基于Python程序設(shè)計的學(xué)科知識圖譜構(gòu)建研究

doi：10.3969/j.issn.1673-0194.2025.12.042

[中圖分類號]G642.4；TP312.1 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A [文章編號]1673-0194（2025）12-0127-04

0 引言

在上海舉行的2024世界數(shù)字教育大會上，教育部部長懷進(jìn)鵬提出實施人工智能賦能行動，促進(jìn)智能技術(shù)與教育教學(xué)、科學(xué)研究、社會的深度融合，為學(xué)習(xí)型社會、智能教育和數(shù)字技術(shù)發(fā)展提供有效的行動支撐[1]。在教育過程中利用現(xiàn)代信息技術(shù)手段，特別是人工智能技術(shù)來優(yōu)化教育內(nèi)容和教學(xué)方式，為學(xué)習(xí)者提供個性化、智能化、便捷化的學(xué)習(xí)支持服務(wù)成為一種新型教育模式。知識圖譜作為一種語義網(wǎng)絡(luò)，憑借其語義化、結(jié)構(gòu)化的典型特征，已經(jīng)成為人工智能時代各行各業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。應(yīng)用知識圖譜技術(shù)賦能教育教學(xué)被認(rèn)為是教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)性、前提性工作[3]。

知識圖譜和相關(guān)技術(shù)由谷歌公司于2012年提出，旨在將碎片化的數(shù)據(jù)組織成系統(tǒng)化的網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而提供知識服務(wù)，主要服務(wù)于自然語言處理、推薦系統(tǒng)、自動問答等業(yè)務(wù)場景。目前，Knowledge Graph、Yago、Wikidata、OpenKG、Zhishi.me、CN-DBpedia等是通用知識圖譜包，提供面向多領(lǐng)域的百科與常識性知識服務(wù)。隨著知識圖譜的不斷發(fā)展，其在教育領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，出現(xiàn)了教育知識圖譜、學(xué)科知識圖譜、學(xué)習(xí)認(rèn)知圖譜、學(xué)習(xí)路網(wǎng)等概念。

在線國際教育平臺可汗學(xué)院構(gòu)建數(shù)學(xué)學(xué)科知識地圖，表示知識點之間的先后依賴關(guān)系，通過圖形和連線，表示數(shù)學(xué)中基本運算之間的關(guān)系，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對學(xué)習(xí)路徑和知識點關(guān)聯(lián)有清晰的認(rèn)識。比如，1位數(shù)加法與1位數(shù)減法、2位數(shù)加法和數(shù)軸之間存在直接聯(lián)系，并且1位數(shù)加法是1位數(shù)減法和2位數(shù)加法的基礎(chǔ)，通過1位數(shù)減法和2位數(shù)加法，1位數(shù)加法與2、3位的減法和加減混合運算存在間接聯(lián)系。國內(nèi)智慧樹在線教育平臺也提供了學(xué)科知識圖譜功能，可以將知識點以樹形、環(huán)形、網(wǎng)狀等不同形式顯示，并提供問題圖譜和能力圖譜功能。

1Python 程序設(shè)計課程現(xiàn)狀

在眾多計算機編程語言中，Python語言由于語法簡潔，開源且高效，具有豐富的庫和框架，可移植性強，并覆蓋了科學(xué)計算、數(shù)據(jù)分析、人工智能、網(wǎng)絡(luò)爬蟲、自動化辦公、圖形圖像處理等眾多領(lǐng)域，成為通識類程序設(shè)計課程的首選。Python教學(xué)安排受限于學(xué)時和課堂講授方式，使得各個知識點之間缺乏流暢的過渡和有機聯(lián)系，碎片化的知識點難以構(gòu)建完整的編程思維和能力框架。多數(shù)課程過于注重語法知識等理論講解，學(xué)生動手編寫代碼、完成項目的實踐較少，導(dǎo)致學(xué)生無法有效地將理論知識轉(zhuǎn)化為編程技能。同時，Python生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展迅速，新的庫和框架不斷涌現(xiàn)，使得課程存在教學(xué)內(nèi)容更新不及時的問題。

2 學(xué)科知識圖譜

學(xué)科知識圖譜以學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)和教材為內(nèi)容基礎(chǔ)，基于知識之間的語義關(guān)系形成知識之間的邏輯關(guān)聯(lián)網(wǎng)，關(guān)聯(lián)涉及學(xué)科基礎(chǔ)知識、策略和方法，是幫助學(xué)生將知識體系與能力體系建立映射關(guān)系的可視化表征工具[4]。

