知識圖譜技術在“面向對象編程與設計”課程教學中的應用研究

摘要：數字化時代下，教育數字化轉型不僅涉及教學資源的數字化和網絡化，更重要的是，通過技術手段提升教學效率和質量，實現個性化、精準化的教學。重點研究“面向對象編程與設計”這一核心課程，分析現有教學模式的不足，并提出利用知識圖譜技術構建課程知識體系，以促進知識的組織、共享和應用，幫助學生更好地理解和掌握知識。

關鍵詞：知識圖譜""面向對象編程與設計""教育數字化""個性化學習

Research"on"the"Application"of"Knowledge"Graph"Technology"in"Object-Oriented"Programming"and"Design"Course"Teaching

WANG"Kemeng

Shangqiu"Institute"of"Technology，"Shangqiu，"He’nan"Province，"476100"China

Abstract："In"the"digital"age，"the"digital"transformation"of"education"not"only"involves"the"digitization"and"networking"of"teaching"resources，"but"more"importantly，"improving"teaching"efficiency"and"quality"through"technological"means，"and"achieving"personalized"and"precise"teaching."The"following"focuses"on"the"core"course"of"\"Object-Oriented"Programming"and"Design\"，"analyzes"the"shortcomings"of"existing"teaching"models，"and"proposes"the"use"of"knowledge"graph"technology"to"construct"a"course"knowledge"system"to"promote"the"organization，"sharing，"and"application"of"knowledge，"and"help"students"better"understand"and"master"knowledge.

Key"Words："Knowledge"graph;"Object-oriented"programming"and"design;"Educational"digitalization;"Personalized"learning

在當今數字化時代，教育領域正經歷著一場深刻的變革。信息技術的快速發展正在重塑傳統的教育模式，推動教育向數字化轉型。在這一背景下，知識圖譜作為一種新興的語義網絡技術，在教育領域的應用前景日益受到關注。“面向對象與設計”課程是計算機類本科專業的工程基礎課程，也是研究軟件工程理論和應用技術的基礎課程。國內外學者結合自身教學經驗，對“面向對象與設計”課程教學已經做出了許多改革探索與實踐，但仍存在一些不足：缺乏多樣化的知識呈現方式，教學模式往往采用“一刀切”的方式，缺乏有效的學習狀態監控和反饋機制。為彌補以上不足，迫切需要探索一種新的教學模式，該模式應具備知識結構化、邏輯關聯明確、學習路徑個性化、教學反饋及時等特點。

知識圖譜作為一種結構化的語義知識庫，通過將復雜的知識內容以圖形化的方式呈現，使用節點和邊來分別表示實體（如概念、對象）及其相互之間的關系。國內許多學者（如李艷燕等人[1]、周東岱等人[2]、馬富龍等人[3]）以學科為導向構建學科知識圖譜。在課程知識圖譜方面，徐星等人[4]、陳建輝等人[5]分別為“電路”“高級語言”等課程構建了知識圖譜。知識圖譜以其豐富的語義信息和強大的知識表示能力為教學模式的創新發展提供了新的思路。

因此，本文針對目前教學模式的特點與不足，引入知識圖譜技術，應用于“面向對象編程與設計”課程教學中，并進一步實施教學模式的革新，探索“面向對象編程與設計”課程的學習路徑和高效的教學方法。

1"課程知識圖譜構建流程

在教學領域，構建課程知識圖譜的目的是利用知識圖譜技術，構建課程知識體系，促進知識組織、共享和應用，幫助學生更好地理解和掌握知識。本文以“面向對象編程與設計”為例，構建課程知識圖譜。該圖譜由知識實體、知識實體屬性和知識實體關聯構成的三元組，依據課程的知識模塊內容與教學要求，形成了Java開發環境搭建、Java語言基礎、面向對象編程、Java圖形用戶界面開發、Java多線程與異常處理、輸入輸出流、數據庫編程、Java網絡編程等關鍵知識領域，構成了課程知識圖譜的核心結構。

