上述所提供的专利，虽然融合有知识图谱和用户相似度或借助知识图谱进行教学资料的推荐，但是其过程复杂，相似度矩阵和知识图谱的矩阵之间的相关性连接不强，同时，在进行教学资源推荐中，未能充分的考虑学习者的知识认知差异，即缺少符合学习者的知识认识水平的推荐方式，影响了推荐效果，无法满足使用者的使用需求。
综上所述，研发一种基于知识图谱和用户相似度的教学资源推荐方法，是信息检索技术领域中急需解决的关键问题。
发明内容
针对现有技术所存在的上述缺点，本发明在于提供一种基于知识图谱和用户相似度的教学资源推荐方法，本发明首先对教学资源文本进行预处理，再提取获取词向量，根据词向量和历史知识向量计算用户对于教学资源的相似度，然后对知识图谱和用户相似度赋权重，融合获得联合相似度矩阵，并对联合相似度矩阵进行学习校正，再计算获得教学推荐资源，推荐给用户，实现基于知识图谱和用户相似度来实现教学资源的推荐效果，本发明提升了教学推荐资源推荐的准确性，使得教学资源的推荐能够更符合学习者的知识认识水平。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
本发明提供了一种基于知识图谱和用户相似度的教学资源推荐方法，包括以下步骤：
（1）对教学资源文本进行预处理，再提取关键词作为资源的语义特征，将关键词用词向量表示，其中，对教学资源文本进行预处理是指对教学资源文本进行分词，然后再去掉停用词，最后根据不同教学资源文本的重视程度，设置相应的权重比；
（2）将资源文本中的向量排列成列表，再将该列表作为资源库；
（3）根据用户的历史行为，将学习过的教学资源作为用户自己的知识库，并将用户自己的知识库用历史知识向量表示；
（4）根据词向量和历史知识向量计算用户对于教学资源的相似度；
（5）构建知识图谱，对知识图谱和用户相似度赋权重，融合获得联合相似度矩阵，其中，构建知识图谱是将教学资源内知识点按照关联关系进行逻辑运算并用矩阵表示，对联合相似度矩阵进行学习校正；
（6）根据学习校正后的联合相似度矩阵，计算获得联合相似度矩阵的最大值作为教学推荐资源，并将其推荐给用户。
本发明进一步的设置为：在步骤（1）中，提取关键词作为资源的语义特征是指用训练的神经网络从预处理后的教学资源文本中提取资源的语义特征，将其作为关键词。
本发明进一步的设置为：在步骤（3）中，将用户自己的知识库用历史知识向量表示是指将用户自己所学习过的知识点集合用历史知识向量来表示。
本发明进一步的设置为：在步骤（4）中，相似度的计算公式为：，式中，/>为目标用户，/>为历史资源集合，/>为历史资源集合的数量，/>、/>分别为资源/>和/>的词向量。
本发明进一步的设置为：在步骤（5）中，构建知识图谱需要将教学资源内知识点按照关联关系进行逻辑运算，
所述的关联关系包括前提与和前提或，若掌握知识点的前提是同时掌握知识点,则/>中每个知识点和知识点k之间的关系均为前提与关系，若掌握知识点/>的前提是至少掌握知识点/>中的一个，则知识点中每个知识点与知识点/>间均为前提或关系。
本发明进一步的设置为：在步骤（5）中，假设知识图谱和用户相似度的权重分别为和/>，则/>。
本发明进一步的设置为：在步骤（5）中，对联合相似度矩阵进行学习校正的方法如下：
假设有个不同知识点图谱的矩阵数据：
，式中，/>表示第/>个知识点图谱的矩阵；
将不同知识点图谱的矩阵看作一致，利用学习校正公式对联合相似度矩阵进行校正。
本发明进一步的设置为：学习校正公式为：
