基于Neo4j的高校信息技術課程知識圖譜構建及應用研究

摘要：本文介紹了高校信息技術課程知識圖譜構建的背景和意義，描述了知識圖譜技術在課程教學與學習中的重要作用，并運用計算機技術設計開發(fā)知識圖譜系統(tǒng)，詳細闡述了課程知識圖譜構建過程。通過開展課程教學研究發(fā)現(xiàn)，知識圖譜系統(tǒng)的應用能夠激發(fā)學生學習的積極性，使學生對課程知識掌握更加全面，進而有效提升學生學習效率。

關鍵詞：信息技術；知識圖譜；構建；應用研究

中圖分類號：G434"文獻標識碼：A"論文編號：1674-2117（2025）02-0089-04

引言

“信息技術”是高校的一門公共基礎課程，學生在高中階段已經(jīng)學習了計算機基礎及相關知識，對其有了初步了解。但是不同地區(qū)、學校對學生的學習要求存在一定的差異，導致學生對計算機基礎知識掌握程度也不一樣。在進入高校后，統(tǒng)一的學習模式容易忽視學生個體發(fā)展的學習需求，導致學生知識構建能力不足，因此，教師需要考慮在課程教學中采用多種教學方式來滿足學生差異化學習需求，這無形中增加了教師教學的難度。

完善的課程知識體系結構能夠讓學生對課程知識有更加深入、全面的認識，便于學生對所學習知識進行靈活運用，提高學習效率。知識圖譜（knowledgegraph，KG）作為知識表示模型，是一種以實體和關系為基礎的圖形數(shù)據(jù)庫，能夠表示實體之間的關系，并提供有關實體的信息，具有強大的推理能力。[1]該技術通過圖形形象化的方式將知識展示出來[2]，其本質是一種揭示實體與實體之間關系的語義網(wǎng)絡，可以幫助計算機理解和處理人類語言。實體可以是現(xiàn)實世界中的人、物、地點等，而關系則是它們之間的聯(lián)系，知識圖譜通過關系將實體進行連接，最終以圖形化的方式呈現(xiàn)出來。在教育領域中，知識圖譜能夠有效地規(guī)范課程知識結構，使學生對課程知識脈絡的理解具有系統(tǒng)性、科學性，對學生學習具有一定的促進作用。

為此，筆者以《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》、高校各專業(yè)人才培養(yǎng)方案、課程教材等為數(shù)據(jù)源，結合通過問卷調(diào)查、訪談等方式了解到的學生在今后就業(yè)中單位對工作崗位所具備的信息技術技能的需求，并基于PyCharm開發(fā)工具，利用Neo4j圖數(shù)據(jù)庫和Python程序設計語言等構建了信息技術課程的知識圖譜，設計了知識圖譜可視化系統(tǒng)，以期能夠促進學生對信息技術課程知識的深度理解及應用，讓學生清晰地認識到課程知識的學習在其專業(yè)發(fā)展、職業(yè)發(fā)展中的重要性，促進學生進行更有效的課程知識學習。

知識圖譜技術在教育中的應用

國內(nèi)關于知識圖譜在課程教學中的研究與實踐已經(jīng)取得了一定的進展，該技術在教育領域中已經(jīng)開始廣泛應用[3]，其研究熱點主要集中在專業(yè)發(fā)展、專業(yè)課程教學等領域。郎亞坤等人[4]提到現(xiàn)有的知識圖譜更多的是在不同學科之間的應用，而對單一的課程分析與應用目前研究不足。王琛琛等人[5]提到，課程知識圖譜與問答系統(tǒng)相結合，能夠及時了解學生對知識的掌握情況，在課程教學中能有效提高學生學習的積極性。謝云霏等人[6]提到知識圖譜的構建能夠讓學生快捷、方便地從知識圖譜中獲取知識。課程知識圖譜的應用能夠有效節(jié)約時間，實現(xiàn)問題準確定位。趙凱等人[7]提到知識圖譜具有較好的實現(xiàn)關系的方式，能夠讓學生通過關系，全面了解領域知識并分析問題，找到解決問題的辦法。在目前的研究中，領域知識圖譜尚處于探索階段。但實踐證實，利用知識圖譜技術，能夠幫助學生更加直觀地了解課程知識、專業(yè)知識等，從而更全面地了解自己所需要掌握的知識內(nèi)容，便于構建完整的知識體系結構。[8]因而，在課程教學與實踐中，教師可以引導學生通過即時互動的方式從知識圖譜中獲取知識，從而優(yōu)化知識體系結構，同時有針對性地展開教學，促進學生深度學習，提升教學效率。

基于Neo4j的信息技術課程知識圖譜的構建及應用

信息技術課程有完善的知識體系結構，在知識圖譜構建過程中可以選擇自頂向下的方式進行圖譜構建。筆者對課程內(nèi)容知識進行了抽取，并確定了實體以及實體與實體之間的關聯(lián)關系，具體構建過程如圖1所示。

1.相關技術應用

Neo4j是使用Java語言開發(fā)的、開源的、基于圖的數(shù)據(jù)庫，它通過網(wǎng)絡來存儲結構化數(shù)據(jù)，在面對大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲時具有較好的效果。在Neo4j中可以運用Cypher語言或者Py2neo實現(xiàn)知識圖譜的構建。

