高校計(jì)算機(jī)課程體系知識(shí)圖譜構(gòu)建及可視化研究

摘要：針對(duì)高校計(jì)算機(jī)課程體系復(fù)雜性和多樣性的特點(diǎn)，文章提出了一種基于知識(shí)圖譜的構(gòu)建與可視化方法。文章闡述了知識(shí)圖譜構(gòu)建的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，包括數(shù)據(jù)來源與處理、模式層構(gòu)建以及數(shù)據(jù)層構(gòu)建，并介紹了基于Neo4j圖數(shù)據(jù)庫的知識(shí)圖譜可視化技術(shù)。最后，通過實(shí)例展示了高校計(jì)算機(jī)課程體系的可視化效果，為課程體系的分析和優(yōu)化提供了有力工具。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)課程體系；知識(shí)圖譜；可視化；Neo4j

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）23-0089-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

在信息時(shí)代背景下，高校計(jì)算機(jī)課程體系作為培養(yǎng)計(jì)算機(jī)專業(yè)人才的重要基石，其復(fù)雜性和多樣性日益凸顯。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和教育理念的更新，傳統(tǒng)的課程體系構(gòu)建方法在某些方面已難以滿足當(dāng)前教育需求。具體而言，傳統(tǒng)的課程體系往往缺乏系統(tǒng)性、動(dòng)態(tài)性和可視化表達(dá)，難以全面、直觀地展示課程之間的邏輯關(guān)系、前后關(guān)系以及整體架構(gòu)，在一定程度上限制了學(xué)生和教師對(duì)課程知識(shí)的理解和掌握。近年來，知識(shí)圖譜在教育領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力，其本質(zhì)是通過圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來展示信息，節(jié)點(diǎn)代表實(shí)體，邊代表實(shí)體之間的關(guān)系，使得知識(shí)圖譜能夠直觀、全面地展示復(fù)雜的知識(shí)體系，具有結(jié)構(gòu)化、可擴(kuò)展性和可查詢性等特點(diǎn)，使得其在教育領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。通過構(gòu)建課程體系知識(shí)圖譜，可以清晰地展示課程之間的邏輯關(guān)系、前后關(guān)系以及整體架構(gòu)，為教師和學(xué)生提供更好的教學(xué)和學(xué)習(xí)支持。因此，本研究聚焦于高校計(jì)算機(jī)課程體系知識(shí)圖譜的構(gòu)建及可視化展示，力求構(gòu)建一個(gè)全面、準(zhǔn)確的高校計(jì)算機(jī)課程體系知識(shí)圖譜，以期為高校計(jì)算機(jī)課程體系的優(yōu)化和發(fā)展提供參考。

1 知識(shí)圖譜概述

知識(shí)圖譜作為一種新興的數(shù)據(jù)組織和表示方式，其本質(zhì)是一個(gè)語義網(wǎng)絡(luò)，旨在描述客觀世界中的概念、實(shí)體、事件及其之間的關(guān)系，并對(duì)這些信息進(jìn)行語義建模。知識(shí)圖譜通過圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來展示信息，節(jié)點(diǎn)代表實(shí)體，邊則代表實(shí)體之間的關(guān)系，使得知識(shí)圖譜能夠直觀、全面地展示復(fù)雜的知識(shí)體系[1]。知識(shí)圖譜的構(gòu)建是一個(gè)多步驟的過程，主要包括數(shù)據(jù)收集、實(shí)體識(shí)別、關(guān)系抽取、知識(shí)融合與去重等環(huán)節(jié)。

知識(shí)圖譜的特點(diǎn)在于其結(jié)構(gòu)化、可擴(kuò)展性和可查詢性。結(jié)構(gòu)化使得知識(shí)圖譜能夠清晰地展示實(shí)體之間的關(guān)系，便于理解和利用；可擴(kuò)展性則允許研究者根據(jù)需求不斷擴(kuò)展知識(shí)圖譜的內(nèi)容；可查詢性則使得用戶能夠方便地查詢和獲取所需的信息。在教育領(lǐng)域，知識(shí)圖譜的應(yīng)用尤為廣泛，通過構(gòu)建課程體系知識(shí)圖譜，可以直觀地展示課程之間的邏輯關(guān)系、前后關(guān)系以及整體架構(gòu)。