學(xué)科知識圖譜能清晰展現(xiàn)學(xué)科知識的內(nèi)在聯(lián)系與邏輯層次，呈現(xiàn)知識點間的強關(guān)聯(lián)性，打破傳統(tǒng)知識按章節(jié)、模塊孤立呈現(xiàn)的方式，直觀呈現(xiàn)不同知識點是如何相互聯(lián)系、相互作用的。學(xué)科知識圖譜以圖的形式，對數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化組織，并借助專業(yè)軟件將其可視化，便于人們理解復(fù)雜的知識體系，無論是對于教師教學(xué)梳理思路，還是學(xué)生學(xué)習(xí)構(gòu)建知識框架，都有較大幫助。學(xué)科知識圖譜是動態(tài)可擴展的。隨著學(xué)科的發(fā)展，新的知識不斷產(chǎn)生，新的節(jié)點和關(guān)系可以不斷補充進(jìn)知識圖譜中，使其能持續(xù)反映該學(xué)科最新、最全面的知識內(nèi)容。學(xué)科知識圖譜為Python教學(xué)提供了一種新的解決方案。

3Python學(xué)科知識圖譜的構(gòu)建

學(xué)科知識圖譜的構(gòu)建需要將學(xué)科中各種概念、原理、事實等理論方法抽取成知識點，并建立各知識點之間的內(nèi)在聯(lián)系[4]，將科學(xué)知識體系以圖譜的形式表現(xiàn)出來。

3.1知識抽取

3.1.1確定數(shù)據(jù)來源

為了更好地服務(wù)教學(xué)，數(shù)據(jù)的獲取以教材、教輔書籍為主，教材選用嵩天等人編著的《Python語言程序設(shè)計基礎(chǔ)》、劉慶編著的《Python編程案例教程》，兩本教材的準(zhǔn)確性和權(quán)威性較高，并采用不同的編寫組織方式，可以互相補充。在挖掘教材內(nèi)容的基礎(chǔ)上，本研究參照Python官方文檔、菜鳥教程，對教材中無法互相對應(yīng)的部分知識點進(jìn)行補充。在教材和電子文檔的基礎(chǔ)上，還選擇視頻資源進(jìn)行知識點的挖掘，主要包括中國慕課網(wǎng)北京理工大學(xué)的Python語言程序設(shè)計和北京大學(xué)的Python語言基礎(chǔ)與應(yīng)用兩門視頻課程，按照課程講義抽取知識點。

3.1.2知識點抽取

為了便于學(xué)生掌握課程的總體架構(gòu)，并規(guī)劃學(xué)習(xí)路徑，知識點的抽取按照層級化方式進(jìn)行，以知識模塊、知識單元、知識點的結(jié)構(gòu)進(jìn)行知識梳理，知識模塊中包含若干知識單元，知識單元中包含若干知識點。知識模塊包括基礎(chǔ)知識、流程控制、容器類型、進(jìn)階應(yīng)用4個部分，各知識模塊的內(nèi)容如表1至表4所示。

3.1.3知識點融合

知識點融合主要是將來自不同數(shù)據(jù)源的知識進(jìn)行整合，消除重復(fù)和歧義問題，統(tǒng)一知識的表現(xiàn)形式。在對教材抽取知識點后，從Python官方文檔和慕課內(nèi)容中選取知識點，補充一些教材中沒有的知識點，如列表推導(dǎo)式、字典推導(dǎo)式、序列的封包和解包、容器類型的嵌套等。

3.1.4動態(tài)關(guān)系分類

動態(tài)關(guān)系描述了各個靜態(tài)概念之間的關(guān)聯(lián)與交互。它們通過邊來連接圖譜中的節(jié)點，展示了知識點之間的語義關(guān)系和操作過程[5]。動態(tài)關(guān)系定義了知識點之間的交互方式，圖譜中的動態(tài)關(guān)系可以分為包含關(guān)系、組成關(guān)系、繼承關(guān)系、調(diào)用關(guān)系、實例化關(guān)系、操作關(guān)系、依賴關(guān)系和應(yīng)用關(guān)系[4]，以便理解記憶引入Python中的方法、函數(shù)、訪問、存儲等用語定義關(guān)系。表5給出了列表與相關(guān)知識點及知識單元之間的動態(tài)關(guān)系。

