基于知識(shí)圖譜的“物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新綜合實(shí)踐”課程教學(xué)資源構(gòu)建研究

摘 要：隨著高校“教育信息化”的建設(shè)，自主學(xué)習(xí)成為一種重要的實(shí)踐課程教育形式。針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生在創(chuàng)新綜合實(shí)踐課程中自主學(xué)習(xí)時(shí)面臨的學(xué)習(xí)資源龐雜導(dǎo)致的“知識(shí)迷航”問(wèn)題，以及實(shí)踐過(guò)程監(jiān)督與實(shí)踐效果評(píng)價(jià)反饋機(jī)制不完善等問(wèn)題，構(gòu)建了基于知識(shí)圖譜的多路徑物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新綜合實(shí)踐課程資源，從傳統(tǒng)的單一教學(xué)方式向以學(xué)生為中心的多路徑實(shí)踐教學(xué)方式轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)和激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：知識(shí)圖譜；物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新綜合實(shí)踐；多路徑實(shí)踐；教育信息化；多元化評(píng)價(jià)機(jī)制；“知識(shí)迷航”

中圖分類號(hào)：TP3-05 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）12-0-03

0 引 言

隨著科技的快速發(fā)展，信息化已經(jīng)成為全球范圍內(nèi)各行各業(yè)的主要發(fā)展趨勢(shì)，教育信息化在推動(dòng)教育現(xiàn)代化和深化教育改革中的關(guān)鍵作用愈發(fā)凸顯[1]。在當(dāng)前背景下，考慮到傳統(tǒng)的教學(xué)模式和考核方式無(wú)法全面反映學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況和潛力，因此急需更新[2]，迫切需要一種新的方法幫助學(xué)生更好地了解自身的長(zhǎng)處和短板，進(jìn)而制定有針對(duì)性的學(xué)習(xí)計(jì)劃和職業(yè)發(fā)展規(guī)劃。本文針對(duì)“物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新綜合實(shí)踐”課程實(shí)踐項(xiàng)目綜合度高、復(fù)雜工程問(wèn)題理解難度大、技術(shù)更新快、學(xué)習(xí)路徑多樣性等特點(diǎn)，分別從教學(xué)資源知識(shí)抽取、知識(shí)融合和實(shí)踐效果評(píng)價(jià)等方面構(gòu)建“物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新綜合實(shí)踐”課程知識(shí)圖譜，以學(xué)生為中心，探討多路徑實(shí)踐教學(xué)方法，促進(jìn)實(shí)踐課程資源優(yōu)化。

1 知識(shí)圖譜研究現(xiàn)狀

谷歌于2012年正式提出了知識(shí)圖譜的概念[3]，這是一種基于語(yǔ)義的數(shù)據(jù)表示和處理技術(shù)，其目的是為了實(shí)現(xiàn)更加智能的搜索引擎。2023年，我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)正式發(fā)布了《信息技術(shù)知識(shí)圖譜技術(shù)規(guī)范》，為知識(shí)圖譜的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化奠定了基礎(chǔ)[4]。近年來(lái)，知識(shí)圖譜取得了顯著的發(fā)展，利用知識(shí)圖譜既可以將抽象復(fù)雜的專業(yè)知識(shí)及其關(guān)系可視化，也可以采用問(wèn)題驅(qū)動(dòng)法進(jìn)行工程項(xiàng)目導(dǎo)入，梳理工程實(shí)踐中涉及的技術(shù)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)性，緩解因課程知識(shí)銜接性弱及信息超載所導(dǎo)致的“知識(shí)迷航”等問(wèn)題，幫助學(xué)生攻克技術(shù)難關(guān)，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

2 基于知識(shí)圖譜的多路徑實(shí)踐教學(xué)資源構(gòu)建

2.1 “物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新綜合實(shí)踐”課程多路徑知識(shí)圖譜設(shè)計(jì)

“物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新綜合實(shí)踐”已經(jīng)成為了培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)人才的重要課程，是一門(mén)具有實(shí)踐性、創(chuàng)新性、綜合性、團(tuán)隊(duì)性和實(shí)用性的課程，主要包括物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、實(shí)踐項(xiàng)目、創(chuàng)新思維、技術(shù)綜合應(yīng)用和團(tuán)隊(duì)協(xié)作方面。以“物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新綜合實(shí)踐”課程作為本體構(gòu)建知識(shí)圖譜，可以整合學(xué)科知識(shí)和細(xì)粒度的知識(shí)點(diǎn)資源，提供完整、系統(tǒng)和清晰的知識(shí)體系結(jié)構(gòu)，具體如圖1所示。

考慮到知識(shí)圖譜和“物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新綜合實(shí)踐”課程領(lǐng)域的特點(diǎn)和需求，本研究采用自頂向下的技術(shù)構(gòu)建知識(shí)圖譜，如一方面可以保證知識(shí)的準(zhǔn)確性和完整性，另一方面可以利用知識(shí)圖譜導(dǎo)航學(xué)習(xí)過(guò)程，將學(xué)習(xí)中遍歷的路徑分為課程資源知識(shí)點(diǎn)路徑與學(xué)習(xí)者特征路徑。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)學(xué)習(xí)者和課程知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系進(jìn)行知識(shí)推理、質(zhì)量評(píng)估及知識(shí)更新，得到序列化的知識(shí)圖譜學(xué)習(xí)路徑。