2 高校計(jì)算機(jī)課程體系知識(shí)圖譜的構(gòu)建

2.1 數(shù)據(jù)層構(gòu)建

在構(gòu)建高校計(jì)算機(jī)課程體系知識(shí)圖譜的過程中，保證數(shù)據(jù)來源可靠與準(zhǔn)確是為了全面反映高校計(jì)算機(jī)課程體系，所以要從多個(gè)渠道收集相關(guān)數(shù)據(jù)，主要包括國(guó)內(nèi)外代表性高校的官方網(wǎng)站、課程管理系統(tǒng)、教學(xué)大綱和培養(yǎng)方案等。

2.1.1 確定數(shù)據(jù)來源

國(guó)內(nèi)外具有代表性的高校作為數(shù)據(jù)源，這些高校在計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域具有較高的學(xué)術(shù)聲譽(yù)和豐富的教學(xué)資源，其課程體系能夠代表國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平。通過訪問各高校的官方網(wǎng)站和課程管理系統(tǒng)，獲取最新的課程大綱、教學(xué)計(jì)劃、授課教師信息等數(shù)據(jù)。

2.1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于收集到的數(shù)據(jù)格式各異、內(nèi)容繁雜，因此在進(jìn)行知識(shí)圖譜構(gòu)建之前，需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理[2]。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括以下幾個(gè)步驟：①數(shù)據(jù)清洗。去除重復(fù)、錯(cuò)誤或無關(guān)的數(shù)據(jù)項(xiàng)，確保數(shù)據(jù)的唯一性和準(zhǔn)確性。例如，在處理課程名稱時(shí)，需要統(tǒng)一命名規(guī)則，避免同一門課程因命名不同而被識(shí)別為多個(gè)實(shí)體。②數(shù)據(jù)格式化。將不同來源的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的格式，便于后續(xù)處理和存儲(chǔ)。例如，將文本格式的教學(xué)大綱轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)化的XML或JSON格式，以便于提取實(shí)體和關(guān)系。③數(shù)據(jù)規(guī)范化。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，確保不同來源的數(shù)據(jù)在語義上保持一致。例如，對(duì)于授課教師的姓名，需要統(tǒng)一規(guī)范為“姓+名”的格式，避免出現(xiàn)因姓名書寫不一致而導(dǎo)致的實(shí)體識(shí)別錯(cuò)誤。

2.2 模式層構(gòu)建

針對(duì)高校計(jì)算機(jī)課程體系知識(shí)圖譜的構(gòu)建，需要設(shè)計(jì)合理的模式層結(jié)構(gòu)來描述課程體系中的各個(gè)要素及其之間的關(guān)系。

2.2.1 定義實(shí)體類型與關(guān)鍵屬性

在高校計(jì)算機(jī)課程體系中，實(shí)體主要包括高校、課程、教師等，為了全面描述這些實(shí)體，需要定義它們的關(guān)鍵屬性。高校實(shí)體的關(guān)鍵屬性包括高校名稱、所在地區(qū)、辦學(xué)層次等，用于標(biāo)識(shí)不同高校及其在知識(shí)圖譜中的位置；課程實(shí)體的關(guān)鍵屬性包括課程名稱、課程編號(hào)、課程類型（必修/選修）、學(xué)時(shí)、學(xué)分、授課教師等，用于詳細(xì)描述每門課程的基本信息及其在課程體系中的地位和作用；教師實(shí)體的關(guān)鍵屬性包括教師姓名、職稱、研究方向等，用于標(biāo)識(shí)授課教師的身份和特長(zhǎng)，以便學(xué)生了解教師的背景和教學(xué)特點(diǎn)[3]。