3.2明確學(xué)科核心素養(yǎng)

學(xué)科核心素養(yǎng)明確了培養(yǎng)學(xué)生思維和能力的方向，也是構(gòu)建學(xué)科知識圖譜的指引目標(biāo)。以學(xué)科核心素養(yǎng)為指引的學(xué)科知識圖譜有利于學(xué)科知識的系統(tǒng)性和完整性表述，也有利于學(xué)生的全面發(fā)展。表6為Python程序設(shè)計的學(xué)科核心素養(yǎng)。

3.3問題模型的構(gòu)建

簡單地復(fù)制、記憶、理解和掌握學(xué)科知識是不能形成素養(yǎng)的，問題在學(xué)生的學(xué)習(xí)過程中起著至關(guān)重要的作用，是激發(fā)好奇心和提升參與度、幫助學(xué)生理解掌握知識以及促進(jìn)思維發(fā)展的重要工具。學(xué)生在各種各樣的問題解決中習(xí)得知識、培養(yǎng)能力。問題提高了學(xué)生的參與度和興趣[5]，同時促進(jìn)學(xué)生思維發(fā)展。學(xué)生要使用分析、評估、綜合等高階思維技能，運用學(xué)科知識解決問題，進(jìn)而實現(xiàn)知識的遷移。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)科核心素養(yǎng)要求，整理出各個知識單元的問題，部分問題見表7。

3.4學(xué)科知識圖譜構(gòu)建框架

學(xué)科知識圖譜構(gòu)建采用“素養(yǎng)能力一問題一學(xué)科知識”三層框架（見圖1）。學(xué)科知識是問題解決的基礎(chǔ)，在解決問題的過程中將學(xué)科知識和技能有機地結(jié)合起來，在分析問題、解決問題的同時，促進(jìn)學(xué)科素養(yǎng)能力的提升，形成創(chuàng)新性和批判性思維。從知識構(gòu)建到問題解決，從問題解決到思維發(fā)展，從思維發(fā)展到素養(yǎng)提升，將學(xué)科知識構(gòu)建、技能培養(yǎng)與思維發(fā)展融入運用數(shù)字化工具解決問題的過程中。

4結(jié)束語

推動大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)、知識圖譜等關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，是面向智能教育時代教育基礎(chǔ)科學(xué)研究的主要內(nèi)容之一。學(xué)科知識圖譜在學(xué)科知識資源建設(shè)、學(xué)科知識點查詢、知識關(guān)聯(lián)、個性化學(xué)習(xí)路徑規(guī)劃、學(xué)習(xí)興趣遷移等方面都有較好的應(yīng)用。探索學(xué)科知識圖譜的構(gòu)建要抓住各學(xué)科特點和培養(yǎng)目標(biāo)，立足于教學(xué)和學(xué)生發(fā)展的需求，在實踐中不斷摸索完善。基于Python設(shè)計的學(xué)科知識圖譜要求確保知識數(shù)據(jù)來源的權(quán)威性，問題的形成需要在教學(xué)過程中逐漸積累，核心素養(yǎng)要依據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)和社會需求。隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，知識圖譜類的資源建設(shè)也更具挑戰(zhàn)，智能化、可視化、具備自適應(yīng)性將成為學(xué)科知識圖譜未來的發(fā)展方向。

主要參考文獻(xiàn)

[1中華人民共和國教育部.教育部部長：將實施人工智能賦能行動，促進(jìn)智能技術(shù)與教育教學(xué)、科學(xué)研究深度融合［EB/OL].（2024-02-01）[2024-09-27].http：//www.moe.gov.cn/jybxwfb/xw_zt/moe_357/2024/2024_zt02/mtbd/202402/t20240202_1114004.html.

[2]劉嶠，李楊，段宏，等.知識圖譜構(gòu)建技術(shù)綜述［J」.計算機研究與發(fā)展，2016（3）：582-600.

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

[4]田俊格.高中信息技術(shù)學(xué)科知識圖譜構(gòu)建和應(yīng)用研究［D].蘭州：西北師范大學(xué)，2024.

[5鄭飛軍.基于Python程序設(shè)計課程的知識圖譜構(gòu)建研究[J].電腦知識與技術(shù)，2024（33）：171-174.