在線互聯網課程平臺模式下的知識圖譜建設初探

［摘 要］ 隨著信息時代的發展，教育行業中的線上課程平臺大量誕生，知識圖譜從一種信息手段逐步融入教育教學中。以國家級一流課程“軌道車輛裝備”課程為例，探索了在線上課程平臺模式下，通過學校和互聯網企業合作開發建設課程知識圖譜的路徑及方法，并針對建設過程中遇到的問題提出了經驗和建議，探索了在線上線下混合式教學中采用知識圖譜引導學生學習的有效途徑，取得了較好的建設成果，是在新時代背景下利用知識圖譜開展新型教學模式的有益探索，有助于在新工科人才培養過程中實現新突破。

［關鍵詞］ 知識圖譜；大學教學；在線課程

［基金項目］ 2023年度北京交通大學虛擬教研室建設項目“車輛工程專業（軌道車輛智能運維方向）虛擬教研室建設”（275206529025）

［作者簡介］ 陳 羽（1987—），男，山西太原人，碩士，北京交通大學機械與電子控制工程學院實驗師，主要從事高速列車虛擬仿真技術研究；劉志明（1966—），男，江西南昌人，博士，北京交通大學機械與電子控制工程學院教授，博士生導師，主要從事結構疲勞可靠性研究；王斌杰（1979—），男，山西交城人，博士，北京交通大學機械與電子控制工程學院教授，博士生導師，主要從事結構載荷譜研究。

引言

當代大學生成長于互聯網時代，獲取知識的途徑更加多樣化。特別是進入移動互聯網時代和信息流時代以后，碎片化時間和碎片化信息成為學生獲取知識的重要手段［1］。大學生更傾向于碎片化學習，在這種學習方式下，大學生可以在生活中隨心、隨時、隨地通過手機、電腦等多種終端，借助多種媒體對知識進行片段化的消化吸收。學習方式的變化對于教師和學生來說都是新的挑戰。一方面，在互聯網海量的信息知識的沖擊之下，大學課程知識具有體系性、連貫性、嚴謹性和學術性的特點，教師須要對學生自主學習的內容和過程加以引導；另一方面，碎片化的學習方式占據了學生更多的業余時間，增大了學生的學習投入，對學生的自律性和主動性提出了更高的要求。

自我國高等教育開始MOOC建設以來，已有一大批線上課程平臺發展成熟，大量商業資本紛紛涌入。特別是在2020—2022年期間，各個平臺的用戶數和活躍度都有了飛躍式的增長。線上課程平臺主要分為以下幾類。

（一）開放式在線平臺（MOOC類）

MOOC平臺的最大特點是開放和自主，面向全社會。主要平臺有中國大學MOOC、iLAB-X實驗空間、清華學堂在線、edX、網易公開課、人民網公開課等。

（二）校內線上平臺（SPOC類）

SPOC平臺面向校內或跨校選課學生，主要平臺為各個高校與公司合作建設的線上教學直播平臺。

（三）商業課程平臺

商業課程平臺大多數為收費平臺，一般由商業公司建設，主要有考研類、外語類、職業資格類、IT技能類、中小學類網課，商業課程平臺根據培訓領域不同有非常多的種類，知名平臺有新東方在線、學而思、滬江網校等。

2019年，教育部開始推進實施一流本科課程建設［2］。隨著高等學習教育教學改革的深化，廣大教育工作者和一線教師總結思考長期以來在傳統知識體系和傳統課堂，向學生傳授知識過程中出現的局限和弊端，掀起了高等教育課程建設改革的新高潮。本文以國家級一流課程“軌道車輛裝備”為例，探索了在線上課程平臺模式下，開發建設課程知識圖譜的路徑和方法，以及在線上線下混合教學中用知識圖譜引導學生學習的嘗試，取得了較好的建設成果。

一、知識圖譜的結構

知識圖譜的概念由谷歌提出，最早用于優化其搜索引擎算法，將知識點以關系的方式彼此連接，形成網狀的結構［3-4］。與此類似的概念還有思維導圖。傳統由人工梳理的知識結構多為樹狀，而通過互聯網搜索引擎等自動爬取關聯并擴展的知識結構通常為網狀。

樹狀的知識結構更加符合人腦對于事物認知的歸納整理方式，十分適合于范圍廣而須要分類記憶的知識，使概念更加清晰。常見的層次結構文件管理、生物分類法都是此種方式。缺點是樹狀結構須要嚴格遵守父—子的層次關系，所有知識點必須納入上一層的父級關系，不允許有游離的知識點存在，因此，在梳理知識點時較為費力，無法納入嚴格分類的知識點會被拋棄。

