Java課程體系本體系統(tǒng)構(gòu)建探索

王巖 歐歌 向健 黃嵐

摘要：針對高校Java課程設(shè)置存在的課程結(jié)構(gòu)不緊密、知識點(diǎn)銜接不連貫等問題，文章提出引入本體技術(shù)解決Java課程體系建立過程中存在的上述情況。通過分析Java體系中相關(guān)課程的特點(diǎn)以及各個知識點(diǎn)之間的聯(lián)系，提出以Java課程體系為例的課程本體構(gòu)建方法。通過搭建課程本體系統(tǒng)，對課程之間的知識點(diǎn)進(jìn)行有效的管理和規(guī)劃，體現(xiàn)各個課程之間的關(guān)系和內(nèi)在聯(lián)系，為學(xué)生推薦科學(xué)合理的學(xué)習(xí)安排，提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)效率。

關(guān)鍵詞：Java課程體系；本體推理；大數(shù)據(jù)課程；安卓課程；J2EE課程；Android

1Java課程體系現(xiàn)狀

Java語言是一種典型的面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言，具有高效、安全、能在不同平臺之間移植的優(yōu)秀特性。依照2016年2月最新的TIOBE編程語言排行榜公布的結(jié)果，Java語言位居榜首，占有率達(dá)21.145%。

鑒于Java語言的普及程度，國內(nèi)外很多高校已將其作為計算機(jī)專業(yè)學(xué)生必須掌握的編程語言。根據(jù)教育部計算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會最新制定的白皮書，Java語言課程已經(jīng)被列為計算機(jī)專業(yè)核心課程。與Java語言配套的相關(guān)課程也在不斷跟進(jìn)，如Java數(shù)據(jù)庫管理、J2EE框架、安卓開發(fā)以及基于Java的大數(shù)據(jù)分析架構(gòu)平臺等，這些課程的出現(xiàn)也在推動著Java課程體系的進(jìn)一步形成和完善。但是由于傳統(tǒng)教學(xué)課程體系設(shè)置的滯后，存在課程結(jié)構(gòu)不夠分明、授課聯(lián)系不夠緊密等問題，課程之間各個知識點(diǎn)的銜接不夠明確和恰當(dāng)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中存在一定的迷茫和阻礙。例如，很多學(xué)生想要系統(tǒng)地學(xué)習(xí)Java相關(guān)內(nèi)容，但是由于Java涉及的課程和技術(shù)非常多，學(xué)生不知道如何開始打基礎(chǔ)，也不知道下一步該學(xué)習(xí)什么，甚至經(jīng)常本末倒置難以系統(tǒng)地掌握J(rèn)ava技術(shù)及其相關(guān)技能的精髓和發(fā)展趨勢。

2本體及課程本體

在哲學(xué)領(lǐng)域方面，本體定義的解釋為：本體是有關(guān)物體客觀存在的，是對客觀存在事物的合理性解釋和說明，它注重的是客觀現(xiàn)實(shí)存在的抽象本質(zhì)。1998年，Studer等學(xué)者對其內(nèi)涵進(jìn)行了細(xì)致的探索，他們普遍相信本體是“共享概念模型的明確形式化規(guī)范說明”。不同的應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)用各自的術(shù)語或詞表來描述信息資源，因此在不同的系統(tǒng)間共享知識變得十分艱難。所以，本體可以成為一種紐帶，將實(shí)際的語法表達(dá)形式和這種表達(dá)的抽象概念模型聯(lián)系起來。

課程本體則是與課程概念有關(guān)的一個基本框架。對課程本體的探索其實(shí)是對它所包含的知識點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)在分析以及關(guān)系探索。一般來講，課程本體是由課程中存在的定義、定義之間的關(guān)系以及形式化描述語言構(gòu)成的，其構(gòu)建目標(biāo)是形成對課程內(nèi)部知識點(diǎn)層次的共同理解。課程本體具有描述特定課程中概念間聯(lián)系的功能。

