一种基于学科逻辑知识关系生成学科知识地图的方法及系统

摘要

本发明公开了一种基于学科逻辑知识关系生成学科知识地图的方法及系统，该方法包括知识点及连线自动生成的步骤和知识关系线自动生成的步骤。该知识点及连线自动生成的步骤进一步包括：一知识点配置子步骤，用于生成章节空间数据及配置文件；一知识点连线生成子步骤，用于生成知识点连线；一知识点空间数据生成子步骤，用于生成知识点空间数据。该知识关系线自动生成的步骤进一步包括：一知识关系配置子步骤，用于生成逻辑知识关系配置文件；一知识关系线生成子步骤，用于生成知识关系空间数据。本发明根据知识结构的逻辑描述，基于地理要素空间模拟技术，生成符合地图特征的学科知识地图，便于用户对学科知识结构的理解以及可视化查询。

说明书

技术领域

本发明涉及地理科学制图领域，特别是涉及一种基于学科逻辑知识关系生成学科知识地图的方法及系统。

背景技术

“钱学森之问”和“两会”代表“减负”呐喊受到了舆论的广泛关注，如何在不影响教学质量的前提下，减轻学生过重的课业负担以及不合理的心理负担，是我国教育面临的一项紧迫任务。

《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》明确指出“信息技术对教育发展具有革命性影响，必须予以高度重视”。教育信息化被置于一个前所未有的高度，开发应用优质数字教育资源，构建信息化学习和教学环境等，成为新十年《规划》的指导思想。创新教育理念、现代教育技术与我国教育实践的结合具有重要的现实意义和应用价值。

传统的教育方式只是将学习内容抽象为逻辑知识关系树，缺乏形象性且难于记忆；现有的教育平台知识将教室搬到了屏幕，仍然无法避免学科逻辑知识点及知识关系的形象化表达问题。此外，当前国家课程标准和现有教育资源具有区域差异，如何构建以知识分类为标准、知识关系为基础的标准化数据体系也是传统逻辑知识关系面临的一个瓶颈。

故而，在这种背景下，一个新的、结合地理科学制图思想的学科知识地图的构建方法，使知识地图成为多维动态的、符合读者视觉阅读的、可交互的地图信息形式，为推动学习思维的变革中亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于学科逻辑知识关系生成学科知识地图的方法及系统，用于解决传统学科逻辑知识关系缺乏直观可视化表 达方法，用户不容易记忆学习的问题。

本发明进一步解决了，引入地理信息系统技术(Geographic Information System，GIS)提高学科知识地图制图效率及地图表达专业化问题。

为达到上述目的，本发明提供的基于学科逻辑知识关系生成学科知识地图的方法，包括知识点及连线自动生成的步骤和知识关系线自动生成的步骤，其特征在于，

该知识点及连线自动生成的步骤进一步包括：

一知识点配置子步骤，用于根据图片格式的章节图形生成章节空间数据及根据知识点表格生成逻辑知识点配置文件；

一知识点连线生成子步骤，用于根据章节形状、知识点数量及层次关系生成知识点连线并记录知识点位置坐标；

一知识点空间数据生成子步骤，用于根据知识点空间位置坐标生成知识点空间数据及属性数据。

该知识关系线自动生成的步骤进一步包括：

一知识关系配置子步骤，用于以知识关系表格生成逻辑知识关系配置文件，并获取知识点空间坐标；

一知识关系线生成子步骤，用于根据最短路径原则，生成知识关系线状数据及属性数据。

上述基于学科逻辑知识关系生成学科知识地图的方法，其特征在于，所述知识点配置子步骤进一步包括：

步骤S101，根据图片格式的章节图形生成章节空间数据；

步骤S102，以知识点表格生成逻辑知识点配置文件。

配置文件以XML格式表达，内容包括知识点编码、知识点名称、知识点分类、学习资源标识，通过结构化的数据表达，便于系统读取数据生成知识点和连线。

上述基于学科逻辑知识关系生成学科知识地图的方法，其特征在于，所述知识点连线生成子步骤中，根据章节形状计算抽象的知识点外包图形，按照知识点从左到右，从上到下及同级知识点等距的分布规则，结合知识点数量及层次关系，采用地理要素空间自动模拟生成技术生成知识点连线并记录知识点位 置坐标。