在上述知識圖譜構建原則和框架的基礎上，本文提出了“面向對象編程與設計”課程知識圖譜建設的一般流程。首先，通過教學大綱和教材內容等信息，對知識點進行抽取和分類，并對這些知識實體進行屬性設計。其次，識別并建立知識實體之間的關系，構建出層次分明且相互關聯的知識圖譜。最后，將網絡學習資源、編程實例、典型習題和考題等資源與知識圖譜進行迭代性鏈接，形成多模態的“面向對象編程與設計”課程知識圖譜。構建完成后，將知識圖譜應用于實際的教學活動中，支持教學計劃的制定、教學資源的分配和學習路徑的個性化推薦。通過專家評審、學生反饋和學生成績等，驗證知識圖譜的準確性、完整性和教學適用性。

課程知識圖譜的構建過程需要不斷迭代、持續更新，確保其反映最新的教學理念和課程發展，以滿足教育領域不斷變化的需求。通過構建課程知識圖譜，不僅能夠提升教學效率和質量，還能夠促進學生對復雜概念和知識的理解與深入掌握。

2“面向對象編程與設計”課程知識圖譜的建設

2.1知識實體提取

知識實體是圖譜構建的基礎，包括課程中的關鍵概念、原理、方法、思想和技術等。作為知識圖譜的核心節點要素，這些實體既承載著學科知識體系的結構性內容，又通過語義關系網絡形成可解釋的教學知識網絡。“面向對象編程與設計”課程的知識實體包括但不限于：面向對象編程的基本概念（如類、對象、繼承、封裝、多態）、Java語言的基本語法、控制流程（如循環和分支）、接口、內部類、泛型、異常處理機制、集合、多線程編程、I/O流操作、數據庫訪問技術等。這些實體將按照課程內容的邏輯關系形成樹狀結構，以便于學生理解和掌握。通過遵循“認知層級遞進”原則篩選實體，既保證基礎概念的完整性，又突出技術實踐的重點。

2.2知識實體屬性設計

為了使知識圖譜更加豐富和實用，每個知識實體都將被賦予具體的屬性，包括每個知識點的詳細解釋和定義、與實體相關的關鍵概念、知識點適用的具體應用場景、展示知識點如何應用的代碼示例、學生在學習過程中可能遇到的學習難點和掌握該知識點需要達到的教學要求等。具體而言，屬性設計遵循“認知負荷理論”進行分層規劃：基礎屬性層側重語義表征，支持知識記憶；關聯屬性層構建知識網絡，促進理解遷移；評估屬性層對接布魯姆教育目標分類，指導能力培養。

2.3知識實體關系關聯挖掘

本文參考各類文獻中對課程知識點間的邏輯關系分類方法，并結合“面向對象編程與設計”課程的自身特色，采用一種細致的方法來定義和分類知識點之間的邏輯關系，將知識實體之間的關系分為層次、序列、對應、平行等4類關系。層次關系體現了概念之間的包含或繼承關系；依賴關系揭示了學習一個概念前需要掌握的先決知識；對比關系幫助學生理解相似概念之間的差異；互補關系則展示了不同概念在實際應用中的協同作用。通過建立這4類知識關聯模型，可為知識圖譜構建提供結構化的語義框架，輔助實現教學內容的體系化呈現。以下是對該課程知識實體關聯的具體分類描述。

2.3.1層次關系（包含關系）

這種關系體現了概念之間的包容性。例如：當一個復雜的編程概念（如“多態性”）涵蓋了更具體的實現方式，如“方法重載”或“方法重寫”，則認為“多態性”在概念層面上包含這些子概念。這種樹形結構的關系映射有助于學生建立概念間的包容性認知，形成層次化的知識體系框架。

2.3.2序列關系（前序/后繼關系）

此關系表明了學習路徑中的依賴性。如果掌握“封裝”是理解“繼承”的前提，那么，“封裝”就成為“繼承”的前序知識點，"“繼承”則是其后繼知識點。明確這種時序依賴關系可優化教學順序設計，確保學習者遵循認知規律逐步構建完整的知識網絡。