2.2.2 定義關(guān)系類型

在高校計(jì)算機(jī)課程體系中，實(shí)體之間的關(guān)系主要包括高校與課程的關(guān)系、課程與課程之間的關(guān)系以及課程與教師之間的關(guān)系等。為了準(zhǔn)確描述這些關(guān)系，需要定義相應(yīng)的關(guān)系類型（如表1所示）。其中高校與課程的關(guān)系為“開設(shè)”關(guān)系，表示某所高校開設(shè)了某門課程，用于連接高校實(shí)體和課程實(shí)體，反映高校在課程體系中的主體地位；課程與課程的關(guān)系為“先修”關(guān)系、“并行”關(guān)系和“后續(xù)”關(guān)系等，用于描述課程之間的學(xué)習(xí)順序和邏輯依賴關(guān)系。例如，“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”是“算法設(shè)計(jì)與分析”的先修課程，表示學(xué)生在學(xué)習(xí)“算法設(shè)計(jì)與分析”之前需要先掌握“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”的相關(guān)知識(shí)；課程與教師的關(guān)系是“授課”關(guān)系，表示某門課程由某位教師負(fù)責(zé)授課，用于連接課程實(shí)體和教師實(shí)體，反映教師在課程體系中的教學(xué)角色。

2.2.3 使用RDF三元組形式表示實(shí)體、屬性和關(guān)系

RDF是一種用于描述網(wǎng)絡(luò)資源及其關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型，由節(jié)點(diǎn)（表示實(shí)體或概念）和邊（表示關(guān)系）組成。在定義了實(shí)體類型、關(guān)鍵屬性和關(guān)系類型之后，可以使用資源描述框架（RDF） 三元組的形式來表示這些實(shí)體、屬性和關(guān)系[4]。在高校計(jì)算機(jī)課程體系知識(shí)圖譜中，每個(gè)實(shí)體和關(guān)系都可以表示為一個(gè)RDF三元組（如圖1所示）。通過這種方式，可以將高校計(jì)算機(jī)課程體系中的各個(gè)要素及其之間的關(guān)系以結(jié)構(gòu)化的形式表示出來，為后續(xù)的知識(shí)圖譜構(gòu)建和可視化展示奠定基礎(chǔ)。

2.3 數(shù)據(jù)層構(gòu)建

數(shù)據(jù)層是知識(shí)圖譜的實(shí)際存儲(chǔ)層，包含圖譜中所有的實(shí)體、關(guān)系及屬性值等信息。在高校計(jì)算機(jī)課程體系知識(shí)圖譜的構(gòu)建過程中，數(shù)據(jù)層的構(gòu)建主要包括數(shù)據(jù)導(dǎo)入與存儲(chǔ)、實(shí)體與關(guān)系抽取以及知識(shí)融合與去重等步驟。

2.3.1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入與存儲(chǔ)

將經(jīng)過預(yù)處理的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到知識(shí)圖譜的存儲(chǔ)系統(tǒng)中，以便后續(xù)的處理和查詢。選擇Neo4j圖數(shù)據(jù)庫作為存儲(chǔ)工具，能夠高效地存儲(chǔ)和查詢圖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，并支持復(fù)雜的數(shù)據(jù)關(guān)系表示和查詢操作。在數(shù)據(jù)導(dǎo)入過程中，需要將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換為Neo4j能夠識(shí)別的格式（如CSV文件），并利用Neo4j提供的導(dǎo)入工具將數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫中，導(dǎo)入完成后就可以在Neo4j中看到高校計(jì)算機(jī)課程體系的初步知識(shí)圖譜結(jié)構(gòu)[5]。