，式中，/>是第/>个知识点图谱矩阵，/>和/>是一致相似度矩阵，为构造知识点图谱时的知识点个数，/>表示范数，指非0元素的个数，/>为第/>个知识点图谱矩阵的权重参数，/>是权重向量，/>为/>的转置矩阵，/>为单位矩阵，/>为第/>个知识点图谱矩阵的相似度矩阵，/>为在/>平衡参数下，第/>个知识点图谱矩阵的权重参数，/>为第/>个知识点图谱矩阵中第/>个元素，/>为第/>个知识点图谱矩阵中第/>个元素，/>、/>是平衡参数，且/>。
有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已知的公有技术相比，具有如下有益效果：
本发明对教学资源文本进行预处理，再提取关键词作为资源的语义特征，将关键词用词向量表示，再将资源文本中的向量排列成列表，再将该列表作为资源库，并根据用户的历史行为，将学习过的教学资源作为用户自己的知识库，并将用户自己的知识库用历史知识向量表示，再利用词向量和历史知识向量，计算用户对于教学资源的相似度，通过前提与和前提或关系的设置，基于所设置的关联关系，建立起知识点间的关联性，形成以关联关系为纽带的关图谱，然后对知识图谱和用户相似度赋权重，融合获得联合相似度矩阵，并对联合相似度矩阵进行学习校正，再计算获得教学推荐资源，推荐给用户，实现基于知识图谱和用户相似度来实现教学资源的推荐效果，此外，通过对联合相似度矩阵的校正，将相似度矩阵和知识图谱的矩阵之间的相关性最大化，得到具有结构信息和特征选择信息联合矩阵，进而较大程度地联合数据的结构信息和特征选择信息来筛选出最具代表性的特征，本发明提升了教学推荐资源推荐的准确性，使得教学资源的推荐能够更符合学习者的知识认识水平。
附图说明
图1为本发明基于知识图谱和用户相似度的教学资源推荐方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例：
如图1所示，图1为本发明基于知识图谱和用户相似度的教学资源推荐方法的流程图，本发明提升了教学推荐资源推荐的准确性，使得教学资源的推荐能够更符合学习者的知识认识水平，为此，本发明提供了本发明提供了一种基于知识图谱和用户相似度的教学资源推荐方法，包括以下步骤：
（1）对教学资源文本进行预处理，再提取关键词作为资源的语义特征，将关键词用词向量表示，其中，对教学资源文本进行预处理是指对教学资源文本进行分词，然后再去掉停用词，最后根据不同教学资源文本的重视程度，比如通过星形标记重视程度的等级，三颗星代表非常重视，两个星代表一般重视，一颗星代表不重视，设置相应的权重比。
进一步的，提取关键词作为资源的语义特征是指用训练的神经网络从预处理后的教学资源文本中提取资源的语义特征，将其作为关键词。
在本实施例中，通过对教学资源文本进行预处理，能够有效的提升所使用的关键词的准确性，需要说明的是，在提取关键词时，根据权重比，确定对于教学资源文本中关键词提取的权重，进而能够有效的保障所提取的关键词，能够更贴合使用重视程度，即提升后续推荐的精确度。
此外，作为一种实施提取关键词的方式，如对给定的文本进行句子分割，将文本表示为：，对句子进行分词、去停用词，获得子/>的词语表示：，根据对于每个教学资源文本的重视程度，设置相应的权重比，然后提取关键词，作为资源的语义特征。
作为一种神经网络的应用形式，可以采用神经网络模型进行关键词的提取，在使用该神经网络模型前，采用已知的资料库，作为训练样本，将训练样本拆分为训练集和测试集，其中训练集占整个训练样本的20%，测试集占整个训练样本的80%，采用训练集对神经网络模型训练，再由测试集对所训练的神经网络模型进行测试，至所训练的神经网络模型满足对于关键词的提取需求，若所训练的神经网络模型不能够满足需求，则重新更换已知的资料库，并重复训练集和测试集的训练，为了提升神经网络模型的提取精确度，在本实施例中，所用的资料库数量越大越好。采用神经网络提取关键词，能够有效的提升对于关键词的提取速度。
