知識圖譜課程的科教融合教學(xué)實(shí)踐與探討

摘 要 知識圖譜是高等院校人工智能等相關(guān)專業(yè)開設(shè)的課程，是人工智能、自然語言處理、大數(shù)據(jù)分析等前沿領(lǐng)域的重要研究方向。文章介紹了中國地質(zhì)大學(xué)（北京）信息工程學(xué)院開設(shè)的知識圖譜課程，針對教學(xué)過程中存在的課堂內(nèi)容時(shí)效性和實(shí)踐性不足等問題，結(jié)合自身的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)與思考，圍繞科教機(jī)構(gòu)融合、科教課堂融合、科教踐學(xué)融合及科教團(tuán)隊(duì)融合四個(gè)維度，探討了科教融合下的教學(xué)實(shí)踐舉措。

關(guān)鍵詞 知識圖譜課程；科教融合；教學(xué)實(shí)踐

中圖分類號：G424"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A""""" DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.35.043

Teaching Practice and Exploration of the Integration of

Scientific Research and Education in a Knowledge Graph Course

ZHAO Deng， ZHOU Zhangbing

（School of Information Engineering， China University of Geosciences （Beijing）， Beijing 100083）

Abstract Knowledge Graph is a course offered in related majors such as artificial intelligence in institutions of higher education. It is an important research area in cutting - edge fields like artificial intelligence， natural language processing， and big data analysis. This article introduces the Knowledge Graph course offered by the School of Information Engineering at China University of Geosciences （Beijing）. In view of problems such as insufficient timeliness and practicality of classroom content during the teaching process， combined with personal teaching experience and reflections， it explores teaching practice measures under the integration of science and education from four dimensions： the integration of scientific research institutions and education， the integration of scientific research and classroom teaching， the integration of scientific research and practical learning， and the integration of scientific research and teaching teams.

Keywords knowledge graph course; integrating of science and education; teaching practice

科教融合的理念最早可以追溯到19世紀(jì)德國教育家洪堡提出的“科研與教學(xué)相結(jié)合”，這一理念如今已成為高等教育發(fā)展的新常態(tài)?？平倘诤系谋举|(zhì)在于通過科研與教學(xué)的緊密結(jié)合，進(jìn)行知識的創(chuàng)新、傳授、傳播和傳承，使師生在學(xué)術(shù)共同體中開展互動(dòng)式學(xué)術(shù)探究，取長補(bǔ)短，共同進(jìn)步。如何在高等教育的日常教學(xué)中深化和具象化科教融合，實(shí)現(xiàn)教學(xué)與科研的相互促進(jìn)與協(xié)調(diào)發(fā)展，應(yīng)對國家科技人才發(fā)展需求，仍是一線教師需要深入思考和探討的問題。本文以人工智能專業(yè)知識圖譜課程為切入點(diǎn)，探討了如何通過科教融合保證課堂教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性并促進(jìn)工科學(xué)生實(shí)踐能力的提升等問題。

