基于知識圖譜驅(qū)動的程序類課程教育技術(shù)研究

朱嘉賢，宋向瑛

（1.肇慶學(xué)院，計算機科學(xué)與軟件學(xué)院，肇慶526061；2.中國共產(chǎn)黨廣州市海珠區(qū)委黨校，廣州510320）

0 引言

隨著高校信息化建設(shè)的不斷發(fā)展，大部分地方院校雖然在教學(xué)管理上越來越重視新技術(shù)、新模式的應(yīng)用，但其教學(xué)管理所需的配套設(shè)備與配套技術(shù)的更新相對滯后，這一現(xiàn)象導(dǎo)致地方院校與高水平院校之間的差距越顯明顯。傳統(tǒng)的教學(xué)模式主要存在以下的幾個問題：①教師的教學(xué)強度大，工作量大，教師主觀上愿意改進培養(yǎng)方式，但缺乏時間和精力對教學(xué)進行跨步式的改革，使得教學(xué)改革推進緩慢甚至是凝滯不前；②教學(xué)過程中沒有科學(xué)的行為數(shù)據(jù)分析手段和工具，難以針對學(xué)生的學(xué)習(xí)特點，進行個性化教學(xué)，教學(xué)效果不顯著，學(xué)生體驗差；③教學(xué)資源的更新和共享程度差，無法避免課程知識點的重復(fù)，從而削弱了教學(xué)團隊的協(xié)同性，使得協(xié)同培養(yǎng)模式無法開展；④缺乏精準控制和精準教學(xué)方式的實施環(huán)境和手段。上述的這些問題約束制約著教學(xué)管理大數(shù)據(jù)的實施和推廣。

1 計算機專業(yè)人才培養(yǎng)的特殊性

計算機專業(yè)中理論知識和編程實現(xiàn)是兩個不同層次的教學(xué)內(nèi)容，這是計算機專業(yè)課程體系中最為突顯的特征：作為理論體系其核心知識更新相對平緩，通過傳統(tǒng)的教學(xué)模式能達到較好的教學(xué)效果，但理論的應(yīng)用和實踐則是通過不同的程序設(shè)計平臺和運行環(huán)境呈現(xiàn)其效果，在這個過程中涉及到不同的程序設(shè)計語言、編程平臺、編程環(huán)境、運行環(huán)境和應(yīng)用場景，還涉及到學(xué)生的個人能力及個性化的學(xué)習(xí)。

針對程序類課程體系的建設(shè)，各應(yīng)用型高等院校主要采用的措施有：①以企業(yè)需求為導(dǎo)向，在程序類課程中替換、更新或修改編程語言部分的課程內(nèi)容，以培養(yǎng)學(xué)生對市場中主流設(shè)計工具或編程語言的使用能力為教學(xué)目標；②依托校企合作聯(lián)合培養(yǎng)模式，通過校企合作共建實驗室、企業(yè)課程認證、校企合作培養(yǎng)學(xué)生實踐能力、企業(yè)培訓(xùn)師進課堂等方式，在教學(xué)過程中，動態(tài)調(diào)整程序類教學(xué)內(nèi)容的同時，完成程序類課程的教學(xué)目標；③課程組專業(yè)教師根據(jù)其專業(yè)領(lǐng)域知識對課程內(nèi)容進行修訂。

大數(shù)據(jù)時代，技術(shù)的應(yīng)用場景引領(lǐng)編程語言與開發(fā)平臺朝著多樣性方向發(fā)展，使得計算機專業(yè)程序類課程體系建設(shè)的目標和內(nèi)容，學(xué)生培養(yǎng)模式和實踐能力的培養(yǎng)方向也變得無所適從，教師忙于自身學(xué)習(xí)更多于精于教學(xué)的研究。在師資團隊的建設(shè)上主要存在以下的幾個問題：①師資團隊相對不穩(wěn)定，無法按課程群模式建設(shè)使各位教師發(fā)揮各自技術(shù)特長；②程序類課程變化的多樣性使得建設(shè)中難以形成師資團隊的梯隊模式，協(xié)同教學(xué)更無法開展；③缺乏團隊協(xié)同環(huán)境的建設(shè)，團隊內(nèi)教師的相互學(xué)習(xí)、教學(xué)手段、教學(xué)方法以及教學(xué)經(jīng)驗難以形成共享模式。