網狀的知識結構可以比作一個星系，里面包含大量的恒星系統、行星系統，一部分流浪天體、宇宙塵埃等，這些天體之間具有一定的層級關系，按照相對固定的空間區域劃分，而且它們之間又有許多超越層級關系的直接關聯，比如空間扭曲、蟲洞等。這些豐富而有所區別的關聯關系相互交織成網狀，能夠包容關系復雜、相對離散的知識點，更加適合現階段知識圖譜的結構。

近年來，隨著互聯網速度的提升和計算機算力的提高，AI技術也隨之發展。同時，以大數據技術為代表的數據智能挖掘和深度挖掘也促進了知識圖譜的生成方式更加自動化與智能化。

二、“軌道車輛裝備”課程線上知識圖譜的構建

（一）課程特點和主要內容

“軌道車輛裝備”課程是面向高等學校車輛工程專業和鐵道機車車輛專業開設的一門專業類課程，主要介紹軌道車輛電氣系統組成和車內電氣裝備工作原理，課程內容以結構組成、工作原理介紹等客觀性知識為主，涉及輔助供電系統、空調系統、照明系統等10多個電氣設備子系統，以及CRH1、CRH2、CRH3、CRH5、25T等5種車型，學生須要記憶掌握的知識點非常繁雜，且需要理解其中的區別和聯系，這種知識結構的課程非常適合知識圖譜的建設。

基于OBE的工程專業學生培養理念，將“軌道車輛裝備”課程知識圖譜體系自上而下分成了“3+1”層圖譜體系，分別是能力圖譜、問題圖譜和知識圖譜（見圖1）。依照專業培養目標和課程大綱，提煉出7大能力、98條問題、84個知識點，并在各個知識點內采用AI技術掛載了494個精選的相關教學資源，形成了結構和內容相對完整的知識圖譜體系。

課程知識圖譜的理念并不復雜，但其背后往往涉及龐大的信息篩選和數據整理工作，當今采用AI技術等智能化手段對信息資源的自動篩選，效率遠超于教師人工整理。目前，已有部分高校研究了用專業工具搭建學科知識圖譜的本體模型，但視覺展示效果欠佳［5］。因此，要想使知識圖譜在建設完成后達到學生好用、教師好維護的水準，學校教師（教研室）與商業教育平臺合作是最佳途徑。教師對所教課程最為了解，而商業平臺擁有大量IT技術資源，二者相互結合，專業的事情交給專業的人來做，這樣平臺的搭建效率才能最高。

（二）課程教師建設內容

課程教師的建設工作主要在前期，即確定知識圖譜的主干框架及整理課內資料等。

第一個層次為確定主干框架?；贠BE理念，以目標為導向，反向設計、正向實施，即按照培養目標最末端的學生能力，先確定能力圖譜。能力圖譜一般與該門課程的教學大綱能力要求一致，如圖2所示，對學生的知識、技能、素養、道德等多方面能力提出了全面的要求。

第二個層次為確定問題圖譜。學生須要帶著問題去學習課程的知識，有目標地理解知識點中的重點與難點。須要注意的是，問題圖譜中的問題不是課程目錄結構的簡單羅列，也不是課程中專業名詞定義的簡單重復。問題不能過于寬泛，讓學生無法回答；問題的答案要結合課程中具體的知識點，最好能跨多個知識點體現出它們之間的關聯。例如，問題1“軌道車輛裝備是什么？”顯然不是一個好問題，它的提問太模糊，概念太大，對于學生學習這門課程的知識也沒太大幫助。如果把這個問題改成“我們在‘軌道車輛裝備’課程中研究的車輛子系統有哪些？”，才會引導學生從宏觀上梳理課程的章節內容、研究對象等。

第三個層次是提取知識地圖，這是整個知識圖譜中最重要的內容，需要教師和平臺方反復溝通與確認。知識地圖相當于是樹狀的知識點結構，而網狀的知識圖譜結構要在基礎的樹狀結構下進行豐富，知識地圖中的每個葉子節點就是知識圖譜中的知識點節點。知識地圖的梳理工作量較大，可以在課程教材的章節結構下，由平臺方代為梳理。此時，教師須進行審核確認，著重注意以下幾個方面。