（2）将资源文本中的向量排列成列表，再将该列表作为资源库。
在本实施例中，能够从资源文本中获得多个向量，按照获得顺序，将其排列成列表，将该列表作为教学知识的资源库。
作为列表的一种表达形式，如：，通过对资源文本中的向量排列成列表，可以在后续的相似度计算中，方便的从资源库内按照顺序进行向量的提取，避免了向量提取的遗漏。
（3）根据用户的历史行为，将学习过的教学资源作为用户自己的知识库，并将用户自己的知识库用历史知识向量表示。
进一步的，将用户自己的知识库用历史知识向量表示是指将用户自己所学习过的知识点集合用历史知识向量来表示。
在本实施例中，作为获取用户历史行为的一种方式，可以采用爬虫方式，对用户所学习的网站等进行数据爬取，获取历史信息，如所有数据爬取自101教育PPT，使用编程实现网页模拟点击，定位网页的各类标签来获取目标数据。在101教育PPT中搜索关键字“二年级英语”，获取85页总计1211 本图书信息，但在第12页之后的图书并没有用户交互行为，阅读覆盖率非常低，由于101教育PPT中有用户打标签机制，用户读完书后可以为图书打上标签，这表示有标签的书一定是有用户阅读过的，为了筛选无交互行为的无意义数据，最终选取所有标签为“二年级英语”的图书作为目标图书。从目标图书中主要爬取的数据信息包括图书ID、图书名称、图书的评分、阅读人数、图书主页链接、图书目录文本以及用户和图书的交互行为数据等信息，然后将所爬取的数据进行除噪，剔除无关数据信息，再将其作为用户的历史行为数据信息。本发明能够根据用户的历史行为，爬取用户所学习过的教学资源，将所获取的全部教学资源作为历史知识向量，用于后续的相似度计算。
（4）根据词向量和历史知识向量计算用户对于教学资源的相似度。
进一步的，相似度的计算公式为：，式中，/>为目标用户，/>为历史资源集合，/>为历史资源集合的数量，/>、/>分别为资源/>和/>的词向量。
在本实施例中，相似度由词向量和历史知识向量计算获取，便可以得到用户的相似度。在相似度的计算中，资源与用户历史资源的文本相似度越高，表明该资源与用户偏好越相近，则该资源就越值得推荐。
（5）构建知识图谱，对知识图谱和用户相似度赋权重，融合获得联合相似度矩阵，其中，构建知识图谱需要将教学资源内知识点按照关联关系进行逻辑运算，并用矩阵表示，对联合相似度矩阵进行学习校正；
其中所述教学资源可包括教材，教材辅导资料，教育网页相关资料以及学科知识等，也可包括教研期刊，考试试卷以及其他第三方来源数据。
其中，以构建思维导图式的知识图谱为例，首先将知识点信息录入；将知识点信息转化为代码化数据；将代码化数据进行分词，与预设的思维导图中元素进行匹配，过滤删除多余的字段，从而得到标准的格式化元素，将格式化元素代入到思维导图中，对其对应的元素进行更新，从而得到新的知识图谱。
进一步的，
关联关系包括前提与和前提或，若掌握知识点的前提是同时掌握知识点,则/>中每个知识点和知识点k之间的关系均为前提与关系，若掌握知识点/>的前提是至少掌握知识点/>中的一个，则知识点中每个知识点与知识点/>间均为前提或关系。
在本实施例中，通过前提与和前提或关系的设置，能够基于所设置的关联关系，建立起知识点间的关联性，形成以关联关系为纽带的关系图谱，如掌握L6的前提是同时掌握L10、 L11,则L10、 L11是L6的前提知识点，L10、 L11和L6均为前提与关系，掌握L2的前提是至少掌握L1、L18中的一个，则L1、L18是L2的前提知识点，L1、L18和L2均为前提或关系。
需要说明的是，在构建知识图谱后，知识图谱的矩阵可以用表示，式中，/>表示试题与知识点/>的关联关系。
