一种学科知识表达与描述方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于认知学科与教育学科交叉的技术领域，更具体地，涉及一种学科知识 表达与描述方法。
【背景技术】
[0002] 认知科学与教育相结合产生一系列研究热点与应用方向，知识的表达与描述也成 为认知科学、心理科学与教育学研究学者关注的热点。目前，针对学科知识表达与描述的方 法中，主要从思维导图、网络图等着手，建立知识节点与有向边的表达。节点与有向边的表 达体现知识之间的多重关系，然而，一方面为表达每一种关系而使图形显示杂乱，另一方面 并不能较好地层次化地体现知识之间的关系，特别是针对基础学科或中小学教育的知识内 容，过于复杂的表达与展示，将给教师与学生带来过多的认知复杂度，而影响应用效果。
[0003] 传统的学科知识表达与描述方法采用基于目录结构、思维导图、网络图的方式，并 不能较好地体现层次的清晰、关联的顺序、知识体量的大小以及类型的特点，从一定程度上 反而造成了认知的复杂性，特别是针对中小学的认知内容、认知特征，需要从新的角度来思 考知识的表达与描述结构。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种学科知识表达与描述方 法，针对知识的层次性、关联性、知识类型以及知识量，创新性地建立一种类似地图的描述 与表达，符合人们的层次化认知思维，是建立新的知识地图的基本前提。
[0005] 为实现上述目的，本发明提供了一种学科知识表达与描述方法，其特征在于，包括 如下步骤：
[0006] (1)用层次关系、关联关系、知识类型和信息量四元素描述学科知识对象；其中， 层次关系是指学科知识间的包含关系，用层次树表达，以学科知识单元为单位，将学科知识 对象构建为层次树；关联关系是指同一层次学科知识间的序列关系和依赖关系；知识类型 反映学科知识的教育目标分类规则与定义；信息量是指学科知识含有的内容量，反映对学 科知识进行教和学所需花费的时间；
[0007] (2)建立学科知识单元的层次关系描述存储结构，将所有学科知识单元存储其中， 为每一个层次赋值，并将层次值保存到学科知识对象中，得到层次关系存储文件；
[0008] (3)读取层次关系存储文件，对每一层的每一个节点的学科知识按时间先后顺序 排序，再对同一层次的学科知识依据包含关系进行排序，其中，将非包含关系的学科知识并 列排列，生成多队列并行的排序结构，对每一个队列进行排序并编号，得到学科知识单元关 联关系量化值，并将其保存到学科知识对象中，得到学科知识单元临时存储文件；
[0009] (4)读取学科知识单元临时存储文件，先对学科知识进行分类与编码，进行类型赋 值，再对每个类型进行属性赋值，结合类型赋值和属性赋值，得到学科知识单元知识类型量 化值，并将其保存到学科知识对象中，得到学科知识属性文件；
[0010] (5)读取学科知识属性文件，设置每个叶节点的学科知识的学习时长，遍历层次 树，由底向上生成每个中间节点的学科知识的学习时长，进而生成每个层次的节点信息量， 并将其保存到学科知识对象中，更新学科知识属性文件；
[0011] (6)读取学科知识属性文件，建立基于层次关系和关联关系的空间位置分布函数， 建立基于知识类型的图形形状函数，建立基于信息量的形状尺寸函数，实现对学科知识的 四维空间化表达与描述。
[0012] 优选地，所述步骤（2)进一步包括如下步骤：
[0013] (2-1)建立学科知识单元的层次关系描述存储结构，将所有学科知识单元组织存 储其中；
[0014] (2-2)使用宽度优先原则，完成对层次结构的遍历，对每一个层次设置同一数值；
[0015] (2-3)将层次值保存到学科知识对象中，并序列化保存为层次关系存储文件。
[0016] 优选地，所述步骤（3)中，学科知识单元关联关系量化值Valuer=IDtime?IDgroup， 其中，1〇,_表示学科知识的序列关系值，IDgroup表示同一层次内学科知识单元的包含关系 值，》为右位移运算符，用于将其右侧数据补充到其左侧数据的低位中。
