知識圖譜在計算機網絡課程教學中的應用設想

摘要：針對計算機網絡的課程特點和教學實際，提出了引入知識圖譜以輔助傳統課堂教學、提高課程教學數智化的思路，闡述了如何運用知識圖譜構建課程知識體系、智能教材體系、輔助教師備課、生成學習路徑等，旨在為該課程建設和改革提供參考。

關鍵詞：知識圖譜；計算機網絡；教學數智化；可視化

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）05-0132-03 開放科學（資源服務） 標識碼（OSID） ：

數智化時代的到來，以及人工智能大模型的技術突破，為高等教育帶來了前所未有的機遇與挑戰。與此同時，網絡強國戰略與新基建作為驅動國家發展的兩大核心戰略導向，對網絡人才的培養提出了更高更迫切的期許[1]。計算機網絡，既是計算機類專業學生的基礎必修課，也是很多其他專業學生的公共基礎課，對于學生掌握網絡原理、協議機制、技術方法及拓寬專業視野具有重要作用，對于學科建設和人才培養舉足輕重[2]。該課程因其知識領域寬泛、理論抽象、與實踐結合緊密、技術更新速度快等特點，常使學生感到內容枯燥、理解難度大，難以構建完整的知識體系，在實際授課和學習過程中面臨諸多挑戰。

1 計算機網絡的課程特點與教學現狀

1.1 知識涵蓋領域寬泛，抽象性強

計算機網絡是現代計算機技術與通信技術相結合的產物，其體系結構、協議設計及運行模式等受到通信技術、計算機軟硬件、電子技術、商業策略乃至歷史原因等多重因素的交叉影響，這使得其知識構成既寬泛又復雜。傳統的計算機網絡課程教學，通常按照OSI七層模型或TCP/IP四層模型進行逐層講解，學生往往疲于記憶知識點，按照不同層次來理解知識，卻忽視了計算機網絡是一個整體，各層之間存在緊密而復雜的聯系，因此難以從宏觀層面把握這一龐大復雜的體系結構。此外，計算機網絡中的許多概念和原理都是抽象的，如網絡層的路由算法、傳輸層的流量控制等，對這些抽象概念的理解需要一定的數學和邏輯思維能力，對于初學者來說具有一定難度。

1.2 教材內容有限，更新速度慢

教材作為知識和信息的載體，是教師授課的重要依據，是學生獲取知識的主要來源，教材的內容和質量直接影響到教學質量和學習效果。盡管當下教材的形態多樣，涵蓋傳統紙質書籍到電子文檔乃至視頻教程等，但其所記載的知識與信息都是靜態的。隨著網絡強國戰略的深入實踐，計算機網絡領域的新理論、新技術、新設備不斷涌現，這要求計算機網絡課程必須緊跟時代步伐、迅速吸納新知。然而，這種靜態化的信息記錄模式，極大地束縛了教材內容的更新迭代。經常能夠看到，一本教材在作者撰寫時尚屬前沿，待出版后，書中的很多知識點已暗淡褪色，而新興的知識卻難以及時更新。這種知識更新的滯后性，無疑給教和學帶來了沉重的負擔，挑戰著教育的時效性與前瞻性。

1.3 傳統教學注重知識傳授，因材施教不夠

傳統的計算機網絡教學模式往往是以教師為中心，教師通過PPT、現場講解等方式將計算機網絡的概念、原理和技術等知識逐層傳遞給學生，學習進度和學習內容深度均由教師把控，學生作為聽眾按部就班地逐層進行學習，完成作業，最后參加標準化考核得到課程成績。這種“教師講，學生聽”的知識灌輸模式雖然注重了知識的完整性和系統性，但卻忽略了學生的個體差異，如學習基礎、認知方式、興趣愛好等，難以進行有針對性的教學設計和調整，難以兼顧學生日趨多樣化的學習需求，難以激發學生主動探索和自主學習的積極性，不利于學生適應這個知識爆炸的時代和快速更新的技術環境。

2 知識圖譜核心技術與優勢

當前，知識圖譜已成為人工智能領域的熱門技術，在自然語言處理、智能搜索、個性化推薦、輔助決策等多個領域均展現出強大的應用潛力和推廣價值[3]。知識圖譜具有豐富的語義信息和強大的表達能力，它以實體為節點、以關系為邊，以圖形化的方式直觀展示知識之間的復雜關聯，所謂“一圖勝千言”，圖形比文本或表格更加符合人類的認知方式，更加直觀和易于理解；而且，新的節點和邊也可以很方便地添加到現有圖譜中，這種自適應性和高可擴展性使得知識圖譜能夠保持高度的時效性和完整性，這一特質對于快速迭代更新的計算機網絡領域尤其適用；此外，知識圖譜中的信息是結構化的，基于圖算法可以進行高效的信息檢索和復雜推理，這大大提高了用戶在海量數據中的信息處理效率，這一特質正好可以解決計算機網絡知識點多、涉及領域廣的問題；最后，知識圖譜是一種標準化的知識表達形式，可以在不同人員和系統之間進行知識共享和復用，這有助于打破信息孤島，彌補個人知識局限，提高知識的利用率[4]。