1" 知識圖譜課程簡介

知識圖譜是人工智能領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)，尤其在自然語言處理、搜索引擎、推薦系統(tǒng)和智能問答系統(tǒng)等方面發(fā)揮著重要作用。掌握知識圖譜技術(shù)對于從事人工智能和大數(shù)據(jù)領(lǐng)域的研究與開發(fā)至關(guān)重要。鑒于此，中國地質(zhì)大學(xué)（北京）信息工程學(xué)院（以下簡稱“我院”）為人工智能專業(yè)的本科生開設(shè)了知識圖譜課程。知識圖譜的概念最早由萬維網(wǎng)之父Tim Berners-Lee提出，目的是通過圖結(jié)構(gòu)來建模和記錄世界萬物之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的對象級搜索。經(jīng)過近二十年的發(fā)展，知識圖譜技術(shù)已廣泛應(yīng)用于搜索引擎、智能問答系統(tǒng)、語言和視覺理解、大數(shù)據(jù)決策分析、智能設(shè)備互聯(lián)等領(lǐng)域，被視為實(shí)現(xiàn)認(rèn)知智能的重要基石。近年來，知識圖譜在自動(dòng)化知識獲取、基于知識的自然語言處理、基于表示學(xué)習(xí)的機(jī)器推理，以及基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖挖掘與分析等方面取得了諸多新進(jìn)展。我院所開設(shè)知識圖譜課程旨在系統(tǒng)介紹知識圖譜的基本概念、核心技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)踐，并涵蓋知識表示與推理、圖數(shù)據(jù)庫、關(guān)系抽取與知識圖譜構(gòu)建、知識圖譜表示學(xué)習(xí)與嵌入、語義搜索與知識問答、圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與圖挖掘分析等方面。課程以“基礎(chǔ)、前沿與實(shí)踐”相結(jié)合的原則，既包含基本概念的講解和實(shí)踐應(yīng)用的內(nèi)容，也涵蓋學(xué)術(shù)界最新前沿進(jìn)展的介紹，力求為學(xué)生提供全面的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

知識圖譜不是單一技術(shù)，而是系統(tǒng)工程。我院為人工智能專業(yè)開設(shè)的“人工智能導(dǎo)論”“模式識別”和“機(jī)器學(xué)習(xí)”等前導(dǎo)課程，為學(xué)生理解本課程的應(yīng)用背景、理論原理和計(jì)算過程等奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。課程的核心目標(biāo)之一是幫助學(xué)生建立對知識圖譜的系統(tǒng)工程觀。通過本課程希望能夠?yàn)閷W(xué)習(xí)者和技術(shù)實(shí)踐者提供系統(tǒng)性了解知識圖譜的各方面技術(shù)要素，同時(shí)也為學(xué)習(xí)者拓展研究視野和創(chuàng)新方向。具體而言包括以下幾點(diǎn)。①知識目標(biāo)：掌握知識工程與知識圖譜的基本原理、概念和術(shù)語，掌握并能運(yùn)用知識工程與知識圖譜的主要技術(shù)；②能力目標(biāo)：能熟練操作幾種常見開源工具，具有一定的運(yùn)用知識圖譜技術(shù)解決具體實(shí)際問題的實(shí)踐應(yīng)用能力；③素質(zhì)目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生自主探索學(xué)習(xí)的意識，拓展學(xué)生創(chuàng)新視野，提升創(chuàng)新能力。通過這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，學(xué)生不僅能全面理解知識圖譜的系統(tǒng)性，也能在實(shí)際生活中靈活運(yùn)用所學(xué)知識。

2" 知識圖譜課程面臨的問題

2.1" 教學(xué)內(nèi)容時(shí)效性存在不足

知識圖譜作為人工智能和大數(shù)據(jù)領(lǐng)域的重要技術(shù)，與自然語言處理、機(jī)器學(xué)習(xí)、知識推理等前沿技術(shù)緊密相關(guān)。任課教師即使選用最新的教材，教學(xué)內(nèi)容仍然可能滯后于最新的技術(shù)發(fā)展，尤其是知識圖譜這種仍處于技術(shù)快速迭代發(fā)展的課程。由于教材的編寫和出版需要時(shí)間，教師在傳播知識時(shí)可能面臨教材更新不及時(shí)的問題。然而，教學(xué)不能因此滯后于科技進(jìn)步。面對這種情況，教師不能完全拘泥于教材授課，而應(yīng)引入最新的研究論文、技術(shù)報(bào)告和行業(yè)應(yīng)用案例，以科教融合的模式幫助學(xué)生掌握知識圖譜的前沿技術(shù)和發(fā)展趨勢，確保課程內(nèi)容的先進(jìn)性和時(shí)效性。

2.2" 教學(xué)內(nèi)容實(shí)踐性仍待加強(qiáng)