在培養(yǎng)模式上，學(xué)生在不同的課程上接受不同的編程要求，鑒于師資團隊建設(shè)中缺乏一個統(tǒng)一的管理模式和梯隊模式，使得學(xué)生疲于跟進編程平臺和工具的使用，用以講述核心知識點的課時則被講述工具和平臺的使用所占用，而學(xué)生也接受著對各類程序設(shè)計語言不同的觀點，使得針對性不強，實踐能力也得不到進一步的發(fā)展。

程序類課程的教育變革隨著大數(shù)據(jù)時代的進一步發(fā)展也變得愈發(fā)緊迫。

2 大數(shù)據(jù)技術(shù)驅(qū)動計算機專業(yè)程序類課程協(xié)同教育平臺

構(gòu)建以大數(shù)據(jù)技術(shù)驅(qū)動計算機專業(yè)程序類課程協(xié)同教育平臺——一個具有理論知識圖譜[1-2]管理和精準行為分析[3-4]的協(xié)同教育環(huán)境。通過云計算平臺的應(yīng)用，以教學(xué)資源、教學(xué)過程管理、教師的教學(xué)行為、學(xué)生的學(xué)習(xí)行為、學(xué)習(xí)過程管理等作為教育大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，優(yōu)化應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式的過程管理，優(yōu)化程序類課程的教育和實訓(xùn)方式，優(yōu)化師資團隊的協(xié)同教學(xué)模式。平臺的核心能力體現(xiàn)在：

（1）以大數(shù)據(jù)技術(shù)驅(qū)動構(gòu)建基于教學(xué)行為和學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)集，以程序類課程中產(chǎn)生的行為特征數(shù)據(jù)為教育大數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)源，研究大數(shù)據(jù)在高校各類課程教學(xué)管理中的運用提供參考。有利于培養(yǎng)基于課程群的大數(shù)據(jù)思維，做到宏觀與微觀相結(jié)合，即時、全面、客觀記錄教育管理大數(shù)據(jù)，預(yù)測、分析教育管理規(guī)律，對“高校如何充分利用智慧技術(shù)，更好地堅持‘以人為本’的原則，服務(wù)教師發(fā)展、服務(wù)學(xué)生個性化學(xué)習(xí)、服務(wù)過程化評價”等，為精準教學(xué)和精準學(xué)習(xí)提供支撐環(huán)境。

（2）以大數(shù)據(jù)技術(shù)推進程序類課程群的兩段式教學(xué)模式的開展，適應(yīng)市場對專業(yè)知識與技能能力需求的動態(tài)變化。計算機專業(yè)課程體系中最為突顯的特征是——專業(yè)課程中理論知識體系和編程實現(xiàn)是兩個不同層次的教學(xué)內(nèi)容，前者是基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)，后者是具體編程的實現(xiàn)。第一段的理論教學(xué)中，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，通過本體、Web語義方式描述非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)——課程理論知識體系中眾多的知識點，通過課程中核心理論知識表示與建模，建立核心理論知識關(guān)系圖譜，為知識存儲、知識推理、語義搜索、知識問答和課程知識圖譜應(yīng)用提供支撐；第二段的實踐教學(xué)中，利用云虛擬平臺，為學(xué)生提供各類編程環(huán)境，按需按個性配置運行環(huán)境，使得理論知識的實驗驗證不再局限于某一編程模式，也有利于學(xué)生的自主按需個性化發(fā)展，教師只著重于驗證結(jié)果的檢查，而不必關(guān)心其實現(xiàn)過程。

（3）應(yīng)用大數(shù)據(jù)平臺搭建微課教學(xué)資源及其云資源共享平臺。在大數(shù)據(jù)及云計算技術(shù)的支持下，大量的教學(xué)資源應(yīng)被充分共享及分享，讓教師、學(xué)生充分利用各類教學(xué)資源進行教學(xué)和學(xué)習(xí)是大勢所趨。搭建微課教學(xué)資源及其云資源共享平臺為教學(xué)、學(xué)習(xí)提供更廣的渠道和模式打下良好的資源基礎(chǔ)，也可為學(xué)校教學(xué)管理中提出新的教學(xué)模式及教學(xué)資源應(yīng)用模式提供示范作用。

