基于知識圖譜的“物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新綜合實踐”課程教學(xué)資源構(gòu)建研究

摘 要：隨著高?！敖逃畔⒒钡慕ㄔO(shè)，自主學(xué)習(xí)成為一種重要的實踐課程教育形式。針對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生在創(chuàng)新綜合實踐課程中自主學(xué)習(xí)時面臨的學(xué)習(xí)資源龐雜導(dǎo)致的“知識迷航”問題，以及實踐過程監(jiān)督與實踐效果評價反饋機制不完善等問題，構(gòu)建了基于知識圖譜的多路徑物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新綜合實踐課程資源，從傳統(tǒng)的單一教學(xué)方式向以學(xué)生為中心的多路徑實踐教學(xué)方式轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)和激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力。

關(guān)鍵詞：知識圖譜；物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新綜合實踐；多路徑實踐；教育信息化；多元化評價機制；“知識迷航”

中圖分類號：TP3-05 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）12-0-03

0 引 言

隨著科技的快速發(fā)展，信息化已經(jīng)成為全球范圍內(nèi)各行各業(yè)的主要發(fā)展趨勢，教育信息化在推動教育現(xiàn)代化和深化教育改革中的關(guān)鍵作用愈發(fā)凸顯[1]。在當(dāng)前背景下，考慮到傳統(tǒng)的教學(xué)模式和考核方式無法全面反映學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況和潛力，因此急需更新[2]，迫切需要一種新的方法幫助學(xué)生更好地了解自身的長處和短板，進而制定有針對性的學(xué)習(xí)計劃和職業(yè)發(fā)展規(guī)劃。本文針對“物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新綜合實踐”課程實踐項目綜合度高、復(fù)雜工程問題理解難度大、技術(shù)更新快、學(xué)習(xí)路徑多樣性等特點，分別從教學(xué)資源知識抽取、知識融合和實踐效果評價等方面構(gòu)建“物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新綜合實踐”課程知識圖譜，以學(xué)生為中心，探討多路徑實踐教學(xué)方法，促進實踐課程資源優(yōu)化。

1 知識圖譜研究現(xiàn)狀

谷歌于2012年正式提出了知識圖譜的概念[3]，這是一種基于語義的數(shù)據(jù)表示和處理技術(shù)，其目的是為了實現(xiàn)更加智能的搜索引擎。2023年，我國國家標(biāo)準(zhǔn)委員會正式發(fā)布了《信息技術(shù)知識圖譜技術(shù)規(guī)范》，為知識圖譜的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化奠定了基礎(chǔ)[4]。近年來，知識圖譜取得了顯著的發(fā)展，利用知識圖譜既可以將抽象復(fù)雜的專業(yè)知識及其關(guān)系可視化，也可以采用問題驅(qū)動法進行工程項目導(dǎo)入，梳理工程實踐中涉及的技術(shù)點間的關(guān)聯(lián)性，緩解因課程知識銜接性弱及信息超載所導(dǎo)致的“知識迷航”等問題，幫助學(xué)生攻克技術(shù)難關(guān)，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

2 基于知識圖譜的多路徑實踐教學(xué)資源構(gòu)建

2.1 “物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新綜合實踐”課程多路徑知識圖譜設(shè)計

“物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新綜合實踐”已經(jīng)成為了培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)人才的重要課程，是一門具有實踐性、創(chuàng)新性、綜合性、團隊性和實用性的課程，主要包括物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、實踐項目、創(chuàng)新思維、技術(shù)綜合應(yīng)用和團隊協(xié)作方面。以“物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新綜合實踐”課程作為本體構(gòu)建知識圖譜，可以整合學(xué)科知識和細(xì)粒度的知識點資源，提供完整、系統(tǒng)和清晰的知識體系結(jié)構(gòu)，具體如圖1所示。

考慮到知識圖譜和“物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新綜合實踐”課程領(lǐng)域的特點和需求，本研究采用自頂向下的技術(shù)構(gòu)建知識圖譜，如一方面可以保證知識的準(zhǔn)確性和完整性，另一方面可以利用知識圖譜導(dǎo)航學(xué)習(xí)過程，將學(xué)習(xí)中遍歷的路徑分為課程資源知識點路徑與學(xué)習(xí)者特征路徑。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)學(xué)習(xí)者和課程知識點之間的關(guān)系進行知識推理、質(zhì)量評估及知識更新，得到序列化的知識圖譜學(xué)習(xí)路徑。