进一步的，假设知识图谱和用户相似度的权重分别为和/>，则/>。需要说明的是，本发明能够基于知识图谱和用户相似度，来融合获得联合相似度矩阵，在对知识图谱和用户相似度赋权重时，其所赋值总和为1，通过联合相似度矩阵，能够将知识图谱和用户相似度相结合，用于教学资源的推荐。
进一步的，对联合相似度矩阵进行学习校正的方法如下：
假设有个不同知识点图谱的矩阵数据：
，式中，/>表示第/>个知识点图谱的矩阵；
将不同知识点图谱的矩阵看做一致，利用学习校正公式对联合相似度矩阵进行校正。
需要说明的是，为了将不同知识点图谱看做一致相似度矩阵，假
设不同知识点图谱的相似度矩阵是一致的，初始化相似度矩阵采用/>最近邻方法构造,相似度矩阵元素定义如下：
，其中若/>是/>的最邻近或/>是/>的最邻近，则/>，否则/>。为了结合每个不同知识点图谱的重要信息，组合各个不同知识点图谱信息时，使用权重值/>，对该值加上幂/>，是为了避免出现平凡解/>，对一致矩阵/>加上幂/>同样是为了避免平凡解，但是由于该矩阵最终是在所有数据中训练得到的，一致相似度矩阵/>的每一行对应于一个数据点，需要加上以下约束：
，其中，/>表示第/>行任意列的元素，约束是非负。该约束保证了训练得到的一致相似度矩阵/>和初始相似度矩阵的一致性。
进一步的，学习校正公式为：
，式中，/>是第/>个知识点图谱矩阵，/>和/>是一致相似度矩阵，/>为构造知识点图谱时的知识点个数，/>表示范数，指非0元素的个数，/>为第/>个知识点图谱矩阵的权重参数/>是权重向量，/>为/>的转置矩阵，/>为单位矩阵，/>为第/>个知识点图谱矩阵的相似度矩阵，为在/>平衡参数下，第/>个知识点图谱矩阵的权重参数，/>为第/>个知识点图谱矩阵中第/>个元素，/>为第个知识点图谱矩阵中第/>个元素，/>、/>是平衡参数，且。
在本实施例中，通过对联合相似度矩阵的校正，将相似度矩阵和知识图谱的矩阵之间的相关性最大化，得到具有结构信息和特征选择信息联合矩阵，进而较大程度地联合数据的结构信息和特征选择信息来筛选出最具代表性的特征。
（6）根据学习校正后的联合相似度矩阵，计算获得联合相似度矩阵的最大值作为教学推荐资源，并将其推荐给用户。
在本实施例中，能够实现准确的教学推荐资源效果，提升教学推荐资源推荐的准确性，使得教学资源的推荐能够更符合学习者的知识认识水平。
本发明对教学资源文本进行预处理，再提取获取词向量，根据用户的历史行为，得到历史知识向量，根据词向量和历史知识向量计算用户对于教学资源的相似度，然后对知识图谱和用户相似度赋权重，融合获得联合相似度矩阵，并对联合相似度矩阵进行学习校正，再计算获得教学推荐资源，推荐给用户，本发明通过对联合相似度矩阵的校正，将相似度矩阵和知识图谱的矩阵之间的相关性最大化，得到具有结构信息和特征选择信息联合矩阵，进而较大程度地联合数据的结构信息和特征选择信息来筛选出最具代表性的特征，并且本发明实现了基于知识图谱和用户相似度来实现教学资源的推荐效果，提升教学推荐资源推荐的准确性，使得教学资源的推荐能够更符合学习者的知识认识水平。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于知识图谱和用户相似度的教学资源推荐方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）对教学资源文本进行预处理，再提取关键词作为资源的语义特征，将关键词用词向量表示，其中，对教学资源文本进行预处理是指对教学资源文本进行分词，然后再去掉停用词，最后根据不同教学资源文本的重视程度，设置相应的权重比；
（2）将资源文本中的向量排列成列表，再将该列表作为资源库；