使用Cypher語言創(chuàng)建節(jié)點的語法如圖2所示。

使用Py2neo工具包，利用Python語言進行知識圖譜構建，其構建的語法如圖3所示。

2.課程知識圖譜構建

知識圖譜三元組表示方法為“實體-屬性-值”或者“實體-關系-實體”。例如，在課程知識中，以文檔處理和電子表格部分函數(shù)為基礎構建常用函數(shù)知識圖譜。文檔處理中的常用函數(shù)有MAX、MIN、SUM、AVERAGE、IF、COUNT，電子表格中的常用函數(shù)有IF、MAX、MIN、SUM、VLOOKUP、SUMIF、COUNTIF、AVERAGE、COUNT、RANK等，其中函數(shù)IF、COUNT、MAX、MIN、SUM、AVERAGE不僅在文檔處理中學習基本原理和使用方法，在電子表格中也學習基本原理和使用方法。圖4即是結合實際學習需求，構建文檔處理和電子表格部分常用函數(shù)的知識圖譜。通過知識圖譜的構建能夠讓學生清晰地認識到文檔處理中的常用函數(shù)在電子表格中也是常用函數(shù)，通過它們之間的關系讓學生認識到函數(shù)在課程學習中的應用情況，便于學生對課程有整體的認識，進而提高課程學習的效率，同時也方便教師進行課程教學，建立知識之間的前后關聯(lián)。同時，可以利用PyCharm開發(fā)工具建設課程知識問答系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)自動回答問題，這樣學生就能夠及時掌握不理解或理解不全面的知識內(nèi)容。

3.知識圖譜在教學中應用

信息技術課程的知識點較多，但關聯(lián)性不足，不利于學生系統(tǒng)掌握課程內(nèi)容。除此之外，由于每個班級的學生都較多，教師難以在較短時間內(nèi)對每位學生的學習情況進行有效跟進，而利用知識圖譜技術能夠方便學生自主學習，科學地掌握知識內(nèi)容。[9]同時，通過數(shù)據(jù)監(jiān)測分析學生學習情況，對培養(yǎng)學生的信息意識、計算思維、數(shù)字化創(chuàng)新與發(fā)展、信息社會責任提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。

為保證實驗順利開展，確保實驗方法的準確性、有效性，筆者以平行班310名學生所學習的公共基礎課程信息技術課程為例，開展實驗驗證。在實驗中，選取1、2、3三個班級共156名學生為實驗組，選取4、5、6三個班級的學生共154名學生為對照組。

在課程教學中，運用多媒體機房，實驗組班級的學生在課程學習中運用基于Neo4j的課程知識圖譜開展課程學習，在遇到困難后利用知識圖譜問答系統(tǒng)進行知識查閱，保證學習的互動性。教師通過獲取的數(shù)據(jù)了解學生在學習方面存在的困難，針對班級學生的學習情況制訂個性化的教學方案。對照組班級的學生使用傳統(tǒng)的方法進行課前學習、課中學習與課后學習。

在學習內(nèi)容完成后筆者進行了課堂測驗。從整體成績來看（如上頁圖5），實驗組三個班級學生的學習效果較好，在較長的學習時間內(nèi)成績保持較好的水平，表明該種方式的學習具有一定的效果。在課后與學生的交談或者問卷調(diào)查中了解到，學生在學習遇到困難的時候會主動進行知識探索，充分利用課程知識圖譜較好地完成學習任務，完整的課程知識圖譜讓學生對課程內(nèi)容有較為全面的認識。對照組三個班級的學生學習效果欠佳，積極性不高。在課后的交談或者問卷調(diào)查中了解到，學生正常聽課學習，但是在學習中遇到困難沒有嘗試努力解決或者在解決問題時會遇到新的困難，對單個知識點掌握較好，但是無法將所學習的知識綜合運用，從而導致學習效果一般，降低了學習積極性。

通過對此次實驗結果進行分析，筆者得出，在課程教學中運用知識圖譜技術能夠更方便學生與系統(tǒng)進行互動，學生在遇到不懂的問題時能及時查閱資料，調(diào)整學習策略，借助知識圖譜找到解決難題的方法，從而促進學生深度學習。

結語

知識圖譜能夠有效提升學生的學習效率，讓學生對知識點有更加全面的認識、了解，方便學生學習課程，同時也方便教師開展課程教學。通過在系統(tǒng)中獲取的學生數(shù)據(jù)信息，教師能夠在教學中快速了解學生的學習效果，以便于進行個性化學習指導，從而提高學習效率。該技術的應用進一步完善了信息技術課程學習體系的構建，提升了課程的創(chuàng)新性[10]，從而有效提升學生學習效率以及教師的教學效率。

參考文獻：

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[9]吳佳儂.基于知識圖譜的高中信息技術課程教學輔助系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].北京：中央民族大學，2023.

[10]楊文霞，王衛(wèi)華，何朗，等.知識圖譜賦能智慧教育的研究與實踐[J].高等工程教育研究，2023（06）：111-117.

第一作者簡介：張迪（1990—），男，碩士，講師、工程師，研究方向為知識圖譜、計算機教育、數(shù)據(jù)治理等。通訊作者簡介：吳銀芳（1983—），女，碩士，副教授，研究方向為計算機教育等。

基金項目：江蘇護理職業(yè)學院2024年教育科學研究課題（項目編號：GJY2024YB18）；2023年江蘇省高等教育教改研究課題“促進深度學習的高職智慧課堂構建及應用研究”（項目編號：2023JSJG633）；全國高等院校計算機基礎教育研究會計算機基礎教育教學研究項目（項目編號：2023-AFCEC-308）。