上述基于学科逻辑知识关系生成学科知识地图的方法，其特征在于，所述知识点空间数据生成子步骤中，根据计算出的知识点空间位置坐标生成知识点空间数据，将配置文件中的知识点编码、知识点名称、知识点分类、学习资源标识数据转化为知识点的属性数据，并以矢量文件形式存储。

上述基于学科逻辑知识关系生成学科知识地图的方法，其特征在于，所述知识关系配置子步骤进一步包括：

步骤S201，以知识关系表格生成逻辑知识关系配置文件；

配置文件以XML格式表达，内容包括知识关系编码、知识关系名称、知识点集、学习资源标识。知识关系编码以起始知识点的编码为前缀，以相同知识点为起点的知识关系出现的顺序数为后缀，用下划线分隔构成知识关系编码。知识点集包含该知识关系所经过的所有知识点的编码，各编码以下划线分割。通过结构化的数据表达，便于系统读取数据生成知识关系连线。

步骤S202，根据知识关系配置文件中的知识点集，结合知识点空间数据，获取知识点空间坐标；

步骤S203，保持知识关系的第一个知识点为起始点，以最短路径为优化原则，重新排序知识点在知识关系中出现的顺序；

步骤S204，根据重新排序的知识点，利用贝塞尔曲线生成算法生成知识关系线连接各知识点，根据知识关系配置文件中包含的对知识关系的描述内容，将配置文件中的知识关系编码、知识关系名称、知识点集、学习资源标识转化为知识关系的属性数据，并以矢量文件形式存储知识关系线数据；

上述基于学科逻辑知识关系生成学科知识地图的方法，其特征在于，一引入地理信息系统技术(Geographic Information System，GIS)提高学科知识地图制图效率及地图专业化表达。

进一步的，本发明还提供了一种实现上述方法的系统，其特征在于，包括：

一知识点及连线自动生成子系统，用于根据章节空间数据和知识点配置文件，生成知识点连线及知识点空间数据；

一知识关系线自动生成子系统，用于根据知识关系配置文件，结合知识点空间坐标数据，利用贝塞尔曲线生成算法生成知识关系数据；

一知识地图可视化子系统，用于根据生成的知识点及连线、知识关系连线和章节空间数据，结合GIS的专业化地图制图技术，可视化表达知识地图。

上述系统，其特征在于，所述知识点及连线自动生成子系统进一步包括：

一章节形状空间化单元，用于将图片格式的章节图形转换为带有地理空间坐标的矢量形式的章节几何空间数据；

一知识点配置单元，用于以知识点表格生成XML格式的逻辑知识点配置文件；

一连线生成单元，用于根据章节形状计算抽象的知识点外包图形，按照知识点从左到右，从上到下及同级知识点等距的分布规则，结合知识点数量及层次关系，采用地理要素空间自动模拟生成技术生成知识点连线并记录知识点位置坐标；

一知识点生成单元，用于根据计算出的知识点空间位置坐标生成知识点空间数据，并以矢量文件形式存储。

上述系统，其特征在于，所述知识关系线自动生成子系统进一步包括：

一知识关系配置单元，用于以知识关系表格生成XML格式的逻辑知识关系配置文件；

一知识点坐标获取单元，用于根据知识关系配置文件中获取的知识点编码从知识点数据中提取空间位置坐标；

一知识点排序单元，用于以知识关系的第一个知识点为起始点，按照最短路径优化原则，重新排序知识点在知识关系中出现的顺序；

一知识关系连线生成单元，用于根据重新排序的知识点，利用贝塞尔曲线生成算法生成知识关系线。

上述系统，其特征在于，所述知识地图可视化子系统进一步包括：

一地图表达单元，用于对知识点及连线、知识关系连线和章节空间数据通过颜色、形状、符号进行制图表达；

一地图可视化单元，用于将知识点及连线、知识关系连线和章节制图表达结果叠加显示为一副完整的学科知识地图。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于：

(1)通过知识点及连线和知识关系线的空间可视化表达，使得知识点之 间的层次和逻辑关系更加清楚，便于对知识结构的理解；

(2)利用GIS技术支持下的地图表达技术，可以更加清晰美观的展现知识点和知识关系的空间位置，通过空间数据结构对知识点和知识关系进行组织，更方便用户对知识的快速查询。

