基于知識圖譜驅動的程序類課程教育技術研究

朱嘉賢，宋向瑛

（1.肇慶學院，計算機科學與軟件學院，肇慶526061；2.中國共產黨廣州市海珠區委黨校，廣州510320）

0 引言

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

1 計算機專業人才培養的特殊性

計算機專業中理論知識和編程實現是兩個不同層次的教學內容，這是計算機專業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，通過傳統的教學模式能達到較好的教學效果，但理論的應用和實踐則是通過不同的程序設計平臺和運行環境呈現其效果，在這個過程中涉及到不同的程序設計語言、編程平臺、編程環境、運行環境和應用場景，還涉及到學生的個人能力及個性化的學習。

針對程序類課程體系的建設，各應用型高等院校主要采用的措施有：①以企業需求為導向，在程序類課程中替換、更新或修改編程語言部分的課程內容，以培養學生對市場中主流設計工具或編程語言的使用能力為教學目標；②依托校企合作聯合培養模式，通過校企合作共建實驗室、企業課程認證、校企合作培養學生實踐能力、企業培訓師進課堂等方式，在教學過程中，動態調整程序類教學內容的同時，完成程序類課程的教學目標；③課程組專業教師根據其專業領域知識對課程內容進行修訂。

大數據時代，技術的應用場景引領編程語言與開發平臺朝著多樣性方向發展，使得計算機專業程序類課程體系建設的目標和內容，學生培養模式和實踐能力的培養方向也變得無所適從，教師忙于自身學習更多于精于教學的研究。在師資團隊的建設上主要存在以下的幾個問題：①師資團隊相對不穩定，無法按課程群模式建設使各位教師發揮各自技術特長；②程序類課程變化的多樣性使得建設中難以形成師資團隊的梯隊模式，協同教學更無法開展；③缺乏團隊協同環境的建設，團隊內教師的相互學習、教學手段、教學方法以及教學經驗難以形成共享模式。

在培養模式上，學生在不同的課程上接受不同的編程要求，鑒于師資團隊建設中缺乏一個統一的管理模式和梯隊模式，使得學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，而學生也接受著對各類程序設計語言不同的觀點，使得針對性不強，實踐能力也得不到進一步的發展。

程序類課程的教育變革隨著大數據時代的進一步發展也變得愈發緊迫。

2 大數據技術驅動計算機專業程序類課程協同教育平臺

構建以大數據技術驅動計算機專業程序類課程協同教育平臺——一個具有理論知識圖譜[1-2]管理和精準行為分析[3-4]的協同教育環境。通過云計算平臺的應用，以教學資源、教學過程管理、教師的教學行為、學生的學習行為、學習過程管理等作為教育大數據的基礎數據，優化應用型人才培養模式的過程管理，優化程序類課程的教育和實訓方式，優化師資團隊的協同教學模式。平臺的核心能力體現在：

（1）以大數據技術驅動構建基于教學行為和學習行為數據集，以程序類課程中產生的行為特征數據為教育大數據提供數據源，研究大數據在高校各類課程教學管理中的運用提供參考。有利于培養基于課程群的大數據思維，做到宏觀與微觀相結合，即時、全面、客觀記錄教育管理大數據，預測、分析教育管理規律，對“高校如何充分利用智慧技術，更好地堅持‘以人為本’的原則，服務教師發展、服務學生個性化學習、服務過程化評價”等，為精準教學和精準學習提供支撐環境。

（2）以大數據技術推進程序類課程群的兩段式教學模式的開展，適應市場對專業知識與技能能力需求的動態變化。計算機專業課程體系中最為突顯的特征是——專業課程中理論知識體系和編程實現是兩個不同層次的教學內容，前者是基礎理論的學習，后者是具體編程的實現。第一段的理論教學中，利用大數據技術，通過本體、Web語義方式描述非結構化數據——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用提供支撐；第二段的實踐教學中，利用云虛擬平臺，為學生提供各類編程環境，按需按個性配置運行環境，使得理論知識的實驗驗證不再局限于某一編程模式，也有利于學生的自主按需個性化發展，教師只著重于驗證結果的檢查，而不必關心其實現過程。

（3）應用大數據平臺搭建微課教學資源及其云資源共享平臺。在大數據及云計算技術的支持下，大量的教學資源應被充分共享及分享，讓教師、學生充分利用各類教學資源進行教學和學習是大勢所趨。搭建微課教學資源及其云資源共享平臺為教學、學習提供更廣的渠道和模式打下良好的資源基礎，也可為學校教學管理中提出新的教學模式及教學資源應用模式提供示范作用。