知識圖譜課程不僅涵蓋了復(fù)雜的理論知識，如語義網(wǎng)絡(luò)、圖數(shù)據(jù)庫、知識表示與推理等，還注重實(shí)際應(yīng)用，包括知識圖譜的構(gòu)建、查詢優(yōu)化、知識挖掘和應(yīng)用場景的實(shí)現(xiàn)。因此，課程應(yīng)更多地采用科研項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方式，通過實(shí)際項(xiàng)目引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和應(yīng)用知識圖譜技術(shù)，從而提升他們的動(dòng)手能力和項(xiàng)目管理能力。然而，由于課程實(shí)踐內(nèi)容較多，再加上學(xué)生的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足和教學(xué)課時(shí)的限制，學(xué)生往往只能完成部分課程內(nèi)容實(shí)踐，如知識圖譜的設(shè)計(jì)、構(gòu)建和查詢優(yōu)化等。這種局限性使得學(xué)生難以深入理解和全面掌握課程內(nèi)容。因此，科教融合下的教學(xué)與實(shí)踐互補(bǔ)模式，應(yīng)成為推動(dòng)知識圖譜這一理論與實(shí)踐并重課程的教學(xué)改革路徑。

3" 科教融合教學(xué)實(shí)踐

科研與教學(xué)是一流大學(xué)的兩個(gè)重要方面，如何將二者有效結(jié)合是一項(xiàng)需要長期探索的課題。基于科研與教學(xué)目標(biāo)的一致性，科教融合協(xié)同育人已成為培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才的關(guān)鍵途徑之一。在傳統(tǒng)工科專業(yè)的人才培養(yǎng)與教學(xué)過程中，課程教學(xué)內(nèi)容、實(shí)習(xí)實(shí)踐、大創(chuàng)項(xiàng)目和畢業(yè)論文環(huán)節(jié)往往與科研脫節(jié)，學(xué)生接觸科研和參與科研實(shí)踐的機(jī)會較少，導(dǎo)致學(xué)習(xí)過程中的探索性和挑戰(zhàn)性不足，進(jìn)而影響了他們的創(chuàng)新能力與學(xué)術(shù)思維。因此，有必要對傳統(tǒng)培養(yǎng)模式在培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才方面所面臨的困境進(jìn)行分析，并提出以創(chuàng)新能力為導(dǎo)向的課程教學(xué)方法，建立面向泛化能力的跨學(xué)科人才培養(yǎng)體系，形成師生雙向成長的長效激勵(lì)機(jī)制，從而有效解決知識圖譜等課程所面臨的時(shí)效性不足、實(shí)踐性欠缺等問題，實(shí)現(xiàn)科教融合下的拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標(biāo)。

本文以知識圖譜課程為切入點(diǎn)，面向科教融合模式挖掘科研內(nèi)容與教學(xué)活動(dòng)之間的關(guān)聯(lián)融合，建成科研技能訓(xùn)練和常規(guī)課堂教學(xué)深度融合“新”路徑。以科教機(jī)構(gòu)融合、科教課堂融合、科教踐學(xué)融合及科教團(tuán)隊(duì)融合多路徑，構(gòu)建出一套以學(xué)生創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力、合作能力和學(xué)習(xí)能力為導(dǎo)向的具有探究性和個(gè)性化的拔尖創(chuàng)新人才課程教學(xué)方法。