2.3.3對應關系（對偶關系）

在某些編程概念中，存在語義上或功能上的對應關系。例如：“同步方法”與“異步方法”在多線程編程中具有對偶性，在解決并發問題時采取不同的策略。通過對比分析這類鏡像關系的知識點，能夠強化學習者對概念本質特征的理解，避免因概念混淆導致的應用錯誤。

2.3.4平行關系（并列關系）

當兩個或多個知識點在邏輯上屬于同一層級，并且在概念上沒有直接的依賴或包含關系時，它們之間就構成了并列關系。例如：“數組”和“鏈表”作為數據結構的兩種形式，在Java集合框架中都是存儲數據的容器，但其具有不同的特性和用途。識別此類并列關系的知識點有助于設計對比教學模塊，通過橫向比較促進學習者對不同技術方案優劣性的辨析能力。

2.4"知識圖譜可視化呈現

知識圖譜的可視化呈現旨在為學生提供一個直觀、易于理解的知識結構圖，幫助學生構建完整的知識框架。在“面向對象編程與設計”課程中，按照課程進度，將知識點按照章節或模塊進行縱向組織；通過鏈接和節點的交互，展示知識點之間的橫向關系，如一個概念在不同章節中的應用；使用圖譜展示工具，如Protege，可以將知識圖譜以直觀的方式展現出來。通過圖形化展示，學生可以清晰地看到各個知識點之間的聯系，從而更好地構建知識框架，加深對課程內容的理解和記憶，增強學習體驗。

3“面向對象編程與設計”課程知識圖譜的應用

3.1"課程知識圖譜在教學內容上的融合應用

知識圖譜構建是一個面向對象編程的開發過程，因此，可以將課程知識圖譜融入到教學內容中，形成面向不同課程目標的教學案例。例如：針對教材《Java基礎案例教程（第2版）》，可設計如下教學案例。

3.1.1"基于知識圖譜的面向對象概念介紹案例

所屬章節：面向對象基礎

所屬知識點：類與對象

案例目標：通過知識圖譜展示類與對象的關系，幫助學生理解面向對象編程的核心概念，并激發學生對面向對象編程的興趣。

案例內容：利用知識圖譜展示“類”與“對象”之間的關系，如展示“動物”類如何包含“狗”“貓”等具體對象。通過案例展示類屬性和方法如何在不同對象中實現。教師引導學生通過知識圖譜理解類的繼承和多態性，以及它們在現實世界中的對應關系。

3.1.2"面向對象編程中的繼承與多態案例

所屬章節：面向對象基礎

所屬知識點：封裝

案例目標：通過知識圖譜可視化封裝的核心原理與實現邏輯，幫助學生理解數據隱藏、接口抽象和代碼安全性之間的關系，掌握面向對象設計中“高內聚、低耦合”的思維模式，并培養通過封裝優化程序架構的實踐能力。

案例內容：以“封裝”為核心節點構建多維度知識圖譜體系：基礎概念層通過父節點“類與對象”揭示封裝作為類基本特性的本質，關聯私有成員（private）、公共接口（public）和訪問控制符（protected）三大子節點，并以“實現方式”和“設計原則”構建核心邏輯關系；應用場景層通過銀行賬戶類和學生成績管理系統等典型案例，采用可視化對比展現未封裝類與封裝類的本質差異；技術延伸層則關聯工廠模式、代理模式等設計模式，并整合耦合度與內聚性等軟件質量指標，形成從基礎語法到架構設計的完整知識網絡。

3.1.3"面向對象編程中的繼承與多態案例

所屬章節：面向對象高級特性

所屬知識點：繼承與多態

案例目標：通過具體編程案例，使學生掌握繼承的概念，理解方法重寫和重載的區別，并學會如何在實際編程中應用多態。

案例內容：設計一個案例，要求學生創建一個“形狀”類，然后派生出“圓形”和“矩形”兩個子類。學生需要為這些類定義相應的屬性和方法，并實現一個方法來計算不同形狀的面積。通過這個案例，學生將學習如何使用繼承來復用代碼，并通過方法重寫實現多態。教師將結合知識圖譜，展示不同類之間的關系，以及如何在知識圖譜中表示這些關系，從而加深學生對面向對象編程中繼承和多態的理解。