（4）新工科需求環(huán)境下，融合校企合作的基于物聯(lián)大數(shù)據(jù)應(yīng)用實際項目研發(fā)產(chǎn)教一體的協(xié)同創(chuàng)新平臺。新工科需求環(huán)境下，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級發(fā)展，對應(yīng)用型、雙創(chuàng)型人才培養(yǎng)提出了新的要求，也帶來了的新機遇與新模式，產(chǎn)業(yè)發(fā)展中尤其急需互聯(lián)網(wǎng)人才和智能制造人才育成支援。本項目提出科研、研發(fā)與實訓(xùn)全方位的科研促教促實訓(xùn)的模式，一方面以教師在大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)科學(xué)上的研究為基礎(chǔ)，提升高校教師的科研能力，另一方面平臺內(nèi)學(xué)生用戶產(chǎn)業(yè)技能水平的提高，更高效地為產(chǎn)業(yè)輸送高質(zhì)量的人才，從而促進產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，最終為多（跨）學(xué)科、面向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用復(fù)合型科技人才的培養(yǎng)和協(xié)同生產(chǎn)提供服務(wù)。

3 圖譜架構(gòu)及其規(guī)范形式化描述模型研究

3.1 構(gòu)建知識圖譜

以知識圖譜的相關(guān)研究理論作為課程群教育技術(shù)創(chuàng)新平臺的核心支撐，以專業(yè)教育作為應(yīng)用場景，構(gòu)建一個以學(xué)科（以程序類課程）知識點圖譜架構(gòu)為基礎(chǔ)，形成基于學(xué)科知識點復(fù)雜性網(wǎng)絡(luò)邏輯結(jié)構(gòu)，應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析、大數(shù)據(jù)存儲、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，形成管理者、教師、學(xué)生等多方協(xié)同的教育環(huán)境。構(gòu)建基于程序類課程的核心理論與專業(yè)技能的知識圖譜架構(gòu)，實現(xiàn)教學(xué)知識（包括理論教學(xué)和實踐訓(xùn)練）以知識圖譜的形式進行表達。

在教育領(lǐng)域，知識大數(shù)據(jù)的不斷產(chǎn)生對傳統(tǒng)教學(xué)方法和教育技術(shù)形成了嚴峻挑戰(zhàn)。由上述的分析可知程序類課程教學(xué)在知識大數(shù)據(jù)環(huán)境下存在的不協(xié)調(diào)、不適應(yīng)和資源共享性問題，引入基于知識圖譜梳理專業(yè)知識的課程教育技術(shù)的解決方式，有利于優(yōu)化教育資源（知識結(jié)構(gòu)、教學(xué)資源、教師等）的配置，又有利于教學(xué)過程的管理。

知識圖譜本質(zhì)是一個語義網(wǎng)，是數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域的重要工具[2，5-6]。知識圖譜是一種結(jié)構(gòu)化的知識庫，采用“實體－關(guān)系－實體”的三元組形式將領(lǐng)域知識構(gòu)建成一個網(wǎng)狀的知識結(jié)構(gòu)——具有關(guān)聯(lián)性的知識集合，常被用來泛指大規(guī)模的知識庫，可直觀形象地展示學(xué)科的知識脈絡(luò)信息。在教學(xué)領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)稱為知識大數(shù)據(jù)，其具有學(xué)習(xí)資源規(guī)模巨大、形式多樣、更新快速等特點。構(gòu)建知識圖譜并管理其架構(gòu)，能更好地為程序類課程的教學(xué)管理服務(wù)，通過引入知識圖譜技術(shù)，以各相關(guān)課程的數(shù)字媒體期刊文獻、以教材信息資源、以課程的教學(xué)大綱、以企業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)等為數(shù)據(jù)源，梳理程序類課程領(lǐng)域知識和專業(yè)技能的內(nèi)在關(guān)系，并用以指導(dǎo)課程教學(xué)的實施，實現(xiàn)一種創(chuàng)新式的教育技術(shù)變革。

以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標，構(gòu)建基于程序類課程的核心理論與專業(yè)技能的知識圖譜架構(gòu)的主要工作為：

（1）課程教師以課程信息、教材信息、教學(xué)大綱以及教學(xué)資源等本地資源為主要數(shù)據(jù)源，輔以課程核心文獻庫（知網(wǎng)、Wiki、百度等）通過語義分析工具對資源描述庫進行語義分析后，進行關(guān)鍵詞提取，構(gòu)建基于結(jié)構(gòu)化的語義描述模型和知識圖譜。

（2）企業(yè)HR、企業(yè)導(dǎo)師等以市場的職業(yè)技能需求信息、公司職業(yè)技能信息、職業(yè)規(guī)劃信息、百度等作為主要數(shù)據(jù)源，通過語義工具建立網(wǎng)路關(guān)鍵節(jié)點并進行語義描述，構(gòu)建基于專業(yè)技能語義描述模型和知識圖譜。