3.1" 科教機(jī)構(gòu)融合，建設(shè)創(chuàng)新人才培育平臺

通過科研院所、高新企業(yè)與高校之間的合作與交流，可以整合科研資源和企業(yè)資源，包括研究設(shè)備、圖書館、教學(xué)設(shè)施，以及科研團(tuán)隊(duì)和學(xué)術(shù)成果等，從而提升教學(xué)和科研水平。通過這種合作，各學(xué)科能夠建立創(chuàng)新平臺和研究組織，為學(xué)生提供更多實(shí)踐教育的機(jī)會，如參與科研項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)室工作或?qū)嶋H應(yīng)用項(xiàng)目，以培養(yǎng)他們解決實(shí)際問題的能力，并增強(qiáng)其創(chuàng)新思維。為此，我院開展了一系列訪企拓崗和校友走訪座談活動(dòng)，邀請百度等知識圖譜領(lǐng)域領(lǐng)軍企業(yè)進(jìn)行學(xué)術(shù)交流，組織學(xué)生參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等，并在CCF走進(jìn)高?；顒?dòng)中與多所院校專家探討科教融合的創(chuàng)新模式。此外，科教機(jī)構(gòu)的融合將促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，使科研成果更容易轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源和教育服務(wù)。通過與產(chǎn)業(yè)界合作，學(xué)生能夠更好地了解實(shí)際工作環(huán)境，為未來職業(yè)發(fā)展做好充分準(zhǔn)備。例如，我院與慧科集團(tuán)、華為、金蝶軟件等多家企業(yè)開展了產(chǎn)學(xué)研合作與探討。

3.2" 科教課堂融合，優(yōu)化人才培養(yǎng)實(shí)踐體系

通過將最新科研成果融入課堂教學(xué)，把科學(xué)研究與教學(xué)活動(dòng)有機(jī)結(jié)合，推動(dòng)優(yōu)質(zhì)實(shí)踐課程的建設(shè)。例如，我院已設(shè)立了實(shí)踐創(chuàng)新班和學(xué)術(shù)創(chuàng)新班。在多個(gè)專業(yè)課程群中，通過課程內(nèi)容、課程實(shí)踐和課程考核等環(huán)節(jié)，深度融合科研內(nèi)容，積極推進(jìn)優(yōu)質(zhì)實(shí)踐課程的建設(shè)。在知識圖譜課程教學(xué)中，采用多種創(chuàng)新模式，主要有以下三種。①國學(xué)案例導(dǎo)入的情景教學(xué)：通過國學(xué)案例導(dǎo)入，將《紅樓夢》中劉姥姥與賈府的關(guān)聯(lián)關(guān)系作為課程的切入點(diǎn)，引申出知識圖譜作為建模世界關(guān)聯(lián)的方法與技術(shù)，使學(xué)生更直觀地理解知識圖譜的概念，并從科研角度認(rèn)識其必要性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值；②引入編碼程序的實(shí)踐教學(xué)：在講解知識圖譜嵌入模型等內(nèi)容時(shí)，加入實(shí)際編程代碼的演示，具體展示知識圖譜嵌入模型如何實(shí)現(xiàn)知識推理，使學(xué)生不僅掌握理論方法，還能提升實(shí)際操作能力，更深入地理解知識圖譜的向量表示與運(yùn)算；③面向地學(xué)知識圖譜應(yīng)用的思政教學(xué)：通過地學(xué)知識圖譜推理案例，展示知識圖譜在智能找礦中的應(yīng)用，鼓勵(lì)學(xué)生將知識圖譜等新興技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)學(xué)科和國家亟須領(lǐng)域，提升國家信息化、數(shù)字化和智能化水平，激發(fā)學(xué)生的科研思維和愛國情懷。

3.3" 科教踐學(xué)融合，面向項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)實(shí)操實(shí)訓(xùn)

