基于知識圖譜的“水文預報”課程教學改革實踐

張小琴，齊曉靜，瞿思敏，魯程鵬

（河海大學水文水資源學院 江蘇 南京 210098）

隨著信息技術的不斷發展，知識圖譜作為一種新興的知識表示和管理技術已經在各個領域得到了廣泛的應用[1]。知識圖譜（Knowledge Graph）是一種通用語義知識的形式化描述框架[2]，以圖的形式表現客觀世界中的實體（概念）及其之間關系的知識庫，融合了統計學、信息科學、語義分析、智能識別等不同領域的新興研究方法，為海量信息的知識提取和可視化提供了有效的技術手段[3]。在教育領域，知識圖譜被認為具有巨大的潛力，可以幫助教師更好地組織和管理教學內容，提高教學質量[4]。

“水文預報”所依托的水利工程學科是國家一流學科，是河海大學的核心課程，涉及氣象學、地理學、數學等多個學科領域的知識。由于其復雜性和多樣性，主要依賴于教師講解和學生筆記的傳統教學方式。然而傳統教學方式對激發學生的學習興趣以及對復雜水文過程的理解都已達到瓶頸，進一步提升難度大。如何利用現代信息技術手段來提高理工基礎類課程的教學質量是當前亟待解決的問題之一。在“水文預報”課程中，構建知識圖譜可以全面梳理課程知識點，提供知識結構的可視化展示，進而實現知識的有機組織、深入挖掘和全面利用。這不僅能夠幫助學生更好地理解知識體系，提高學習效果，同時也能輔助教師開展課程建設、教材建設和教學改革，從而提高教學能力。

1 水文預報課程知識圖譜建設

水文預報是重要的防洪非工程性措施，對于保證人民生命財產安全、維持社會經濟的正常發展均具有重要的意義。“水文預報”是水文學及水資源學科的重要研究內容，是水文與水資源工程專業一門理論性及應用型較強的專業技術課程[5]。“水文預報”課程知識圖譜建設以增強教學效果和提升教學質量為目標，通過整合、分析和呈現這門課程的核心知識點，包括：降雨產流量預報、流域匯流預報、河段洪水預報、降雨徑流流域水文模型、實時洪水預報、枯季徑流預報與旱情分析、水庫水文預報及水文預報誤差和精度評定等，幫助學生更好地理解和掌握課程內容。河海大學在智慧樹平臺建設的“水文預報”課程知識圖譜總體結構如圖1。

圖1 “水文預報”課程知識圖譜總體結構

結合“水文預報”課程特點，采用圖數據庫Graph Datebase（簡稱GDB）進行知識圖譜制圖。圖數據庫（GDB）是指運用圖結構實現文本檢索的數據，通過節點、屬性等表示、存儲數據。圖數據庫的關鍵在于圖，圖可以呈現出節點相互間的關系，這些關系相互間還存在隱式連接[6]，能夠聯通數據項、節點、邊，在多種情況下，只需要一個操作就能夠實現檢索。河海大學水文水資源學院水文預報課程教研組圍繞“水文預報”課程知識圖譜建設開展了探索，主要工作如下。

1.1 確定知識圖譜的構建目標和范圍

根據“水文預報”課程的特點和教學要求，確定需要構建的知識領域和內容范圍（圖1），明確知識圖譜的目標和用途。“水文預報”課程先介紹相應的水文預報的概念、意義、研究現狀與問題以及研究思路和方法，作為基礎知識為后續的學習搭建了最基本的理念。然后講述流域水文模型，包括流域產流、流域匯流、河道流量演算與洪水預報。往下遞進講解實時洪水預報、枯季徑流與旱情分析預報、水庫水文預報以及冰雪融水徑流與冰情預報，泥沙預報則作為拓展部分的知識以供學生了解。最后在學習完不同類型的預報之后，是關于預報結果的分析，即水文預報結果評定。水文預報知識圖譜正是按照該邏輯進行搭建。

1.2 收集和整理相關數據和信息

基于教材、課件和課堂教學，梳理水文預報相關的知識點，并對其進行分類和組織。構建知識圖譜需要大量水文數據的支持，包括降雨量、河流流量、地下水位、水質等。這些數據可以從各種來源獲取，如氣象站、水文站、環保部門等。收集到的數據可能包含許多錯誤和缺失值，需要進行數據清洗，包括刪除重復的數據、填充缺失值、糾正錯誤的數據等。對清洗后的數據進行分析，提取出有用的信息進行整合分類。