1.注意篩選知識點的重點主次。平臺方梳理的知識點內容往往重要度都一樣，教師須要根據課程講授的實際環節進行設計，確定知識點的主次，并刪減一些不重要的知識點。

2.控制知識點在各章節中的密度。平臺方梳理的知識點有以下特點：教材中像定義類等結構規則的內容，列出的知識點較多，而分析類、計算類等不容易區分定位的知識則容易被忽略，而每一章節中的分析計算往往是對于學生能力培養更重要的知識。因此，教師在審核中須要合理調整知識點的密度，不讓分類定義等概述性知識占比過大。本課程一共梳理出8個大類的知識點（見圖3），除了按照教材章節提出的6個大類以外，針對課程要求學生須要對不同車型各個系統的特點進行橫向比較，單獨提煉出一個橫向知識點比較的大類以及思政案例的大類。

最后是課內資料的整理。知識圖譜每個知識點對應的學習資源包括課內資料和網絡資源，由于課內資料的體系性和權威性，學生在利用知識圖譜學習時會花費更多時間在課內資料上。教師須整理的內容包括課程視頻（MOOC、微課、課堂錄像）、電子教材、教學PPT、教學大綱、教學日歷等，以滿足學生對各個知識點的基礎學習；對于一些重點章節和知識點，可以有針對性地整理演示動畫、練習題庫、虛擬仿真平臺鏈接等補充資源。最后，由平臺方將資源分解并精準對應至各個知識點。

（三）平臺方建設內容

在教師和平臺方合作建設的模式下，平臺方承擔了知識圖譜建設的主要工作，包括運營平臺的搭建、知識體系的梳理、關聯、完善等。

1.提供成熟穩定的知識圖譜線上平臺，包括硬件平臺和軟件平臺。硬件平臺即網站服務器的部署及網絡環境，主要有兩種方式：第一種可以將服務器部署在社會公共機房或云機房，使用公網接口，由平臺方公司長期負責網站代碼、IP、域名等的維護管理。這種方式對于課程教師和學校來說不需要太多專業的網絡技術，有利于網站長期安全穩定運行，但需要一定的維護費用。第二種方式是將服務器部署在學校內部，使用教育網接口及內網穿透ip和域名，好處是硬件部署在本地，沒有公司關閉網站關閉的風險，缺點是技術門檻較高，維護復雜。

在軟件平臺方面，須要提供代碼成熟、架構符合時代、界面美觀、用戶易用的知識內容管理系統，提供用戶管理、內容瀏覽、內容維護、學習管理等功能。需要注意：頁面具備多種主流瀏覽器的兼容性、無插件安裝要求，須保證平臺在未來數年內能穩定兼容計算機系統的更新換代；教師和學生在使用過程中的易用性，即保證用戶在正常的思維邏輯下點擊頁面各項鏈接的過程。

2.知識體系的梳理、關聯、完善。主要分為四個步驟。步驟一：平臺方根據課程教師提供的資料梳理提取課程地圖，詳細設計與呈現課程講解邏輯，將內容劃分為知識點和思政點等；步驟二：根據課程的教學特色定義知識關系字典，通用的關系例如包含關系、順序關系、相關關系等，也可根據課程的學科特點建立自定義關系；步驟三：將課程地圖的知識點和關系字典進行知識網狀關聯，通過平臺引擎的展示，可以直觀地呈現課程知識結構以及各知識點之間的聯系，幫助學生按圖索驥，進行個性化學習；步驟四：對每個知識點進行學習資源掛載，必選的內容包括課程教師提供的教材、PPT、課程視頻，并精準定位到知識點對應的位置片段，另外，可根據AI引擎在外網抓取篩選相關詞條的學習資源，例如百科詞條、外校MOOC講解、短視頻等，通過豐富的資源掛載，讓學生更充分地理解和掌握知識點。

（四）整體流程和注意問題

知識圖譜的合作建設整體流程分為三個大模塊、八個步驟，如圖4所示。

此流程是以平臺方為主的整體建設流程，課程教師在準備梳理準備資源時可以不完全按照此順序，例如教師可以根據專業培養計劃，按照“3+1”層體系提前梳理能力圖譜和問題圖譜，后續方便平臺方進行知識銜接。平臺方在建設過程中須要經常與課程教師保持溝通，及時聽取教師的意見；課程教師也要盡量在建設前期及時將意見反饋給平臺方，避免后期架構搭建完成之后內容難以調整。

三、知識圖譜的應用

（一）教師的知識圖譜應用

在知識圖譜建設完成后，對“軌道車輛裝備”課程知識圖譜的教學應用進行了探索。知識圖譜的主要內容是分類離散后的知識點，更加適合成為輔助教師教學和輔助學生自主學習的工具，作為線上MOOC或SPOC平臺之外的輔助平臺存在，也可用于線上線下結合的一體式教學。