（3）根据用户的历史行为，将学习过的教学资源作为用户自己的知识库，并将用户自己的知识库用历史知识向量表示；
（4）根据词向量和历史知识向量计算用户对于教学资源的相似度；
（5）构建知识图谱，对知识图谱和用户相似度赋权重，融合获得联合相似度矩阵，其中，构建知识图谱需要按照关联关系进行逻辑运算，并用矩阵表示，对联合相似度矩阵进行学习校正；其中，所述关联关系包括前提与和前提或，若掌握知识点f的前提是同时掌握知识点f1,f2,… ,fp,则f1,f2,… ,fp中每个知识点和知识点f之间的关系均为前提与关系，若掌握知识点f的前提是至少掌握知识点f1,f2,… ,fp中的一个，则知识点f1,f2,… ,fp中每个知识点与知识点f间均为前提或关系；且对联合相似度矩阵进行学习校正的方法如下：假设有M个不同知识点图谱的矩阵数据：
，式中，X(M)表示第M个知识点图谱的矩阵；将不同知识点图谱的矩阵看作一致，利用学习校正公式对联合相似度矩阵进行校正；其中，所述学习校正公式为：
，式中，Wm是构建的第m个知识点图谱的矩阵，A和A(m)是一致相似度矩阵，k为构造知识点图谱时的知识点个数，/>表示范数，指非0元素的个数，/>为第m个知识点图谱的矩阵的权重参数，是权重向量，/>为Wm的转置矩阵，I为单位矩阵，/>为第m个知识点图谱的矩阵的相似度矩阵，/>为在r1平衡参数下，第m个知识点图谱的矩阵的权重参数，/>为第m个知识点图谱的矩阵中第i个元素，/> 为第m个知识点图谱的矩阵中第j个元素，r1、r2是平衡参数，且r1=r2>1；
（6）根据学习校正后的联合相似度矩阵，计算获得联合相似度矩阵的最大值作为教学推荐资源，并将其推荐给用户。
2.根据权利要求1所述的一种基于知识图谱和用户相似度的教学资源推荐方法，其特征在于，在步骤（1）中，提取关键词作为资源的语义特征是指用训练的神经网络从预处理后的教学资源文本中提取资源的语义特征，将其作为关键词。
3.根据权利要求1所述的一种基于知识图谱和用户相似度的教学资源推荐方法，其特征在于，在步骤（3）中，将用户自己的知识库用历史知识向量表示是指将用户自己所学习过的知识点集合用历史知识向量来表示。
4.根据权利要求1所述的一种基于知识图谱和用户相似度的教学资源推荐方法，其特征在于，在步骤（5）中，相似度矩阵的计算公式为：，式中，u为目标用户，K(u)为历史资源集合，|K(u)|为历史资源集合的数量，/>、/>分别为资源i和j的词向量。
5.根据权利要求1所述的一种基于知识图谱和用户相似度的教学资源推荐方法，其特征在于，步骤（1）中所述教学资源包括教材，教材辅导资料，教育网页相关资料以及学科知识。
6.根据权利要求1所述的一种基于知识图谱和用户相似度的教学资源推荐方法，其特征在于，步骤（1）中所述教学资源包括教研期刊，考试试卷以及其他第三方来源数据。
7.根据权利要求1所述的一种基于知识图谱和用户相似度的教学资源推荐方法，其特征在于，知识图谱为思维导图式的知识图谱。
8.根据权利要求7所述的一种基于知识图谱和用户相似度的教学资源推荐方法，其特征在于，所述思维导图式的知识图谱构建包括如下步骤：首先将知识点信息录入；将知识点信息转化为代码化数据；将代码化数据进行分词，与预设的思维导图中元素进行匹配，过滤删除多余的字段，从而得到标准的格式化元素，将格式化元素代入到思维导图中，对其对应的元素进行更新，从而得到新的知识图谱。
9.根据权利要求1所述的一种基于知识图谱和用户相似度的教学资源推荐方法，其特征在于，在步骤（5）中，假设知识图谱和用户相似度的权重分别为α和β，则α+β=1。
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