附图说明

图1为本发明的一种基于学科逻辑知识关系生成学科知识地图方法的知识点及连线自动生成实施例流程图；

图2为本发明的一种基于学科逻辑知识关系生成学科知识地图方法的知识关系线自动生成实施例流程图；

图3为本发明的一种基于学科逻辑知识关系生成学科知识地图系统的结构框架图；

图4为本发明的一种基于学科逻辑知识关系生成学科知识地图方法的实施例流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细的说明，以进一步了解本发明之目的、方案及功效。

本发明提供的一种基于学科逻辑知识关系生成学科知识地图的方法包括知识点及连线自动生成和知识关系线自动生成两个相对独立的过程。

知识点及连线自动生成过程的基本思想是：根据图片格式的章节图形生成章节空间数据；以知识点表格生成逻辑知识点配置文件；按照知识点分布规则，采用地理要素空间自动模拟生成技术生成知识点连线；根据计算出的知识点空间位置坐标生成知识点空间数据。

图1示出了本发明的一种基于学科逻辑知识关系生成学科知识地图方法的知识点及连线自动生成实施例流程图。参考图1，本发明一种基于学科逻辑知识关系生成学科知识地图方法中，知识点及连线自动生成的过程进一步包括以下步骤：

步骤S101，根据图片格式的章节图形生成章节空间数据。

章节形状直接限制了知识点的空间布局形式，将图片格式的章节图形转换为带有地理空间坐标系统的矢量格式的空间数据，作为知识点及连线和知识关系线生成的基础。

步骤S102，以知识点表格生成逻辑知识点配置文件。

配置文件以XML格式组织，利用标签、属性和值三种元素对知识点数据进行表达，内容包括知识点编码、知识点名称、知识点分类、学习资源标识，通过结构化的数据表达，便于系统读取数据生成知识点和连线。

步骤S103，根据章节形状，按照知识点分布原则，采用地理要素空间自动模拟生成技术生成知识点连线。

知识点连线自动生成遵循从左到右，从上到下及同级知识点等距的分布规则，根据同级知识点的数量和下级知识点的复杂程度分配各知识点及下级知识点所占的空间区域。采用地理要素空间自动模拟生成技术生成知识点连线并记录每个知识点的空间坐标。

步骤S104，根据计算得到的知识点空间位置坐标生成包含属性数据的知识点空间数据。

图2示出了本发明的一种基于学科逻辑知识关系生成学科知识地图方法的知识关系线自动生成实施例流程图。参考图2，本发明一种基于学科逻辑知识关系生成学科知识地图方法中，知识关系线自动生成的过程进一步包括以下步骤：

步骤201，以知识关系表格生成逻辑知识关系配置文件。

配置文件以XML格式组织，利用标签、属性和值三种元素对知识关系数据进行表达，内容包括知识关系编码、知识关系名称、知识点集、学习资源标识。知识关系编码以起始知识点的编码为前缀，以相同知识点为起点的知识关系出现的顺序数为后缀，用下划线分隔构成知识关系编码。知识点集包含该知识关系所经过的所有知识点的编码，各编码以下划线分割。通过结构化的数据表达，便于系统读取数据生成知识关系连线。

步骤S202，根据知识关系配置文件中的知识点集，结合知识点空间数据，获取知识点空间坐标；

知识关系所经过知识点的空间坐标为知识关系线提供节点，在知识关系的 知识点集中，存储有经过知识点的编码，根据编码在知识点空间数据中查询知识点的空间坐标。

步骤S203，以最短路径为优化原则，重新排序知识点在知识关系中出现的顺序；

构成知识关系的知识点是按照章节顺序排列的，当知识点转换为空间数据后，每个知识点都具有固定的空间位置，为了知识关系线表达更加美观，保持知识关系的第一个知识点为起始点，以最短路径为优化原则，重新排序知识点在知识关系中出现的顺序。

步骤S204，知识关系线生成。

根据重新排序的知识点，利用贝塞尔曲线生成算法生成知识关系线连接各知识点，根据知识关系配置文件中包含的对知识关系的描述内容，将配置文件中的知识关系编码、知识关系名称、知识点集、学习资源标识转化为知识关系的属性数据，并以矢量文件形式存储知识关系线数据；

利用ArcGIS实现基于学科逻辑知识关系生成学科知识地图方法的知识点及连线自动生成和知识关系线自动生成，并将结果以地图的形式直观形象的展示给用户。

参考图3，示出了本发明的一种基于学科逻辑知识关系生成学科知识地图系统的结构框架图，系统分为知识点及连线自动生成子系统、知识关系线自动生成子系统和地图可视化子系统。