[0017] 优选地，所述步骤（4)中，学科知识的类型包括事实知识、概念知识、程序知识和 元认识知识，每个类型的属性包括记忆、了解、应用、分析、评价和创作，学科知识单元知识 类型量化值ValueT=T_lty》Tfunetlcin，T_lty为类型赋值，Tfunetlcin为属性赋值，》为右位移 运算符，用于将其右侧数据补充到其左侧数据的低位中。
[0018] 优选地，所述步骤(6)中，建立基于知识类型的图形形状函数进一步包括如下步 骤：
[0019] (B1)将学科知识的不同类型对应不同的形状，其中，事实知识对应正方形，概念知 识对应正三角形，程序知识对应任意多边形，元认知知识对应圆形；
[0020] (B2)对程序知识类型，取出知识的子类型值，根据子类型值确定基本图形边的细 分边数m;
[0021] (B3)将多边形的每一条边m等分，并获取每一个边节点；
[0022] (B4)利用如下公式
[0023] α= 土rand(m)
[0024] 计算每一个节点的随机偏转角；
[0025] (B5)利用直线的点线表达公式，使用偏转角计算新的坐标值；
[0026] (B6)逆时针顺序连接每一个边节点以及边中新生成点，生成新多边形。
[0027] 优选地，所述步骤（6)中，建立基于层次关系和关联关系的空间位置分布函数进 一步包括如下步骤：
[0028] (A1)由顶至底遍历层次关系；
[0029] (A2)对每一个层次，遍历当前层次中的所有学科知识节点，累积计算关联关系值 r，得到R，并统计学科知识个数N;
[0030] (A3)求解使如下公式成立的最小η值
[0031] η> |log2NI-1
[0032] 将2*n作为Hilbert空间填充曲线的行列数；
[0033] (A4)使用行列数进行Hilbert空间填充后，计算填充曲线的长度L;
[0034] (A5)根据如下公式
[0035]
[0036] 求解关联关系值为r的知识节点对应到空间填充曲线的位置1;
[0037] (A6)使用Hilbert空间填充曲线的特征，计算1位置所对应的（X，y)坐标值。
[0038] 优选地，所述步骤(6)中，建立基于信息量的形状尺寸函数进一步包括如下步骤：
[0039] (C1)遍历所有学科知识节点，计算总的学科知识信息量ε ;
[0040] (C2)根据坐标的平面范围计算映射区域的面积σ ;
[0041] (C3)计算面积信息量比δ=為 σ
[0042] (C4)遍历所有学科知识节点，计算每个学科知识节点对应的外接矩形面积s= e氺δ;
[0043] (C5)通过外接矩形的面积计算最大外接多边形的半径与边长；
[0044] (C6)针对不同的图形形状，计算最终生成正多边形、三角形的边长以及圆半径。
[0045] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效 果：
[0046] (1)从多学科融合出发，以心理认知基础理论为指导，探索知识由复杂关系到简化 关系的表达与描述，解决思维导图等方式下关系过于复杂而影响认知的现象，特别是针对 中小学学科知识的认知。
[0047](2)综合考虑层次认知、关联关系认知、类型认知与知识信息量等因素，组合四元 素表达，从不同的方面得到知识的完整表达。
[0048](3)首先提出知识认知与地理认知的关系，并考虑进行知识空间到地图空间的自 动转化与映射方法，填补了应用空白。
【附图说明】
[0049] 图1是本发明实施例的学科知识表达与描述方法流程图；
[0050] 图2是层次量化实例图；
[0051] 图3是关联关系量化编码实例图；
[0052] 图4是知识类型属性量化编码实例图；
[0053] 图5是知识信息量量化与计算实例图；
[0054] 图6是知识四元素表达；
[0055] 图7是二维平面表达映射取值范围；
[0056] 图8是二维地图映射计算流程；
[0057] 图9是形状生成计算流程；
[0058]