（4）新工科需求環境下，融合校企合作的基于物聯大數據應用實際項目研發產教一體的協同創新平臺。新工科需求環境下，產業結構轉型升級發展，對應用型、雙創型人才培養提出了新的要求，也帶來了的新機遇與新模式，產業發展中尤其急需互聯網人才和智能制造人才育成支援。本項目提出科研、研發與實訓全方位的科研促教促實訓的模式，一方面以教師在大數據、物聯網科學上的研究為基礎，提升高校教師的科研能力，另一方面平臺內學生用戶產業技能水平的提高，更高效地為產業輸送高質量的人才，從而促進產業的快速發展，最終為多（跨）學科、面向產業應用復合型科技人才的培養和協同生產提供服務。

3 圖譜架構及其規范形式化描述模型研究

3.1 構建知識圖譜

以知識圖譜的相關研究理論作為課程群教育技術創新平臺的核心支撐，以專業教育作為應用場景，構建一個以學科（以程序類課程）知識點圖譜架構為基礎，形成基于學科知識點復雜性網絡邏輯結構，應用大數據分析、大數據存儲、大數據處理技術，形成管理者、教師、學生等多方協同的教育環境。構建基于程序類課程的核心理論與專業技能的知識圖譜架構，實現教學知識（包括理論教學和實踐訓練）以知識圖譜的形式進行表達。

在教育領域，知識大數據的不斷產生對傳統教學方法和教育技術形成了嚴峻挑戰。由上述的分析可知程序類課程教學在知識大數據環境下存在的不協調、不適應和資源共享性問題，引入基于知識圖譜梳理專業知識的課程教育技術的解決方式，有利于優化教育資源（知識結構、教學資源、教師等）的配置，又有利于教學過程的管理。

知識圖譜本質是一個語義網，是數據挖掘領域的重要工具[2，5-6]。知識圖譜是一種結構化的知識庫，采用“實體－關系－實體”的三元組形式將領域知識構建成一個網狀的知識結構——具有關聯性的知識集合，常被用來泛指大規模的知識庫，可直觀形象地展示學科的知識脈絡信息。在教學領域的大數據稱為知識大數據，其具有學習資源規模巨大、形式多樣、更新快速等特點。構建知識圖譜并管理其架構，能更好地為程序類課程的教學管理服務，通過引入知識圖譜技術，以各相關課程的數字媒體期刊文獻、以教材信息資源、以課程的教學大綱、以企業調查數據等為數據源，梳理程序類課程領域知識和專業技能的內在關系，并用以指導課程教學的實施，實現一種創新式的教育技術變革。

以培養應用型人才為目標，構建基于程序類課程的核心理論與專業技能的知識圖譜架構的主要工作為：

（1）課程教師以課程信息、教材信息、教學大綱以及教學資源等本地資源為主要數據源，輔以課程核心文獻庫（知網、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，進行關鍵詞提取，構建基于結構化的語義描述模型和知識圖譜。

（2）企業HR、企業導師等以市場的職業技能需求信息、公司職業技能信息、職業規劃信息、百度等作為主要數據源，通過語義工具建立網路關鍵節點并進行語義描述，構建基于專業技能語義描述模型和知識圖譜。

（3）構建課程知識點與專業技能在知識圖譜中的語義映射引擎。

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

圖1 知識圖譜整體邏輯架構及應用邏輯示意圖

其主要組成部分有：

（1）語義工具組件：數據源通過語義工具組件接口實現理論知識節點、專業技能節點、職業技能節點等規范化的語義形式化描述。

（2）知識節點映射引擎：將規范結構化的理論知識節點、專業技能節點、職業技能節點通過知識節點映射引擎與知識圖譜進行映射處理，實現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點的網絡關系圖。

3.2 基于知識圖譜的精準畫像

通過大數據技術采集教師教學過程中的教學行為、學生學習過程的學習行為記錄數據，利用大數據分析和特征工程技術，勾畫教師、學生的精準畫像，為促進精細化、精準化和智能化的教與學提供數據支持。該研發工作按進度逐步實施，目前階段主要完成教學行為、學生行為的數據采集和數據分析的工作，形成教師與學生的精準畫像。