1.3 設計知識圖譜結構

根據收集到的數據和信息，設計知識圖譜結構，包括節點、邊、屬性等元素的設計，以及它們之間的關系和連接方式。在水文預報知識圖譜中，節點可以代表各種水文變量（如降雨量、河流流量等），邊可以代表這些變量之間的關系（如遞進關系、共生關系等）。

1.4 構建知識圖譜

根據設計好的知識圖譜結構，運用GDB 將收集到的數據和信息轉化為知識圖譜的形式。

1.5 填充和完善知識圖譜

利用GDB將收集到的數據和信息填充到知識圖譜中，并進行不斷的完善和更新，以保證知識圖譜的準確性和完整性。

1.6 教師培訓和應用推廣

組織教師參加相關的培訓活動，提高其對知識圖譜的認識和應用能力；積極推廣知識圖譜在“水文預報”課程教學中的應用，促進教學質量的提高。水文預報知識圖譜的建設和應用需要教師具備一定的專業知識和技能。因此，教師在參與知識圖譜建設的過程中要不斷提高自己的專業素養，促進專業發展。同時，知識圖譜為教師提供了一個交流和合作的平臺，有助于教師分享經驗、互相學習，共同提高教學水平。

2 知識圖譜應用于課程教學的實踐

知識圖譜作為人工智能與計算機發展的產物，是知識可視化和知識挖掘與發現的重要手段。隨著信息化水平的不斷提高，將多源異構數據進行融合與關聯，形成知識挖掘與發現的能力，對實現水利行業的智能化管理具有重要意義[7]。水文預報課程教學不僅注重水文預報基本原理和方法等知識的學習，還注重培養學生的水文預報方案設計和數據分析的能力以及工程素質，培養學生應用專業知識和技能解決水文水資源領域復雜工程問題的能力，培養學生的實踐創新能力和團隊合作能力。知識圖譜作為一種有效的教學工具，其結構化的特性使得學習者能夠清晰了解水文預報的課程體系、知識點及其主要內容等關鍵信息，不僅可以提高學習效率，幫助學生靈活應用所學知識，還能幫助教師及時掌握每位學生的學習進度。以下是知識圖譜在水文預報課程教學實踐中的具體應用。

2.1 改進教學方法

針對“水文預報”偏重實際應用、授課對象為大學本科高年級學生的特點，立足于應用型人才和創新型人才的培養目標，河海大學探索并實踐了案例教學模式。知識圖譜是進行“水文預報”課程案例教學的一種有效手段。在案例教學中，教師可以選取一些典型知識點，引導學生進行知識梳理和總結。例如，針對洪水預報方法，教師可以通過對流域產流、流域匯流、流域水文模型等關鍵知識點的講解，幫助學生深入理解洪水預報的基本原理和方法，再結合具體應用案例，指導學生運用所學知識進行洪水預報方案編制。教師通過知識圖譜對學生的學習問題（錯誤率、疑難點等）進行分析，掌握學生的學習困難，及時調整授課方式，還可以結合翻轉課堂的理念，讓學生在課前預習相關知識點，然后在課堂上通過討論和實踐來深化理解和掌握。這樣可以提高學生的學習效率，同時也能充分發揮協作學習共同體的作用。

2.2 優化教學內容

構建知識圖譜的過程本身也是一次對知識的深入學習和理解的過程，通過知識圖譜將“水文預報”的知識點進行全面總結和深入挖掘，學生可以更好地理解和掌握課程內容。河海大學建設的“水文預報”課程知識圖譜中的任一節點均包括圖片、思維導圖、文字介紹以及視頻講解，多維度多方面剖析每個知識點，力求達到良好的學習效果，教師也可以根據課堂效果實時發布相關的練習題和案例分析，讓學生在實踐中應用所學知識。

2.3 定制個性化學習路徑

知識圖譜中的資源具備多模態屬性，不僅包含文本形式的學習資源，還包括視頻、音頻、圖片等多種形式的學習資源，可以滿足不同學習者的學習需求，為其提供更具針對性的學習資源[8]。其不僅可以根據教師教學進度，持續推送符合教學需求的課程資源，還可以幫助學生找到適合自己的學習路徑，并根據學生的學習進度和掌握程度，動態調整學習路徑。“水文預報”知識圖譜中還加入了互動元素，如問答、討論區等，鼓勵學生參與互動，提高了學習的趣味性和效果。通過學生的互動行為，可以更好地了解他們的學習需求，為其提供更個性化的學習路徑。