知識圖譜以其獨特的知識結構化、系統化、可視化和可擴展的優勢，非常適用于計算機網絡課程的課程特點，能夠有效解決教學中的諸多難題，為學生提供一個更加高效、直觀和有趣的學習環境[5]。

3 知識圖譜在計算機網絡課程教學中的應用設想

知識圖譜在計算機網絡課程教學中有豐富的應用場景。對于學生而言，知識圖譜可以幫助學生構建課程知識體系，實現知識的動態更新，并制定個性化的學習路徑，能夠有效激發學生的學習興趣，培養自主學習能力。對于教師層而言，知識圖譜不僅能在課前協助教師進行精準學情分析、提高備課的效率和質量；在課中，可以助力智慧課堂的建設、實施精準教學；在課后，它還能輔助教師進行作業和試卷批閱、學員考核評價等，能夠有效減輕教師的負擔，提高教研與授課的效率和質量。

3.1 課程知識體系構建與可視化

3.1.1 構建課程知識圖譜

獲取知識數據是構建知識圖譜的第一步，由教師和學生共同以眾包方式完成，構建步驟如圖1所示。首先，由任課教師在計算機網絡課程每個章節授課結束后，選擇本章中若干個重要的知識點作為關鍵詞發布初始眾包任務，學生根據這些關鍵詞展開知識聯想，發掘與之相關的知識點及其關聯，將其分別作為節點和邊相互連接，構建出屬于自己的知識子圖。之后，將不同學生構建的知識子圖中所包含的新知識點提取出來，添加到關鍵詞中并更新眾包任務，學生據此迭代知識聯想過程，得到初始的知識資源；第二步，融合知識子圖。以眾多學生所構建的知識子圖為基礎，對知識和關聯關系進行補充完善，生成課程知識圖譜。該圖譜中包含了既完整又權威的知識體系，可以作為學員對比分析、查漏補缺的參照物；第三步，將課程知識圖譜中導入Noe4j等圖形化數據庫中，借助圖數據庫強大的圖查詢和展示能力，自動繪制出知識圖譜的全貌，完成課程知識體系的可視化。

3.1.2 知識體系動態更新

動態更新課程知識體系是一個復雜但又至關重要的過程，這種更新不僅有助于保持課程內容的時效性和準確性，還有助于學生拓寬專業視野、了解學科前沿知識。知識圖譜的更新工作主要涉及知識點、屬性以及關聯關系等實體的新增、修改與刪除，這一過程可以采用如下兩種更新機制：1） 實時更新機制：借助流式數據處理技術，持續不斷地從不同數據源中獲取數據并整合，以實現知識圖譜的實時更新，確保所含知識的時效性和準確性；2） 增量更新機制：在每次開課前或結課后，定期收集現有知識實體的更新信息，在保持知識圖譜準確性的基礎上，增量更新數據，從而有效避免數據的重復處理，降低更新成本。

3.1.3 生成學習路徑

課程知識圖譜在宏觀層面為學生呈現出了整個計算機網絡的“知識地圖”。基于該可視化的“知識地圖”，學生能夠非常直觀地了解到課程的整體知識架構，了解到每個知識點的重要性以及知識之間的聯系，從而規劃出適合于自己的學習路徑，提升學習過程的趣味性和互動性。如圖3所示，展示了數據鏈路層“最短幀長”這一知識點的學習路徑，從中可以清晰地看出在學習此知識點之前需要具備哪些前置知識，以及這些知識之間的學習順序。

3.2 精準學情分析

傳統教師進行學情分析，主要依靠經驗、談話、調查問卷等方式，缺乏數據量化指標和及時反饋，具有較大的偶然性和主觀性。基于知識圖譜，可以開展精準深入的多維度學情分析，涵蓋學員知識結構、能力基礎、興趣所在、學習習慣等豐富的行為軌跡，從中既可以發現學員的薄弱知識點等顯性特征，更能挖掘出深層次的學習偏好、學習速度、認知水平等隱性特征。通過量化手段，使學情分析更加精準和客觀。針對未能達成的學習目標，知識圖譜可進行原因分析，識別出相關的薄弱知識點及其關聯依賴，進而精準定位并彌補短板。此分析既可針對單個學員，也可針對群體，具備更好的個性化和自適應性。

3.3 智能教材構建

傳統教材通常采用目錄、章節及段落的扁平化信息結構，這一結構限制了知識的擴展性和多樣性，導致知識形式單一、更新與維護困難。相比之下，基于知識圖譜構建的智能教材能夠有效解決此問題。第一步，明確智能教材的教學目標和受眾群體，精準定位教材內容，確保知識的準確性和適用性；第二步，從教材、書籍、網絡資源等多種渠道收集與教材內容相關的素材，可以是文本、圖像、視頻、鏈接、習題等多種形式，對其進行數據預處理；第三步，將上述素材作為知識的屬性添加到課程知識圖譜中，構建出知識形式多樣、素材豐富、查詢便利、可及時擴展更新的智能教材。