以學習者、教師以及課程為中心，分析學習過程、學習效果、以及教學效果等方面的記錄、行為和特征數據的分析，并通過圖形方式呈現其分析結果。智慧評價可以讓用戶直觀地看見其學習或教學過程中呈現出的問題，以便更好地指導其學習或教學。利用大數據分析技術，主要包括以下幾個類別對學習過程進行數據分析：（對學習者）分析學習者在線時間的分布，在線學習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據的分析；（對教師）分析其開設的課程各類學生的分布，學生在課程上參與的程度，學生線上學習時間的分布及統計，教學進度的執行等數據的分析；（對課程）分析學習這門課程中學生在線學習時間的分布，參與學習的積極度，學生在各課程知識點中的耗費時間，學生對知識點的關注度等數據的分析。

4 基于知識圖譜的協同教育及服務平臺

應用知識圖譜及其架構的管理，市場對人才技能的需求能迅速、動態地反映到學科知識圖譜和專業技能能力圖譜架構中相應的節點（復雜性網絡結構中每個節點代表學科上的一個知識點和技能能力點）上，專業教育過程中能動態調整學生知識和技能學習鏈，以適應市場對領域知識需求的動態變化。

知識圖譜及專業技能學習鏈的調整過程中，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域，對其教學和科研都有促進作用，也實現了資源的最大化共享。專業技能學習鏈的構建及市場需求與專業技能學習的動態聯動式人才培養管理模式及子平臺邏輯結構示意圖如圖2所示。

圖2 專業技能學習的動態聯動式人才培養管理模式臺邏輯及子平結構示意圖

將理論知識節點、專業技能節點、職業技能節點等規范化的語義形式化描述分別構建為關鍵節點，形成多維度的專業技能學習的動態聯動式人才培養教學關系圖，其三個坐標軸分別為：課程細目列表，知識點及專業技能節點，專業方向結構分類，最后由各課程中涵蓋的知識點節點、專業技能節點參照專業培養、職業崗位技能等需求，動態構建出理論知識及技能（教學）方向鏈，以適應技術變更的動態變化。服務平臺中主要包括：

（1）三維度專業技能學習鏈結構模型的結構定義、設計及存儲實現，設計實現相關的管理組件及數據接口。

（2）知識庫的結構定義、設計、存儲的實現，及其管理子平臺的設計與實現。

（3）知識庫與課程核心理論及專業技能知識圖譜的節點映射管理接口，以及基于知識庫和學習鏈應用的教育技術應用平臺的設計與實現。

應用各課程的前期建設的研發成果，構建集教學文件、學習資源、試題庫資源、導學和測試為一體的優質網絡資源混合教學平臺，與知識庫管理平臺想對接，并利用大量的教學資源，形成一個開放性的、動態的、交互的教學環境；將大量的細粒度資源整合成一種共享式的云教學資源，可以提高教學資源的利用率和資源使用的方便性。基于程序類課程資源，搭建基于細粒度教學資源的云存儲及管理平臺，利用網絡技術，結合虛擬桌面技術，讓學生更方便地學習，進一步實現自主學習，提高教學效果；也讓教師通過微課充分體現對教學內容、分類教學思想的準確把握，針對各種知識點、各類專業需求、不同層次的學習者，制作出針對有針對性的微課——對應知識圖譜中的一個關鍵節點。在課程的教學實踐中采集各種學習行為數據，促進課程教學的進一步發展。

5 結語

在新工科教育技術的變革和創新發展的推動下，為解決市場對專業知識與技能能力需求的動態變化，本文提出：①應用復雜性網絡理論和形式化理論研究構建兩類圖譜架構——學科知識圖譜架構和專業技能實踐能力考核點圖譜架構，形成基于程序類課程的學科知識圖譜架構和專業技能實踐能力考核點圖譜架構的規范形式化描述模型（創新平臺的理論支撐）；②應用學科知識圖譜，通過大數據分析技術構建研究教師與學生的精準畫像，為促進精細化、精準化和智能化的教與學提供數據支持；③研究市場需求與專業技能學習的動態聯動式人才培養創新教育模式，結合學科知識圖譜的應用，在專業教育過程中動態調整學生知識和技能學習鏈，以適應市場對領域知識需求的動態變化；最終將構建大數據技術驅動的程序類課程教育技術創新平臺——一個具有理論知識圖譜管理和精準行為分析的協同教育創新服務平臺。