2.3.2 實(shí)體與關(guān)系抽取

實(shí)體與關(guān)系抽取涉及從原始數(shù)據(jù)中識(shí)別出實(shí)體和關(guān)系，并將其以結(jié)構(gòu)化的形式表示出來。在高校計(jì)算機(jī)課程體系知識(shí)圖譜的構(gòu)建過程中，可采用多種技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)實(shí)體與關(guān)系的抽取。其一，基于規(guī)則的方法。根據(jù)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)制定相應(yīng)的抽取規(guī)則，如通過正則表達(dá)式匹配課程名稱、通過關(guān)鍵詞匹配授課教師姓名等，該方法簡(jiǎn)單直接，但依賴于人工制定的規(guī)則，無法覆蓋所有數(shù)據(jù)情況[6]。其二，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法。訓(xùn)練命名實(shí)體識(shí)別（NER） 和關(guān)系抽?。≧E） 模型來自動(dòng)識(shí)別文本中的實(shí)體和關(guān)系，可以利用深度學(xué)習(xí)算法，自動(dòng)學(xué)習(xí)文本中的特征表示和模式識(shí)別能力，從而提高實(shí)體與關(guān)系抽取的準(zhǔn)確性和泛化能力。然而，這種方法需要大量的標(biāo)注數(shù)據(jù)來訓(xùn)練模型，并且模型的性能會(huì)受到標(biāo)注數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)量的影響。其三，混合方法。為了兼顧準(zhǔn)確性和效率，采用混合方法來實(shí)現(xiàn)實(shí)體與關(guān)系的抽取，即首先利用基于規(guī)則的方法進(jìn)行初步抽取，然后再利用基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正和優(yōu)化，可以在保證準(zhǔn)確性的同時(shí)提高抽取效率。

2.3.3 知識(shí)融合與去重

由于數(shù)據(jù)來源多樣且可能存在重復(fù)和沖突的情況，因此在構(gòu)建知識(shí)圖譜之前，需要進(jìn)行知識(shí)融合與去重處理。在高校計(jì)算機(jī)課程體系知識(shí)圖譜的構(gòu)建過程中，可采用以下幾種方法進(jìn)行知識(shí)融合與去重處理：①實(shí)體對(duì)齊。針對(duì)不同數(shù)據(jù)源中出現(xiàn)的相同或相似實(shí)體（如課程名稱相同但編號(hào)不同的課程實(shí)體），運(yùn)用實(shí)體對(duì)齊技術(shù)將它們鏈接到同一個(gè)實(shí)體節(jié)點(diǎn)上，避免在知識(shí)圖譜中出現(xiàn)重復(fù)的實(shí)體節(jié)點(diǎn)并減少冗余信息。②屬性整合。針對(duì)同一個(gè)實(shí)體在不同數(shù)據(jù)源中出現(xiàn)的不同屬性值（如授課教師姓名書寫不一致的情況），運(yùn)用屬性整合技術(shù)將它們合并為一個(gè)統(tǒng)一的屬性值表示形式，確保實(shí)體屬性的準(zhǔn)確性和一致性，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)查詢和分析操作。③沖突解決。針對(duì)不同數(shù)據(jù)源中出現(xiàn)的沖突信息（如課程學(xué)時(shí)在不同數(shù)據(jù)源中表示不一致的情況），可制定相應(yīng)的沖突解決規(guī)則，選擇其中一個(gè)可靠的數(shù)據(jù)源作為權(quán)威數(shù)據(jù)源，并優(yōu)先使用其提供的信息來構(gòu)建知識(shí)圖譜，從而減少因數(shù)據(jù)沖突而導(dǎo)致的不確定性和錯(cuò)誤。

3 高校計(jì)算機(jī)課程體系知識(shí)圖譜的可視化展示

3.1 可視化技術(shù)選擇與實(shí)現(xiàn)

在高校計(jì)算機(jī)課程體系知識(shí)圖譜的構(gòu)建中，可選擇Neo4j圖數(shù)據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)知識(shí)圖譜的可視化展示。Neo4j作為NoSQL圖數(shù)據(jù)庫，專為處理具有復(fù)雜關(guān)系的數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)，主要基于圖形結(jié)構(gòu)來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，能夠高效地存儲(chǔ)和查詢實(shí)體之間的關(guān)系，非常適合用于構(gòu)建和展示知識(shí)圖譜。Neo4j提供了豐富的圖形查詢語言Cypher，使得數(shù)據(jù)查詢和可視化變得直觀和便捷。同時(shí)，Neo4j圖數(shù)據(jù)庫內(nèi)置了強(qiáng)大的可視化工具如（Neo4j Browser） ，用戶能夠直接通過Web界面查看和交互圖形數(shù)據(jù)[7]。隨著數(shù)據(jù)量的增長(zhǎng)和需求的變化，可視化系統(tǒng)需要具備良好的可擴(kuò)展性和靈活性，Neo4j圖數(shù)據(jù)庫支持分布式部署和水平擴(kuò)展，能夠應(yīng)對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)的可視化需求，同時(shí)Neo4j的圖形查詢語言Cypher提供了靈活的查詢能力，使得用戶可以根據(jù)不同的需求定制可視化展示方案。