2.2 本體構(gòu)建

本文基于“物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新綜合實(shí)踐”課程的案例、工程項(xiàng)目功能模塊和知識(shí)點(diǎn)等教學(xué)資源構(gòu)建知識(shí)圖譜，具體包括物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的需求和構(gòu)思、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、感知層設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)、平臺(tái)層設(shè)計(jì)、應(yīng)用層設(shè)計(jì)及部署維護(hù)、數(shù)據(jù)可視化、學(xué)習(xí)者數(shù)據(jù)分析、智能交通系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析等教學(xué)資源，并通過(guò)圖數(shù)據(jù)庫(kù)Neo4j進(jìn)行知識(shí)圖譜存儲(chǔ)。在課程實(shí)踐目錄中，將內(nèi)容分為“基礎(chǔ)知識(shí)”“物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備詳解”“WSN實(shí)驗(yàn)”等部分。根據(jù)目錄的劃分，將其定義為8個(gè)類，用Protege工具構(gòu)建并且定義類之間的相應(yīng)屬性約束關(guān)系。物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新綜合實(shí)踐知識(shí)圖譜的課程本體模型如圖2所示。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新綜合實(shí)踐知識(shí)圖譜的課程本體模型

為了生成知識(shí)圖譜及個(gè)性化學(xué)習(xí)自組織學(xué)習(xí)路徑，本研究采用基于層模式的知識(shí)建模，從“整體”到“部分”對(duì)課程的實(shí)例進(jìn)行研究和分類，課程知識(shí)層次中包括了：父類、兄弟類、子類3種，其中類與類之間的關(guān)系屬性約束見(jiàn)表1。

2.3 知識(shí)抽取

學(xué)生可以通過(guò)知識(shí)抽取從大量的學(xué)習(xí)資源中提取出自己需要的信息，從而更好地學(xué)習(xí)和理解知識(shí)[5]。本模型采用TextRank算法進(jìn)行概念詞的抽取，除關(guān)鍵詞抽取外，TextRank算法還可用于關(guān)鍵句和關(guān)鍵短語(yǔ)的抽取[6]。將課程案例中的知識(shí)點(diǎn)視為圖中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，并將這些知識(shí)點(diǎn)之間的相似性視為圖中的邊。然后通過(guò)圖的迭代計(jì)算，不斷更新節(jié)點(diǎn)的權(quán)值。在這個(gè)過(guò)程中，TextRank采用類似PageRank的隨機(jī)游走方法[7]，即通過(guò)節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系進(jìn)行權(quán)重傳遞，不斷調(diào)整節(jié)點(diǎn)的得分和排名。根據(jù)知識(shí)點(diǎn)之間的權(quán)值推導(dǎo)出知識(shí)、章節(jié)、模塊及案例的先修后繼關(guān)系，在此基礎(chǔ)上通過(guò)自組織學(xué)習(xí)歸納出知識(shí)圖譜的多學(xué)習(xí)路徑。

2.4 知識(shí)融合

知識(shí)抽取技術(shù)能夠從大量數(shù)據(jù)中快速、準(zhǔn)確地提取學(xué)生所需的信息，為知識(shí)融合提供了可靠的基礎(chǔ)。這些數(shù)據(jù)源包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)[8]。知識(shí)融合過(guò)程允許整合和融合來(lái)自不同來(lái)源和不同形式的實(shí)踐課程知識(shí)，從而提升知識(shí)圖譜的涵蓋范圍和準(zhǔn)確性。知識(shí)融合是一種綜合性的方法，不同層次的學(xué)生都可以根據(jù)學(xué)習(xí)質(zhì)量評(píng)估來(lái)調(diào)整學(xué)習(xí)方案，自組織學(xué)習(xí)路徑，制定適合自己的實(shí)踐方案，更深刻地理解工程問(wèn)題，提升工程實(shí)踐能力。

2.5 多路徑實(shí)踐教學(xué)

傳統(tǒng)的實(shí)踐課程大都是根據(jù)實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)按操作步驟逐個(gè)完成相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的實(shí)踐內(nèi)容，如圖3所示。這種方式稱為串行模式，學(xué)生學(xué)習(xí)路徑是單一的，不利于學(xué)生團(tuán)隊(duì)的合作和個(gè)性化發(fā)展[9]。

