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基于知识图谱的“物联网创新综合实践”课程教学资源构建研究

2024-12-19 50 上传者：管理员

摘要：随着高校“教育信息化”的建设，自主学习成为一种重要的实践课程教育形式。针对物联网工程专业学生在创新综合实践课程中自主学习时面临的学习资源庞杂导致的“知识迷航”问题，以及实践过程监督与实践效果评价反馈机制不完善等问题，构建了基于知识图谱的多路径物联网创新综合实践课程资源，从传统的单一教学方式向以学生为中心的多路径实践教学方式转变，培养和激发学生的创新实践能力。

关键词：
多元化评价机制
多路径实践
教育信息化
物联网创新综合实践
知识图谱
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随着科技的快速发展,信息化已经成为全球范围内各行各业的主要发展趋势,教育信息化在推动教育现代化和深化教育改革中的关键作用愈发凸显 [1]｡在当前背景下,考虑到传统的教学模式和考核方式无法全面反映学生的学习状况和潜力,因此急需更新 [2],迫切需要一种新的方法帮助学生更好地了解自身的长处和短板,进而制定有针对性的学习计划和职业发展规划｡本文针对“物联网创新综合实践”课程实践项目综合度高､复杂工程问题理解难度大､技术更新快､学习路径多样性等特点,分别从教学资源知识抽取､知识融合和实践效果评价等方面构建“物联网创新综合实践”课程知识图谱,以学生为中心,探讨多路径实践教学方法,促进实践课程资源优化｡

1、知识图谱研究现状

谷歌于2012 年正式提出了知识图谱的概念 [3],这是一种基于语义的数据表示和处理技术,其目的是为了实现更加智能的搜索引擎｡2023 年,我国国家标准委员会正式发布了《信息技术知识图谱技术规范》,为知识图谱的标准化和规范化奠定了基础 [4]｡近年来,知识图谱取得了显著的发展,利用知识图谱既可以将抽象复杂的专业知识及其关系可视化,也可以采用问题驱动法进行工程项目导入,梳理工程实践中涉及的技术点间的关联性,缓解因课程知识衔接性弱及信息超载所导致的“知识迷航”等问题,帮助学生攻克技术难关,培养学生解决复杂工程问题的能力｡

2、基于知识图谱的多路径实践教学资源构建

2.1 “物联网创新综合实践”课程多路径知识图谱设计

“物联网创新综合实践”已经成为了培养物联网人才的重要课程,是一门具有实践性､创新性､综合性､团队性和实用性的课程,主要包括物联网技术､实践项目､创新思维､技术综合应用和团队协作方面｡以“物联网创新综合实践”课程作为本体构建知识图谱,可以整合学科知识和细粒度的知识点资源,提供完整､系统和清晰的知识体系结构,具体如图 1 所示｡

考虑到知识图谱和“物联网创新综合实践”课程领域的特点和需求,本研究采用自顶向下的技术构建知识图谱,如一方面可以保证知识的准确性和完整性,另一方面可以利用知识图谱导航学习过程,将学习中遍历的路径分为课程资源知识点路径与学习者特征路径｡在此基础上,根据学习者和课程知识点之间的关系进行知识推理､质量评估及知识更新,得到序列化的知识图谱学习路径｡

2.2 本体构建

本文基于“物联网创新综合实践”课程的案例､工程项目功能模块和知识点等教学资源构建知识图谱,具体包括物联网应用系统的需求和构思､物联网应用系统的体系结构､感知层设计､网络层设计､平台层设计､应用层设计及部署维护､数据可视化､学习者数据分析､智能交通系统数据分析等教学资源,并通过图数据库 Neo4j 进行知识图谱存储｡在课程实践目录中,将内容分为“基础知识”“物联网设备详解”“WSN 实验”等部分｡根据目录的划分,将其定义为8 个类,用 Protege 工具构建并且定义类之间的相应属性约束关系｡物联网创新综合实践知识图谱的课程本体模型如图 2所示。

图1 物联网创新综合实践多路径知识图谱的技术框架

图2 物联网创新综合实践知识图谱的课程本体模型

为了生成知识图谱及个性化学习自组织学习路径,本研究采用基于层模式的知识建模,从“整体”到“部分”对课程的实例进行研究和分类,课程知识层次中包括了 :父类､兄弟类､子类 3 种,其中类与类之间的关系属性约束见表 1｡

表1 类与类之间的关系属性约束

2.3 知识抽取

学生可以通过知识抽取从大量的学习资源中提取出自己需要的信息,从而更好地学习和理解知识 [5]｡本模型采用 TextRank 算法进行概念词的抽取,除关键词抽取外,TextRank 算法还可用于关键句和关键短语的抽取 [6]｡将课程案例中的知识点视为图中的一个节点,并将这些知识点之间的相似性视为图中的边｡然后通过图的迭代计算,不断更新节点的权值｡在这个过程中,TextRank 采用类似 PageRank的随机游走方法 [7],即通过节点之间的关系进行权重传递,不断调整节点的得分和排名｡根据知识点之间的权值推导出知识､章节､模块及案例的先修后继关系,在此基础上通过自组织学习归纳出知识图谱的多学习路径｡