在這兩個案例中，知識圖譜作為一種教學工具，不僅幫助學生理解抽象的編程概念，還提供了一種直觀的方式來展示類與對象、繼承與多態之間的復雜關系。通過將知識圖譜與具體的編程任務相結合，學生可以在實踐中加深對面向對象編程的理解，提高其編程技能。

3.2"課程知識圖譜在教學技術上的融合應用

“面向對象編程與設計”課程知識圖譜憑借其豐富的語義和結構化表達，能夠革新傳統的教學展示方式。進一步地，借助知識圖譜的整合和推理能力，可以開發多種創新的教學技術，以提升教學質量和學習體驗。例如，以“數組越界和除數為0異常案例”為驅動，展開“Java基礎案例教程”中關于“異常處理”的章節內容，通過知識圖譜的形式進行可視化展示，如圖1所示。

3.2.1"個性化學習路徑圖譜

通過構建包含學生、教師和教學環境的多維圖譜，明確各方在教學過程中的角色和互動關系。這種圖譜有助于教師全面掌握學生的學習狀態，從而提供定制化的教學支持和資源，實現真正意義上的個性化教學。

3.2.2"智能教學輔助系統

將“面向對象編程與設計”的課程知識點與教學資源（如教材、講義、習題集等）進行深度關聯，根據教學進度和學生學習情況，智能推薦適宜的學習材料和練習題目。這樣的系統不僅能夠輔助教師進行備課，還能為學生提供及時的學習反饋和輔導。

3.2.3"自適應學習環境

利用知識圖譜構建一個動態的在線學習平臺，該平臺能夠實時監測學生的學習活動，評估其對知識的掌握程度。基于這些數據，系統能夠自動調整教學內容和難度，以適應不同學生的學習節奏和風格，促進有效學習。

此外，知識圖譜的潛力可以進一步與新興技術（如增強現實、虛擬現實、智能聊天機器人等）相結合，開發出更具互動性和沉浸感的教學應用。這些技術的融合將使課程教學更加生動、高效，同時為學生提供一個全方位的學習體驗[6]。

4"結語

隨著信息技術的飛速發展，教育領域正經歷著前所未有的變革。本文通過對“面向對象編程與設計”課程的深入研究，探索了知識圖譜技術在教學中的應用，以期提升教學質量和學生的學習體驗。通過構建課程知識圖譜，不僅能夠為學生提供一個結構化、可視化的知識框架，還能通過個性化學習路徑、智能教學輔助系統和自適應學習環境等創新教學技術，實現教學內容的動態更新和個性化推薦。這些探索和實踐不僅能夠幫助學生更好地理解和掌握面向對象編程的核心概念，也為教師提供了豐富的教學資源和策略，推動了教育數字化轉型的進程。未來，期待知識圖譜技術能夠與更多新興技術相結合，為教育領域帶來更加豐富和高效的教學模式，培養出更多具備創新思維和實踐能力的高級應用型專業人才。

參考文獻

[1]李艷燕，張香玲，李新，等.面向智慧教育的學科知識圖譜構建與創新應用[J].電化教育研究，2019，40（8）：60-69.

[2]周東岱，董曉曉，顧恒年.教育領域知識圖譜研究新趨向：學科教學圖譜[J].電化教育研究，2024，45（2）：91-97，120.

[3]馬富龍，張澤琳，閆燕.學科知識圖譜：內涵、技術架構、應用與發展趨勢[J].軟件導刊，2024，23（3）：212-220.

[4]徐星，鄢睿丞，閆曉玲，等.“電路”課程知識圖譜構建及其教學模式應用[J].教育教學論壇，2024（6）：1-4.

[5]陳建輝，栗覓.《高級語言程序設計》課程知識圖譜構建及其在教學實踐中的應用[J].電子元器件與信息技術，2023，7（12）：205-208.

[6]張羽立.面向高校學科數據知識圖譜構建中知識抽取和智能問答技術的研究與實現[D].南京：南京郵電大學，2023.