物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新綜合實(shí)踐涉及諸多交叉學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)，面對(duì)海量實(shí)踐教學(xué)資源，學(xué)生在工程實(shí)踐中容易陷入“知識(shí)過(guò)載”和“知識(shí)迷航”的困境[10]。本研究梳理物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐資源及相關(guān)知識(shí)點(diǎn)構(gòu)建知識(shí)圖譜，工程實(shí)踐能力強(qiáng)及基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生都可以根據(jù)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)質(zhì)量評(píng)價(jià)選擇適合自己水平的學(xué)習(xí)路徑，提高學(xué)習(xí)效率，如圖4所示。首先，通過(guò)確定物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域工程項(xiàng)目學(xué)習(xí)需求，學(xué)生可以針對(duì)跨課程、重交叉的綜合性實(shí)踐教學(xué)資源，在知識(shí)圖譜中確定目標(biāo)知識(shí)。然后，從確定的目標(biāo)知識(shí)單元出發(fā)，利用知識(shí)圖譜回溯所有可能的學(xué)習(xí)路徑。最后，通過(guò)對(duì)每個(gè)路徑中的知識(shí)單元進(jìn)行學(xué)習(xí)質(zhì)量評(píng)估，并進(jìn)行加權(quán)求和，以此對(duì)路徑進(jìn)行評(píng)分，找出最優(yōu)的學(xué)習(xí)路徑。

在知識(shí)圖譜構(gòu)建及多學(xué)習(xí)路徑生成過(guò)程中，教師自頂向下把項(xiàng)目拆解為幾個(gè)基本功能模塊，并以基本功能模塊知識(shí)點(diǎn)為單位結(jié)合學(xué)科前沿知識(shí)建立知識(shí)子圖譜，逐步形成完整的知識(shí)圖譜語(yǔ)義關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)依托實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)、虛擬仿真軟件、雨課堂等，精心設(shè)置多條實(shí)踐路徑供學(xué)生學(xué)習(xí)，如圖5所示。基礎(chǔ)薄弱及工程實(shí)踐能力強(qiáng)的學(xué)生分別根據(jù)自己的實(shí)際情況選擇不同的學(xué)習(xí)任務(wù)，通過(guò)知識(shí)圖譜對(duì)物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新綜合實(shí)踐課程中的知識(shí)、章節(jié)、模塊及案例進(jìn)行梳理，抽取出知識(shí)及關(guān)系，選擇不同的學(xué)習(xí)路徑進(jìn)行工程實(shí)踐。

從物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域復(fù)雜工程項(xiàng)目學(xué)習(xí)需求出發(fā)，規(guī)劃學(xué)習(xí)路徑，保證其科學(xué)性，通過(guò)能力導(dǎo)向和復(fù)雜問(wèn)題驅(qū)動(dòng)，將實(shí)踐過(guò)程中涉及的知識(shí)和非結(jié)構(gòu)化的學(xué)習(xí)資源關(guān)聯(lián)起來(lái)構(gòu)建知識(shí)圖譜語(yǔ)義關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，篩選出最優(yōu)學(xué)習(xí)路徑，實(shí)現(xiàn)專業(yè)知識(shí)深度融合和資源優(yōu)化，促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐學(xué)習(xí)路徑多樣化。

2.6 多元化評(píng)價(jià)機(jī)制設(shè)計(jì)

在物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新綜合實(shí)踐教學(xué)中，教師根據(jù)課程的教學(xué)計(jì)劃確定考核目標(biāo)，將實(shí)際科研項(xiàng)目融入教學(xué)中，采用知識(shí)圖譜預(yù)設(shè)考核點(diǎn)，學(xué)生通過(guò)團(tuán)隊(duì)合作、組間交流評(píng)價(jià)等方式實(shí)現(xiàn)過(guò)程性考核。根據(jù)知識(shí)圖譜及評(píng)價(jià)反饋，教師能夠?qū)崟r(shí)了解學(xué)生學(xué)習(xí)路徑和項(xiàng)目進(jìn)展情況，通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備操作和任務(wù)評(píng)價(jià)等環(huán)節(jié)激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，有助于學(xué)生多元化發(fā)展。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了“物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新綜合實(shí)踐”課程知識(shí)圖譜的構(gòu)建方法，并通過(guò)知識(shí)圖譜實(shí)施多路徑實(shí)踐教學(xué)，鼓勵(lì)個(gè)性學(xué)習(xí)、小組合作學(xué)習(xí)，旨在提供更靈活、個(gè)性化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。通過(guò)本文研究，能幫助學(xué)生有效梳理海量?jī)?nèi)容和知識(shí)脈絡(luò)，提供多路徑實(shí)踐方式，幫助學(xué)生更好地理解和掌握知識(shí)點(diǎn)。

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基金項(xiàng)目：西安工業(yè)大學(xué)重點(diǎn)教改項(xiàng)目：基于PBL的物聯(lián)網(wǎng)工程 “1+2+3”協(xié)同創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式研究（22JGZ04）；面向產(chǎn)業(yè)需求的“物聯(lián)網(wǎng)智慧學(xué)習(xí)工廠”實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)研究

作者簡(jiǎn)介：劉萍萍（1971—），女，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)槿斯ぶ悄堋⒂?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及語(yǔ)義網(wǎng)。

楊澤鵬（2000—），男，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)槿斯ぶ悄堋?/p>

賀 超（1998—），男，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)槿斯ぶ悄堋?/p>