3.2 可視化展示實(shí)例與分析

為了更直觀地展示高校計(jì)算機(jī)課程體系知識(shí)圖譜的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，可利用Neo4j Browser呈現(xiàn)整個(gè)計(jì)算機(jī)課程體系的架構(gòu)圖。在這個(gè)架構(gòu)圖中（如圖2所示），課程以節(jié)點(diǎn)的形式表示，課程之間的關(guān)系（如先修關(guān)系、支撐關(guān)系等）以邊的形式表示，不同的節(jié)點(diǎn)和邊通過顏色、大小、形狀等屬性進(jìn)行區(qū)分，以便于用戶快速識(shí)別和理解。例如，基礎(chǔ)課程可以用較大的節(jié)點(diǎn)表示，專業(yè)課程則可以用較小的節(jié)點(diǎn)表示；先修關(guān)系可以用實(shí)線表示，支撐關(guān)系則可以用虛線表示[8]。如此一來，用戶可以清晰地看到不同課程在整個(gè)體系中的位置和作用。

在可視化架構(gòu)圖中，核心課程通常具有較多的連接和較高的中心性，是整個(gè)課程體系的基礎(chǔ)和支撐，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的核心能力和素質(zhì)具有重要作用。借助Neo4j的圖形查詢語言Cypher，可以輕松地找出這些核心課程并進(jìn)行高亮顯示，還可以分析課程之間的關(guān)鍵路徑，即學(xué)生完成學(xué)業(yè)所必須經(jīng)歷的一系列課程。在可視化展示中，關(guān)鍵路徑可以用粗線或不同顏色表示，以便于用戶識(shí)別和跟蹤。除了展示課程體系的結(jié)構(gòu)外，可視化工具還可以通過比較不同課程的教學(xué)單元和知識(shí)點(diǎn)之間的相似性，發(fā)現(xiàn)潛在的教學(xué)內(nèi)容重復(fù)問題。在Neo4j中，可以利用圖形查詢和聚類分析等方法來識(shí)別這些重復(fù)內(nèi)容，并在可視化展示中進(jìn)行標(biāo)注和提示。例如，對(duì)于重復(fù)出現(xiàn)的教學(xué)單元或知識(shí)點(diǎn)，可以用相同的顏色或標(biāo)記進(jìn)行區(qū)分，并在旁邊附上詳細(xì)的重復(fù)說明和建議。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文通過構(gòu)建高校計(jì)算機(jī)課程體系知識(shí)圖譜，實(shí)現(xiàn)了課程體系的直觀展示和深入分析。研究結(jié)果顯示，知識(shí)圖譜技術(shù)能夠有效地組織和表示復(fù)雜的課程體系，幫助教師和學(xué)生更好地理解和掌握課程知識(shí)，進(jìn)而提升教學(xué)效果和學(xué)習(xí)效率。這一研究成果不僅豐富了知識(shí)圖譜在教育領(lǐng)域的應(yīng)用案例，還為高校課程體系的優(yōu)化和改革提供了新的理論和方法支持。展望未來，隨著教育數(shù)據(jù)的不斷積累和知識(shí)圖譜技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，高校計(jì)算機(jī)課程體系知識(shí)圖譜的應(yīng)用前景將更加廣闊。一方面，可以進(jìn)一步挖掘知識(shí)圖譜在課程體系建設(shè)中的潛力，如利用知識(shí)圖譜進(jìn)行課程內(nèi)容的智能關(guān)聯(lián)和推薦，幫助教師優(yōu)化課程設(shè)計(jì)和教學(xué)內(nèi)容。另一方面，可以探索將知識(shí)圖譜應(yīng)用于個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑推薦等領(lǐng)域，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和背景，為其量身定制合適的學(xué)習(xí)路徑和資源，從而進(jìn)一步提升學(xué)習(xí)效果和滿意度。

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【通聯(lián)編輯：光文玲】