基于科教機(jī)構(gòu)的深度融合，我院積極引入了包括阿里云平臺、ECS資源、Flink集群、華為昇騰計(jì)算全棧AI基礎(chǔ)軟硬件平臺，以及中科曙光國產(chǎn)高性能計(jì)算平臺等一系列企業(yè)級平臺和資源。這些資源的引入使得我院能夠與企業(yè)項(xiàng)目緊密對接，共同建設(shè)多個(gè)產(chǎn)學(xué)合作育人基地和校企聯(lián)合實(shí)踐基地。例如，我們與企業(yè)合作建立了“校企協(xié)同的專業(yè)實(shí)踐實(shí)訓(xùn)基地”以及“阿里云專業(yè)實(shí)驗(yàn)基地”等12個(gè)產(chǎn)學(xué)合作育人基地。這些基地的建設(shè)成果被收錄為中國地質(zhì)大學(xué)70周年校慶國內(nèi)合作與協(xié)同育人成果展的典型案例。在過去五年中，已有上千名信息類專業(yè)的學(xué)生通過參與近十輪次的產(chǎn)學(xué)協(xié)作培養(yǎng)實(shí)訓(xùn)，切身體驗(yàn)了產(chǎn)業(yè)前沿技術(shù)，實(shí)踐了課堂所學(xué)，并通過努力獲得了阿里巴巴、中公教育、達(dá)內(nèi)教育等知名企業(yè)頒發(fā)的證書。這一系列的產(chǎn)學(xué)合作不僅增強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)踐能力，也為他們的職業(yè)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，進(jìn)一步體現(xiàn)了科教機(jī)構(gòu)融合對人才培養(yǎng)的重要推動(dòng)作用。

3.4" 科教團(tuán)隊(duì)融合，建立跨學(xué)科學(xué)術(shù)共同體

基于科教機(jī)構(gòu)的融合，教育機(jī)構(gòu)與科研機(jī)構(gòu)的導(dǎo)師可以形成協(xié)作團(tuán)隊(duì)，實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科、多團(tuán)隊(duì)的融合。不同學(xué)科領(lǐng)域的專家協(xié)同合作開展跨學(xué)科研究，有助于對復(fù)雜問題提出新思路和新方法，推動(dòng)學(xué)術(shù)創(chuàng)新，開辟新的知識領(lǐng)域，特別是在知識圖譜的垂直領(lǐng)域應(yīng)用中作用更為顯著。此外，由于結(jié)合了多學(xué)科的專業(yè)知識，這些團(tuán)隊(duì)可以為實(shí)際問題提供更綜合、全面的解決方案。例如，地學(xué)院專家與我院專家教師協(xié)同構(gòu)建礦產(chǎn)資源知識圖譜，通過智能預(yù)測推動(dòng)成礦理論和礦產(chǎn)預(yù)測發(fā)展。在這樣的科研團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)下，學(xué)生能跨多領(lǐng)域?qū)W習(xí)且能獲得更全面綜合的知識，成為具備多學(xué)科背景的專業(yè)人才?；诳平倘诤显圏c(diǎn)“項(xiàng)目制”“導(dǎo)師制”，在國家自然科學(xué)基金等課題項(xiàng)目實(shí)踐中，使學(xué)生圍繞科研目標(biāo)探索理論突破，從實(shí)踐教學(xué)中總結(jié)研究方法、探索研究路徑，并在國際SCI期刊上發(fā)表多篇學(xué)術(shù)論文。

4" 結(jié)語

知識圖譜課程作為人工智能及相關(guān)專業(yè)的重要專業(yè)課程之一，與自然語言處理、機(jī)器學(xué)習(xí)、知識推理等前沿技術(shù)緊密相聯(lián)。然而，目前這門課程面臨著課堂內(nèi)容時(shí)效性和實(shí)踐性不足等問題?？平倘诤显诟叩冉逃邪l(fā)揮著關(guān)鍵作用，通過引入最新的科研成果和實(shí)際項(xiàng)目，它不僅能夠增強(qiáng)課程內(nèi)容的實(shí)時(shí)性，還能強(qiáng)化課程的實(shí)踐性，從而有效應(yīng)對教學(xué)挑戰(zhàn)，并提升學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和創(chuàng)新能力。

基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（2652023063）；中國地質(zhì)大學(xué)（北京）2024年課程思政教學(xué)改革項(xiàng)目（KCSZ202404）。

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