（3）構(gòu)建課程知識點與專業(yè)技能在知識圖譜中的語義映射引擎。

構(gòu)建語義描述模型（對課程知識點和專業(yè)技能進行結(jié)構(gòu)化描述）和知識圖譜的整體邏輯架構(gòu)和基本邏輯過程如圖1所示。

圖1 知識圖譜整體邏輯架構(gòu)及應(yīng)用邏輯示意圖

其主要組成部分有：

（1）語義工具組件：數(shù)據(jù)源通過語義工具組件接口實現(xiàn)理論知識節(jié)點、專業(yè)技能節(jié)點、職業(yè)技能節(jié)點等規(guī)范化的語義形式化描述。

（2）知識節(jié)點映射引擎：將規(guī)范結(jié)構(gòu)化的理論知識節(jié)點、專業(yè)技能節(jié)點、職業(yè)技能節(jié)點通過知識節(jié)點映射引擎與知識圖譜進行映射處理，實現(xiàn)在知識圖譜中的可視化管理和存儲。

（3）團隊教師成員分析、編制完成程序類課程中的知識節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系圖。

3.2 基于知識圖譜的精準畫像

通過大數(shù)據(jù)技術(shù)采集教師教學(xué)過程中的教學(xué)行為、學(xué)生學(xué)習(xí)過程的學(xué)習(xí)行為記錄數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)分析和特征工程技術(shù)，勾畫教師、學(xué)生的精準畫像，為促進精細化、精準化和智能化的教與學(xué)提供數(shù)據(jù)支持。該研發(fā)工作按進度逐步實施，目前階段主要完成教學(xué)行為、學(xué)生行為的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析的工作，形成教師與學(xué)生的精準畫像。

以學(xué)習(xí)者、教師以及課程為中心，分析學(xué)習(xí)過程、學(xué)習(xí)效果、以及教學(xué)效果等方面的記錄、行為和特征數(shù)據(jù)的分析，并通過圖形方式呈現(xiàn)其分析結(jié)果。智慧評價可以讓用戶直觀地看見其學(xué)習(xí)或教學(xué)過程中呈現(xiàn)出的問題，以便更好地指導(dǎo)其學(xué)習(xí)或教學(xué)。利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，主要包括以下幾個類別對學(xué)習(xí)過程進行數(shù)據(jù)分析：（對學(xué)習(xí)者）分析學(xué)習(xí)者在線時間的分布，在線學(xué)習(xí)過程中對知識點所消耗的時間，對課程的參與程度，通過測試的能力等方面的數(shù)據(jù)的分析；（對教師）分析其開設(shè)的課程各類學(xué)生的分布，學(xué)生在課程上參與的程度，學(xué)生線上學(xué)習(xí)時間的分布及統(tǒng)計，教學(xué)進度的執(zhí)行等數(shù)據(jù)的分析；（對課程）分析學(xué)習(xí)這門課程中學(xué)生在線學(xué)習(xí)時間的分布，參與學(xué)習(xí)的積極度，學(xué)生在各課程知識點中的耗費時間，學(xué)生對知識點的關(guān)注度等數(shù)據(jù)的分析。

4 基于知識圖譜的協(xié)同教育及服務(wù)平臺

應(yīng)用知識圖譜及其架構(gòu)的管理，市場對人才技能的需求能迅速、動態(tài)地反映到學(xué)科知識圖譜和專業(yè)技能能力圖譜架構(gòu)中相應(yīng)的節(jié)點（復(fù)雜性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中每個節(jié)點代表學(xué)科上的一個知識點和技能能力點）上，專業(yè)教育過程中能動態(tài)調(diào)整學(xué)生知識和技能學(xué)習(xí)鏈，以適應(yīng)市場對領(lǐng)域知識需求的動態(tài)變化。

知識圖譜及專業(yè)技能學(xué)習(xí)鏈的調(diào)整過程中，團隊教師只需維護及更新自己研究、講授的課程體系中的某一課程，甚至是某些核心知識點，工作量少，且是團隊教師各自自己所研究的領(lǐng)域，對其教學(xué)和科研都有促進作用，也實現(xiàn)了資源的最大化共享。專業(yè)技能學(xué)習(xí)鏈的構(gòu)建及市場需求與專業(yè)技能學(xué)習(xí)的動態(tài)聯(lián)動式人才培養(yǎng)管理模式及子平臺邏輯結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 專業(yè)技能學(xué)習(xí)的動態(tài)聯(lián)動式人才培養(yǎng)管理模式臺邏輯及子平結(jié)構(gòu)示意圖