該智能教材具備高度的靈活性與擴展性，允許以任意節點為起點，動態調整知識布局、節點及其關聯關系。這一特性賦予了其極大的應用潛力，能夠根據不同需求，靈活便捷地服務于各類教學場景，大大減少教師的重復性勞動。

3.4 智能備課

備課是教師日常工作中一項繁重且艱辛的事情。利用知識圖譜教材，可以根據教師的教學任務和目標，設計和開發備課模板。將知識圖譜結構的教材、資源、題庫等與備課模板相結合，可以快速生成所需的課件和教案。該課件和教案能夠根據教學計劃，設定每一個教學場景，規劃教學活動時長，提前預演模擬教學過程，包括與學生的互動等；還可以與智慧教室相關聯，通過智能設備記錄教學活動中的每一個細節，然后采用深度學習和知識圖譜的協同分析，將教學活動中產生的新知識信息抽取出來，形成寶貴的樣本數據，不斷豐富教材庫、資源庫和課件庫。

此外，課程知識圖譜還能將知識點與教材、講義、習題等相關聯。根據教師所選用的教材版本和教學進度，快速準確地智能推薦符合教學需求的備課資源，顯著提升備課效率與質量。除此之外，在智能組卷和考試分析方面，課程知識圖譜作為背景知識輔助完成相關任務，同樣能夠發揮重要作用，顯著提升教研效率。

3.5 智慧課堂打造

基于對學情的精準分析，可以采用一系列的針對性教學策略，來打造智慧課堂，實現精準教學因材施教。具體做法如下：課前，利用課程知識圖譜分析學情數據，推薦課前學習資源，制定教學策略。課中，利用制定的教學策略實施針對性教學，關注重點知識點和重點學生群體，通過角色扮演、分組協作等方式豐富課堂組織形式，活躍課堂氣氛，激發學生的學習興趣，提高學習效果；同時，教師可根據實時反饋及時調整教學策略，確保每位學生都能學有所得。課后，根據學生的掌握狀況和學習能力，為他們推薦有針對性的練習題和拓展資源，消化鞏固課堂所學知識。這種數字化智能化的教學方法，不僅提升了智慧課堂的針對性和有效性，還真正貫徹了因材施教的教育理念。

3.6 作業和試卷批改

批改作業和試卷是教師又一項繁重但不可或缺的工作，包含大量重復性勞動，價值密度低，但對于教學效果評估卻比較直觀。為了減輕教師負擔，提升教學效率，克服教師的主觀因素干擾，可以依托已構建的智能教材和智能題庫，將作業和試卷批改交由智能系統完成。基于智能題庫，教師可以根據教學計劃和目標，提前在作業系統里設計并發布作業。學生完成作業后，只需要提交給智能作業批改系統之后，系統便可以快速準確地給出批改結果，并自動生成個性化的批語和指導建議；同時，系統將批改結果匯總后同步反饋給授課教師，形成個人、班級、習題等多維度的成績分析報告，幫助教師及時掌握學習情況。此外，系統還可以持續不斷累積學生的作業數據，這些數據可以作為樣本進行學習和訓練，支持多維度數據分析和預測。經過幾輪次教學數據的積累，樣本不斷豐富，對教師的考核風格和學生的學習情況就能把握越準確，作業批改的準確率就會越高。

4 結束語

知識圖譜在計算機網絡教學領域擁有廣闊的應用前景和巨大潛力，它為課程教學的數字化轉型與智能化升級提供了堅實的支撐。通過深度挖掘并充分利用知識圖譜的獨特優勢，教師能夠擺脫傳統教學中繁重的重復性勞動，進而專注于為學生提供更為高效且個性化的學習體驗。對于學生而言，知識圖譜幫助他們構建完整的知識體系，規劃清晰的學習路徑，使他們能夠便捷地審視自己的學習進度，提升學習效果。

參考文獻：

[1] 孫偉峰，王愛蓮，劉嘉華，等.基于知識圖譜的網絡類專業課程實施優化探索[J].計算機教育，2024（5）：76-81.

[2] 薛雅倩，松云.人工智能課程知識圖譜構建及個性化推薦探索[J].計算機教育，2024（6）：151-155.

[3] 郭芳.基于眾包的教育知識圖譜構建與研究[D].鄭州：鄭州大學，2017.

[4] 張慧楠，松云.面向智慧教育的課程知識圖譜構建[J].計算機教育，2023（9）：120-125.

[5] 張勇，楊進才.基于學科知識圖譜的高校教學模式研究[J].計算機教育，2021（6）：141-144.

【通聯編輯：李雅琪】