從本體角度可以將課程結(jié)構(gòu)劃分為3層，分別是課程概念、章節(jié)概念和知識點(diǎn)概念。因?yàn)檎n程概念包含章節(jié)概念，章節(jié)概念包含知識點(diǎn)概念，因此定義上下層概念之間的關(guān)系為：contain_with和belong_to，即包含和屬于關(guān)系。在課程體系中，各課程的知識點(diǎn)之間還存在著前導(dǎo)、后續(xù)和相關(guān)關(guān)系，所以知識點(diǎn)之間的另外三種關(guān)系定義為：prerequisite_for、follow_up和related_to。借助本體構(gòu)建工具Protege創(chuàng)建本體關(guān)系如圖1所示。

3Java課程體系構(gòu)建

如前所述，當(dāng)前高校課程設(shè)置存在著諸多問題，學(xué)生在學(xué)習(xí)Java的過程中也遇到了課程聯(lián)系不夠緊密、知識點(diǎn)過于分散、理論與實(shí)踐脫離等實(shí)際問題。而且，由于Java相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展非常迅猛，目前很多高校的教學(xué)安排難以滿足學(xué)生對學(xué)習(xí)Java及其相關(guān)技術(shù)的所有需求。因此，應(yīng)對當(dāng)前的Java課程進(jìn)行合理的規(guī)劃和調(diào)整，以滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和市場上人才培養(yǎng)的要求，則變得至關(guān)重要。

通過查閱大量關(guān)于Java教學(xué)計劃的資料，在文獻(xiàn)提出的Java體系結(jié)構(gòu)方案的基礎(chǔ)上，我們擴(kuò)展引入了最新的大數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)科學(xué)課程內(nèi)容，將其作為所要構(gòu)建Java本體系統(tǒng)的課程體系結(jié)構(gòu)參考。該Java體系結(jié)構(gòu)以Java開發(fā)語言為整個課程體系的核心，以c語言和C++語言為基礎(chǔ)，并將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法設(shè)計作為輔助課程。在掌握J(rèn)ava語言課程之后，可以進(jìn)行高級開發(fā)部分的學(xué)習(xí)，如選擇具有實(shí)際應(yīng)用意義的J2EE和Android開發(fā)作為教學(xué)實(shí)踐部分。與此同時，在高級課程部分還融入了數(shù)據(jù)庫理論和軟件工程兩部分內(nèi)容，幫助學(xué)生在項目驅(qū)動的理念下，更好地掌握J(rèn)ava及其相關(guān)技術(shù)。為了培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動手能力，除了必要的理論課程教學(xué)外，還添加了一些實(shí)踐課程和具體的課外培養(yǎng)計劃?？紤]到大數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)科學(xué)的快速發(fā)展，Java在云計算、Hadoop等相關(guān)方向的技術(shù)發(fā)展也越來越受到人們的關(guān)注和重視，因此在文獻(xiàn)的Java課程體系中擴(kuò)展了云計算和Hadoop兩門課程作為Java在大數(shù)據(jù)技術(shù)方面的擴(kuò)展。構(gòu)建Java本體系統(tǒng)參照的Java課程體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4課程本體構(gòu)建

4.1Java課程體系本體系統(tǒng)構(gòu)建

參照圖1的Java課程體系，可以將以下課程安排作為構(gòu)建本體系統(tǒng)的基礎(chǔ)：算法分析與設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、c語言程序設(shè)計、c++程序設(shè)計、Java程序設(shè)計語言、JavaEE架構(gòu)與程序設(shè)計、Android開發(fā)、軟件工程、云計算技術(shù)、Hadoop等。依照前述定義的3種概念（即課程概念、章節(jié)概念和知識點(diǎn)概念），借助本體構(gòu)建工具Protege對Java課程本體進(jìn)行創(chuàng)建。具體的課程概念及其實(shí)例表示的示例如圖3所示。