2.4 知识融合

知识抽取技术能够从大量数据中快速､准确地提取学生所需的信息,为知识融合提供了可靠的基础｡这些数据源包括结构化数据､半结构化数据和非结构化数据 [8]｡知识融合过程允许整合和融合来自不同来源和不同形式的实践课程知识,从而提升知识图谱的涵盖范围和准确性｡知识融合是一种综合性的方法,不同层次的学生都可以根据学习质量评估来调整学习方案,自组织学习路径,制定适合自己的实践方案,更深刻地理解工程问题,提升工程实践能力｡

2.5 多路径实践教学

传统的实践课程大都是根据实践教学目标按操作步骤逐个完成相关知识点的实践内容,如图 3 所示｡这种方式称为串行模式,学生学习路径是单一的,不利于学生团队的合作和个性化发展 [9]｡

图3 串行模式学习路径

物联网创新综合实践涉及诸多交叉学科领域知识,面对海量实践教学资源,学生在工程实践中容易陷入“知识过载”和“知识迷航”的困境 [10]｡本研究梳理物联网实践资源及相关知识点构建知识图谱,工程实践能力强及基础薄弱的学生都可以根据知识点的学习质量评价选择适合自己水平的学习路径,提高学习效率,如图 4 所示｡首先,通过确定物联网领域工程项目学习需求,学生可以针对跨课程､重交叉的综合性实践教学资源,在知识图谱中确定目标知识｡然后,从确定的目标知识单元出发,利用知识图谱回溯所有可能的学习路径｡最后,通过对每个路径中的知识单元进行学习质量评估,并进行加权求和,以此对路径进行评分,找出最优的学习路径｡

图4 基于知识点的多路径实践教学路径生成

在知识图谱构建及多学习路径生成过程中,教师自顶向下把项目拆解为几个基本功能模块,并以基本功能模块知识点为单位结合学科前沿知识建立知识子图谱,逐步形成完整的知识图谱语义关系网络,同时依托实践教学平台､虚拟仿真软件､雨课堂等,精心设置多条实践路径供学生学习,如图 5 所示｡基础薄弱及工程实践能力强的学生分别根据自己的实际情况选择不同的学习任务,通过知识图谱对物联网创新综合实践课程中的知识､章节､模块及案例进行梳理,抽取出知识及关系,选择不同的学习路径进行工程实践｡

图5 物联网创新综合实践知识融合(部分)

从物联网领域复杂工程项目学习需求出发,规划学习路径,保证其科学性,通过能力导向和复杂问题驱动,将实践过程中涉及的知识和非结构化的学习资源关联起来构建知识图谱语义关系网络,筛选出最优学习路径,实现专业知识深度融合和资源优化,促进学生实践学习路径多样化｡

2.6 多元化评价机制设计

在物联网创新综合实践教学中,教师根据课程的教学计划确定考核目标,将实际科研项目融入教学中,采用知识图谱预设考核点,学生通过团队合作､组间交流评价等方式实现过程性考核｡根据知识图谱及评价反馈,教师能够实时了解学生学习路径和项目进展情况,通过系统设计､设备操作和任务评价等环节激发学生的创新意识,有助于学生多元化发展｡

3、结语

本文介绍了“物联网创新综合实践”课程知识图谱的构建方法,并通过知识图谱实施多路径实践教学,鼓励个性学习､小组合作学习,旨在提供更灵活､个性化的学习体验｡通过本文研究,能帮助学生有效梳理海量内容和知识脉络,提供多路径实践方式,帮助学生更好地理解和掌握知识点｡

参考文献:

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[3]杨文霞,王卫华,何朗,等 . 知识图谱赋能智慧教育的研究与实践—以武汉理工大学“线性代数”课程为例 [J]. 高等工程教育研究,2023(6):111-117.

[4]姜振凤,迟庆云 . 高校课程思政资源库的建设研究 [J]. 福建电脑,2023,39(9):60-63.

[5]王志寅 . 基于知识图谱的推荐算法研究及应用 [D]. 太原:太原师范学院,2023.

[6]张大为,王琦菲 . 基于文本挖掘的主观类型电子作业智能辅助评分方法研究 [J]. 微型电脑应用,2023,39(10):5-9.

[7]俞琰,王丽,郑斯煜 . 融入术语与层级信息的专利关键短语抽取方法研究 [J]. 数据分析与知识发现,2023,7(6):99-112.

[8]孙锡波,谢晓尧,郑欣 . 融合多源数据的学科知识图谱构建与应用 [J]. 福建电脑,2023,39(11):6-13.

[9]陈飞,张春阳,于元隆 . 基于知识图谱的综合实践教学设计 [J].计算机教育,2023(4):158-162.