2.2 本體構(gòu)建

本文基于“物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新綜合實踐”課程的案例、工程項目功能模塊和知識點等教學(xué)資源構(gòu)建知識圖譜，具體包括物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的需求和構(gòu)思、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、感知層設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計、平臺層設(shè)計、應(yīng)用層設(shè)計及部署維護、數(shù)據(jù)可視化、學(xué)習(xí)者數(shù)據(jù)分析、智能交通系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析等教學(xué)資源，并通過圖數(shù)據(jù)庫Neo4j進行知識圖譜存儲。在課程實踐目錄中，將內(nèi)容分為“基礎(chǔ)知識”“物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備詳解”“WSN實驗”等部分。根據(jù)目錄的劃分，將其定義為8個類，用Protege工具構(gòu)建并且定義類之間的相應(yīng)屬性約束關(guān)系。物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新綜合實踐知識圖譜的課程本體模型如圖2所示。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新綜合實踐知識圖譜的課程本體模型

為了生成知識圖譜及個性化學(xué)習(xí)自組織學(xué)習(xí)路徑，本研究采用基于層模式的知識建模，從“整體”到“部分”對課程的實例進行研究和分類，課程知識層次中包括了：父類、兄弟類、子類3種，其中類與類之間的關(guān)系屬性約束見表1。

2.3 知識抽取

學(xué)生可以通過知識抽取從大量的學(xué)習(xí)資源中提取出自己需要的信息，從而更好地學(xué)習(xí)和理解知識[5]。本模型采用TextRank算法進行概念詞的抽取，除關(guān)鍵詞抽取外，TextRank算法還可用于關(guān)鍵句和關(guān)鍵短語的抽取[6]。將課程案例中的知識點視為圖中的一個節(jié)點，并將這些知識點之間的相似性視為圖中的邊。然后通過圖的迭代計算，不斷更新節(jié)點的權(quán)值。在這個過程中，TextRank采用類似PageRank的隨機游走方法[7]，即通過節(jié)點之間的關(guān)系進行權(quán)重傳遞，不斷調(diào)整節(jié)點的得分和排名。根據(jù)知識點之間的權(quán)值推導(dǎo)出知識、章節(jié)、模塊及案例的先修后繼關(guān)系，在此基礎(chǔ)上通過自組織學(xué)習(xí)歸納出知識圖譜的多學(xué)習(xí)路徑。

2.4 知識融合

知識抽取技術(shù)能夠從大量數(shù)據(jù)中快速、準(zhǔn)確地提取學(xué)生所需的信息，為知識融合提供了可靠的基礎(chǔ)。這些數(shù)據(jù)源包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)[8]。知識融合過程允許整合和融合來自不同來源和不同形式的實踐課程知識，從而提升知識圖譜的涵蓋范圍和準(zhǔn)確性。知識融合是一種綜合性的方法，不同層次的學(xué)生都可以根據(jù)學(xué)習(xí)質(zhì)量評估來調(diào)整學(xué)習(xí)方案，自組織學(xué)習(xí)路徑，制定適合自己的實踐方案，更深刻地理解工程問題，提升工程實踐能力。

2.5 多路徑實踐教學(xué)

傳統(tǒng)的實踐課程大都是根據(jù)實踐教學(xué)目標(biāo)按操作步驟逐個完成相關(guān)知識點的實踐內(nèi)容，如圖3所示。這種方式稱為串行模式，學(xué)生學(xué)習(xí)路徑是單一的，不利于學(xué)生團隊的合作和個性化發(fā)展[9]。