教師利用知識圖譜開展教學活動時，以知識點為核心，在每次課前通過知識點篩選本次課的重要知識點，打包組成學習任務分發給學生；學生在聽完本次課的線上或線下課程后，在課程平臺上根據任務學習知識點；學生學習完成后，教師可在平臺分析學生的知識學習和掌握情況。應用流程如圖5所示。

需要注意的是，由于現在學生在學習過程中既有MOOC等線上平臺的觀看要求［6］，又有傳統課后作業等要求，所以，教師在利用知識圖譜開展教學時，須要注意對知識點的精細化定位，避免采取每次把知識點全部選中發放任務的粗放模式，杜絕學生為了完成任務而完成任務，達不到梳理、鞏固知識學習的目標。

（二）學生的知識圖譜應用

學生利用知識圖譜開展自主學習和考前復習是知識圖譜應用的另一重要方面。學生可以根據課程學習目標，選擇全局整體學習或者按圖索驥局部強化學習。如果是全局學習，知識圖譜具有豐富的學習路徑，學生可以以知識、問題、能力三條路徑作為切入點進行學習；如果是局部強化學習，學生在知識點學習上可以實現學練一體，針對單個知識點完整學習各種資源，并結合對應的問題和習題進行鞏固。利用知識圖譜的自我統計功能，學生可以實現自適應學習，及時掌握學習進度，根據學習節奏逐步提升。

結語

知識圖譜是教育行業在信息時代中的又一個新產物，相當于把傳統書面上的知識結構圖搬到計算機網絡上，提高了信息的維度和廣度，擴展了受眾范圍。軌道車輛專業課程知識點繁多而零散，學生在學習中往往是學了下一章、忘了上一章。知識圖譜能夠體現出整門課程的知識脈絡和邏輯，將知識點之間的關系以圖譜的方式進行可視化顯示，并且能夠利用AI技術在網絡上自動關聯相關的課外知識點，這對于學生掌握整體的知識體系非常有利，也利于教師引導學生高效學習。

本文僅以“軌道車輛裝備”課程為例，嘗試和摸索了知識圖譜的搭建流程與應用，目前，知識圖譜建設仍有不足的地方，后期還有一些重要的工作要開展，比如結合實際教學效果和學生意見，對知識點關聯關系進行修正維護?？傊谛聲r代背景下，我們希望形成一種利用知識圖譜這種新興工具開展教學的新模式，更好地順應時代的潮流和技術的發展，進而在培養新工科人才的過程中實現突破。

參考文獻

［1］李敏，唐春玲.知識圖譜在信息技術專業群課程資源建設中的應用研究［J］.信息技術與應用，2019（21）：22-23.

［2］教育部.關于一流本科課程建設的實施意見：教高〔2019〕8號［A/OL］.（2019-10-30）［2023-08-12］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201910/t20191031_406269.html.

［3］涂建華，肖珺怡，姜廣峰.構建微積分知識圖譜 助推一流課程建設［J］.中國大學教學，2020（11）：33-37.

［4］李誠祥，劉自聃，宋澤，等.仿生知識圖譜構建研究［J］.軟件導刊，2023，22（3）：68-77.

［5］李家瑞，李華昱，閆陽，等.基于事件抽取的學科建設知識圖譜構建與應用［J］.計算機系統應用，2022，31（11）：100-110.

［6］白天，周航，楊詩睿，等.面向虛擬教研室建設的課程知識圖譜構建和應用［J］.計算機教育，2023（2）：161-165.

Exploration of Knowledge Graph Construction under the Online Internet Course Platform： Taking Rail Vehicle Equipment as an Example

CHEN Yu， LIU Zhi-ming， WANG Bin-jie

（School of Mechanical， Electronic and Control Engineering， Beijing Jiaotong University，

Beijing 100044， China）

Abstract： With the development of the information era， a large number of online course platforms have emerged in the education， and knowledge graphs have gradually integrated into education and teaching from an information tool. Taking the national first-class course “Rail Vehicle Equipment” as an example， this article explored the path and methods of developing and constructing a course knowledge graph through cooperation between universities and internet enterprises basic on the online course platform mode. In response to the problems encountered during the construction process， experience and suggestions were proposed. An attempt was made to guide students’ learning through knowledge graphs in online and offline mixed teaching， and good results were achieved. It is a useful exploration of using knowledge graphs to carry out new teaching models in the new era， which will help to achieve breakthroughs in the process of cultivating new engineering talents education.

Key words： knowledge graph; university teaching; online courses