知识点及连线自动生成子系统301包括：章节形状空间化单元3011、知识点配置单元3012、连线生成单元3013和知识点生成单元3014。

章节形状空间化单元3011将图片格式的章节图形地理配准，数据二值化后利用空间自动化扫描技术转换为带有地理空间坐标的矢量形式的章节几何空间数据。章节形状空间化单元3011存在于知识点及连线自动生成子系统，章节形状空间化结果同时被知识关系线自动生成子系统共享。

知识点配置单元3012以知识点表格生成XML格式的逻辑知识点配置文件，结构化组织知识点数据，便于系统程序数据读取和分析。

连线生成单元3013根据章节形状计算抽象的知识点外包图形，按照知识点从左到右，从上到下及同级知识点等距的分布规则，结合知识点数量及层次 关系，采用地理要素空间自动模拟生成技术生成知识点连线并记录知识点位置坐标，其前提是章节形状空间数据和知识点配置文件已经生成。

知识点生成单元3014根据计算出的知识点空间位置坐标生成知识点空间数据，并以矢量文件形式存储。

知识关系线自动生成子系统302包括：知识关系配置单元3021、知识点坐标获取单元3022、知识点排序单元3023和知识关系连线生成单元3024。

知识关系配置单元3021以知识关系表格生成XML格式的逻辑知识关系配置文件，内容包括知识关系编码、知识关系名称、知识点集、学习资源标识。知识关系编码以起始知识点的编码为前缀，以相同知识点为起点的知识关系出现的顺序数为后缀，用下划线分隔构成知识关系编码。知识点集包含该知识关系所经过的所有知识点的编码，各编码以下划线分割。

知识点坐标获取单元3022根据知识关系配置文件中的知识点集，获取知识关系存储的知识点编码，根据编码从知识点生成单元3014生成的知识点空间数据中查询知识点的空间坐标。

知识点排序单元3023为了知识关系线表达更加美观，保持知识关系的第一个知识点为起始点，以最短路径为优化原则，重新排序知识点在知识关系中出现的顺序；

知识关系连线生成单元3024根据重新排序的知识点，利用贝塞尔曲线生成算法生成知识关系线连接各知识点，根据知识关系配置文件中包含的对知识关系的描述内容，将配置文件中的知识关系编码、知识关系名称、知识点集、学习资源标识转化为知识关系的属性数据，并以矢量文件形式存储知识关系线数据。

地图可视化子系统303包括制图表达单元3031和地图可视化单元3032。

制图表达单元3031对知识点及连线、知识关系连线和章节空间数据通过颜色、形状、符号进行制图表达，以使知识点及连线、知识关系连线和章节数据更加美观，符合地图表达规范。

地图可视化单元3032将知识点及连线、知识关系连线和章节制图表达结果叠加显示为一副完整的学科知识地图，通过地图工具可以对地图进行缩放、漫游，并能根据比例尺的变化控制图层显示。

图4示出了本发明的一种基于学科逻辑知识关系生成学科知识地图方法的实施例流程图。参考图4，本发明一种基于学科逻辑知识关系生成学科知识地图方法进一步包括以下步骤：

步骤401，章节形状空间化。

将图片格式的章节图形地理配准，数据二值化后利用空间自动化扫描技术转换为带有地理空间坐标的矢量形式的章节几何空间数据。

步骤S402，知识点及连线自动生成。

根据知识点表格生成逻辑知识点配置文件，然后根据章节形状、知识点数量及层次关系生成知识点连线并记录知识点位置坐标，最后根据知识点空间位置坐标生成知识点空间数据及属性数据。

步骤S403，知识关系连线自动生成。

根据知识关系表格生成逻辑知识关系配置文件，保持知识关系的第一个知识点为起始点，以最短路径为优化原则，重新排序知识点在知识关系中出现的顺序，利用贝塞尔曲线生成算法生成知识关系线。

步骤S404，知识地图可视化

对知识点及连线、知识关系连线和章节空间数据通过颜色、形状、符号进行制图表达，并将知识点及连线、知识关系连线和章节制图表达结果叠加显示为一副完整的学科知识地图，通过地图工具可以对地图进行缩放、漫游，并能根据比例尺的变化控制图层显示。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。