物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新綜合實踐涉及諸多交叉學(xué)科領(lǐng)域知識，面對海量實踐教學(xué)資源，學(xué)生在工程實踐中容易陷入“知識過載”和“知識迷航”的困境[10]。本研究梳理物聯(lián)網(wǎng)實踐資源及相關(guān)知識點構(gòu)建知識圖譜，工程實踐能力強及基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生都可以根據(jù)知識點的學(xué)習(xí)質(zhì)量評價選擇適合自己水平的學(xué)習(xí)路徑，提高學(xué)習(xí)效率，如圖4所示。首先，通過確定物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域工程項目學(xué)習(xí)需求，學(xué)生可以針對跨課程、重交叉的綜合性實踐教學(xué)資源，在知識圖譜中確定目標(biāo)知識。然后，從確定的目標(biāo)知識單元出發(fā)，利用知識圖譜回溯所有可能的學(xué)習(xí)路徑。最后，通過對每個路徑中的知識單元進行學(xué)習(xí)質(zhì)量評估，并進行加權(quán)求和，以此對路徑進行評分，找出最優(yōu)的學(xué)習(xí)路徑。

在知識圖譜構(gòu)建及多學(xué)習(xí)路徑生成過程中，教師自頂向下把項目拆解為幾個基本功能模塊，并以基本功能模塊知識點為單位結(jié)合學(xué)科前沿知識建立知識子圖譜，逐步形成完整的知識圖譜語義關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，同時依托實踐教學(xué)平臺、虛擬仿真軟件、雨課堂等，精心設(shè)置多條實踐路徑供學(xué)生學(xué)習(xí)，如圖5所示。基礎(chǔ)薄弱及工程實踐能力強的學(xué)生分別根據(jù)自己的實際情況選擇不同的學(xué)習(xí)任務(wù)，通過知識圖譜對物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新綜合實踐課程中的知識、章節(jié)、模塊及案例進行梳理，抽取出知識及關(guān)系，選擇不同的學(xué)習(xí)路徑進行工程實踐。

從物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域復(fù)雜工程項目學(xué)習(xí)需求出發(fā)，規(guī)劃學(xué)習(xí)路徑，保證其科學(xué)性，通過能力導(dǎo)向和復(fù)雜問題驅(qū)動，將實踐過程中涉及的知識和非結(jié)構(gòu)化的學(xué)習(xí)資源關(guān)聯(lián)起來構(gòu)建知識圖譜語義關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，篩選出最優(yōu)學(xué)習(xí)路徑，實現(xiàn)專業(yè)知識深度融合和資源優(yōu)化，促進學(xué)生實踐學(xué)習(xí)路徑多樣化。

2.6 多元化評價機制設(shè)計

在物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新綜合實踐教學(xué)中，教師根據(jù)課程的教學(xué)計劃確定考核目標(biāo)，將實際科研項目融入教學(xué)中，采用知識圖譜預(yù)設(shè)考核點，學(xué)生通過團隊合作、組間交流評價等方式實現(xiàn)過程性考核。根據(jù)知識圖譜及評價反饋，教師能夠?qū)崟r了解學(xué)生學(xué)習(xí)路徑和項目進展情況，通過系統(tǒng)設(shè)計、設(shè)備操作和任務(wù)評價等環(huán)節(jié)激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，有助于學(xué)生多元化發(fā)展。

3 結(jié) 語

本文介紹了“物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新綜合實踐”課程知識圖譜的構(gòu)建方法，并通過知識圖譜實施多路徑實踐教學(xué)，鼓勵個性學(xué)習(xí)、小組合作學(xué)習(xí)，旨在提供更靈活、個性化的學(xué)習(xí)體驗。通過本文研究，能幫助學(xué)生有效梳理海量內(nèi)容和知識脈絡(luò)，提供多路徑實踐方式，幫助學(xué)生更好地理解和掌握知識點。

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基金項目：西安工業(yè)大學(xué)重點教改項目：基于PBL的物聯(lián)網(wǎng)工程 “1+2+3”協(xié)同創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式研究（22JGZ04）；面向產(chǎn)業(yè)需求的“物聯(lián)網(wǎng)智慧學(xué)習(xí)工廠”實驗教學(xué)資源建設(shè)研究

作者簡介：劉萍萍（1971—），女，碩士，副教授，主要研究方向為人工智能、計算機網(wǎng)絡(luò)及語義網(wǎng)。

楊澤鵬（2000—），男，在讀碩士研究生，主要研究方向為人工智能。

賀 超（1998—），男，在讀碩士研究生，主要研究方向為人工智能。