3 教學改革實踐成效

“水文預報”課程知識圖譜的建設對提升教學質量具有顯著的作用和重要的意義，具體成效如下：

3.1 顯著拓寬學生的學習途徑

在引入知識圖譜之前，學生主要依靠自己整理知識體系圖，只能梳理部分知識點，難以進行具體知識點與案例的思維外擴。然而，知識圖譜的出現改變了這一狀況。通過可視化展示不同概念和知識點之間的關系，學生可以查閱知識要點，發現知識點之間的關聯（如圖2 所示），消除知識盲區，幫助學生總結沉淀，從而更好地理解和應用水文預報知識。

圖2 各節點之間的相關關系（局部）

此外，知識圖譜中的搜索模塊和討論區模塊進一步提升了學習效果。搜索功能可以幫助學生快速找到他們需要的信息。學生輸入想了解的水文預報知識，系統就會彈出與之相關的介紹以及框架圖，大大提高了信息檢索的效率。搜索功能可幫助學生深入理解知識點，通過構思和尋找答案的過程更好地掌握和應用知識。

討論區則提供了一個平臺，讓學生分享自己的觀點和想法，進行交流和討論。這不僅提高了學生的參與度，也激發了其新的思考。同時，針對某個主題或問題進行深入的討論，通過集思廣益，可以找到更好的解決方案或掌握新的知識，教師在線回復增添了學習的互動性，也可以從中看到學生的思考方式及其感興趣的預報知識。知識圖譜為學生提供了一個全新的學習方式，使他們能夠更有效地學習和掌握水文預報知識。

3.2 輔助教師開展課程建設和教學改革

引入知識圖譜作為輔助教學工具，為教師提供了更多的教學方式，有利于其開展教學創新。通過構建知識圖譜，將水文預報的各個知識點進行了整合，形成完整的知識體系。例如，在構建過程中將“流域產匯流”“河道流量演算”等基礎理論知識，以及“水文模型在實時洪水預報中的應用”等內容進行關聯和整合，教師可以更合理地組織和安排教學內容，設計課程結構和教學進度，提高了課程教學質量。知識圖譜還可以幫助教師快速獲取和處理教學信息并查詢到相關的教學內容，如某個知識點的定義、性質、公式等。例如，教師在講解“流域產匯流”的相關知識時，通過知識圖譜快速找到該知識點的詳細信息，極大地提高了教學效率。

3.3 實現全面化和個性化的教學管理

全面化教學管理集中體現在教學內容、教學方式、學生學習情況以及教學資源四個方面。在教學內容方面，通過構建知識圖譜，將“水文預報”課程中的各個知識點進行系統化、結構化的整合，使學生能夠全面理解并掌握課程內容；在教學方式方面，教師根據知識圖譜設計一系列更為生動、有趣的教學活動，比如案例分析、上傳學生自己錄制的習題講解視頻等，激發了學生的積極性和好奇心；在學習情況方面，教師通過知識圖譜對學生的學習情況進行全面的跟蹤和分析，及時發現學生的學習困難和問題，提供針對性的指導和幫助；在教學資源方面，引入知識圖譜后，實現了網絡教學平臺的智能化，為在線教育和遠程教學提供了豐富的教學資源。相較于傳統的學習方式，基于知識圖譜的個性化教育系統及方法可以根據不同學生的學習階段提供對應的知識點圖譜，例如，對于已經掌握了基礎知識的學生，可向其推薦更高級的課程或研究資料，幫助他們深入學習；對于初學者，則提供更基礎的教程和練習題，幫助他們打好基礎；還可根據學生的學習歷史和偏好，推薦他們可能感興趣的知識點，激發他們的學習興趣。通過這樣的個性化教學管理，提高了學生的學習效率和滿意度。

4 結語

在“水文預報”課程教學中，基于知識圖譜的教學策略逐漸成為提高教學質量的有效途徑之一。本文通過研究知識圖譜在“水文預報”課程教學中的應用，提出了針對性的實踐措施。一方面，知識圖譜的應用有助于學生更好地理解和掌握水文預報的基本原理和方法，提高學生的學習興趣和積極性；另一方面，基于知識圖譜的教學方法有助于教師更好地掌握課程全局，及時安排和調整教學進度，確保學生能夠全面、深入地學習水文預報相關知識。

知識圖譜作為一種新興的教育技術手段，可賦能課程建設與教學創新，促進教育信息化建設的進程。知識圖譜在“水文預報”課程教學中的應用可以為其他學科的教學提供借鑒和參考，推動整個教育領域的創新和發展。在未來工作中，河海大學將進一步研發知識融合，打造以知識圖譜為核心的“水文預報”課程知識引擎，在此基礎上，進一步將知識圖譜與水文行業的工程案例、前沿研究相融合，提高課程教學質量。