將理論知識節(jié)點、專業(yè)技能節(jié)點、職業(yè)技能節(jié)點等規(guī)范化的語義形式化描述分別構(gòu)建為關(guān)鍵節(jié)點，形成多維度的專業(yè)技能學(xué)習(xí)的動態(tài)聯(lián)動式人才培養(yǎng)教學(xué)關(guān)系圖，其三個坐標軸分別為：課程細目列表，知識點及專業(yè)技能節(jié)點，專業(yè)方向結(jié)構(gòu)分類，最后由各課程中涵蓋的知識點節(jié)點、專業(yè)技能節(jié)點參照專業(yè)培養(yǎng)、職業(yè)崗位技能等需求，動態(tài)構(gòu)建出理論知識及技能（教學(xué)）方向鏈，以適應(yīng)技術(shù)變更的動態(tài)變化。服務(wù)平臺中主要包括：

（1）三維度專業(yè)技能學(xué)習(xí)鏈結(jié)構(gòu)模型的結(jié)構(gòu)定義、設(shè)計及存儲實現(xiàn)，設(shè)計實現(xiàn)相關(guān)的管理組件及數(shù)據(jù)接口。

（2）知識庫的結(jié)構(gòu)定義、設(shè)計、存儲的實現(xiàn)，及其管理子平臺的設(shè)計與實現(xiàn)。

（3）知識庫與課程核心理論及專業(yè)技能知識圖譜的節(jié)點映射管理接口，以及基于知識庫和學(xué)習(xí)鏈應(yīng)用的教育技術(shù)應(yīng)用平臺的設(shè)計與實現(xiàn)。

應(yīng)用各課程的前期建設(shè)的研發(fā)成果，構(gòu)建集教學(xué)文件、學(xué)習(xí)資源、試題庫資源、導(dǎo)學(xué)和測試為一體的優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)資源混合教學(xué)平臺，與知識庫管理平臺想對接，并利用大量的教學(xué)資源，形成一個開放性的、動態(tài)的、交互的教學(xué)環(huán)境；將大量的細粒度資源整合成一種共享式的云教學(xué)資源，可以提高教學(xué)資源的利用率和資源使用的方便性?；诔绦蝾愓n程資源，搭建基于細粒度教學(xué)資源的云存儲及管理平臺，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，結(jié)合虛擬桌面技術(shù)，讓學(xué)生更方便地學(xué)習(xí)，進一步實現(xiàn)自主學(xué)習(xí)，提高教學(xué)效果；也讓教師通過微課充分體現(xiàn)對教學(xué)內(nèi)容、分類教學(xué)思想的準確把握，針對各種知識點、各類專業(yè)需求、不同層次的學(xué)習(xí)者，制作出針對有針對性的微課——對應(yīng)知識圖譜中的一個關(guān)鍵節(jié)點。在課程的教學(xué)實踐中采集各種學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)，促進課程教學(xué)的進一步發(fā)展。

5 結(jié)語

在新工科教育技術(shù)的變革和創(chuàng)新發(fā)展的推動下，為解決市場對專業(yè)知識與技能能力需求的動態(tài)變化，本文提出：①應(yīng)用復(fù)雜性網(wǎng)絡(luò)理論和形式化理論研究構(gòu)建兩類圖譜架構(gòu)——學(xué)科知識圖譜架構(gòu)和專業(yè)技能實踐能力考核點圖譜架構(gòu)，形成基于程序類課程的學(xué)科知識圖譜架構(gòu)和專業(yè)技能實踐能力考核點圖譜架構(gòu)的規(guī)范形式化描述模型（創(chuàng)新平臺的理論支撐）；②應(yīng)用學(xué)科知識圖譜，通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)構(gòu)建研究教師與學(xué)生的精準畫像，為促進精細化、精準化和智能化的教與學(xué)提供數(shù)據(jù)支持；③研究市場需求與專業(yè)技能學(xué)習(xí)的動態(tài)聯(lián)動式人才培養(yǎng)創(chuàng)新教育模式，結(jié)合學(xué)科知識圖譜的應(yīng)用，在專業(yè)教育過程中動態(tài)調(diào)整學(xué)生知識和技能學(xué)習(xí)鏈，以適應(yīng)市場對領(lǐng)域知識需求的動態(tài)變化；最終將構(gòu)建大數(shù)據(jù)技術(shù)驅(qū)動的程序類課程教育技術(shù)創(chuàng)新平臺——一個具有理論知識圖譜管理和精準行為分析的協(xié)同教育創(chuàng)新服務(wù)平臺。