在導(dǎo)入3種概念對應(yīng)的實(shí)例之后，再通過已經(jīng)定義各個概念之間的contain_with和belong_to，將課程實(shí)例、章節(jié)實(shí)例以及知識點(diǎn)實(shí)例聯(lián)系起來。以Java程序設(shè)計語言為例，該課程的概

4.2課程本體概念之間的關(guān)系

以上只是定義了上下級概念之間的兩種關(guān)系，實(shí)際上同—概念中的多種實(shí)例之間也存在很多關(guān)聯(lián)。例如我們學(xué)習(xí)的每門課程本質(zhì)上都是由知識點(diǎn)構(gòu)成的，而知識點(diǎn)之間則存在多種聯(lián)系。通過整理總結(jié)這些知識點(diǎn)間蘊(yùn)含的內(nèi)在聯(lián)系，構(gòu)建本體概念聯(lián)系，可以推導(dǎo)出課程體系中全部課程的先后排列順序；進(jìn)而，利用這些推導(dǎo)結(jié)果更好地為學(xué)生提供準(zhǔn)確的學(xué)習(xí)指導(dǎo)。

使用前面定義的知識點(diǎn)間3種關(guān)系（prerequisite_for、follow_up和related_to），可念結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，圓點(diǎn)表示contain_with，菱形表示belong_to。其中列出了Java課程實(shí)例、所有章節(jié)實(shí)例以及第一章Java語言概述包含的知識點(diǎn)實(shí)例。

以在知識點(diǎn)這一層次上建立概念間的關(guān)系作為課程本體推理的基礎(chǔ)，幫助推導(dǎo)課程概念之間的隱含聯(lián)系。

為了更好地說明Java課程體系中各個課程之間的關(guān)系，可以選取Android開發(fā)、Java程序設(shè)計語言、數(shù)據(jù)庫原理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法分析與設(shè)計等部分課程本體中的知識點(diǎn)概念來說明課程本體之間的關(guān)系，如圖5所示。

Android開發(fā)課程的第一章主要介紹了Android的基礎(chǔ)知識，主要包含了Android概述、特點(diǎn)、簡單示例、搭建環(huán)境等內(nèi)容。在學(xué)習(xí)這些知識點(diǎn)之前，學(xué)生需要有Java語言相關(guān)的知識點(diǎn)為基礎(chǔ)，因此，Java程序設(shè)計語言這—課程中存在著Android開發(fā)課程的前導(dǎo)知識，即prerequisite_for關(guān)系。

在實(shí)際的Android項目開發(fā)中，除了Java語言基礎(chǔ)，還需要數(shù)據(jù)庫技術(shù)的支持。在學(xué)習(xí)完數(shù)據(jù)庫原理課程的所有知識點(diǎn)之后，可以繼續(xù)對Android開發(fā)課程中有關(guān)可持續(xù)化存儲的知識進(jìn)行研究。所以，Android開發(fā)課程中關(guān)于數(shù)據(jù)庫應(yīng)用部分的知識點(diǎn)是數(shù)據(jù)庫原理課程中部分知識點(diǎn)的后續(xù)知識，即follow_up關(guān)系。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法分析與設(shè)計是計算機(jī)專業(yè)的學(xué)習(xí)必須掌握的基礎(chǔ)課程。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)這門課程中，講述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識的同時也對算法時間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度知識點(diǎn)進(jìn)行了介紹。而在算法分析與設(shè)計課程中，在學(xué)習(xí)具體的算法知識之前，也需要掌握一些基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識，這些知識點(diǎn)之間并沒有明確的先后關(guān)系。因此，將它們定義為相關(guān)關(guān)系，即related_to關(guān)系。

5課程體系本體在學(xué)習(xí)中的應(yīng)用

Java課程體系中包含了與Java技術(shù)相關(guān)的多種課程，這為Java學(xué)習(xí)者提供了一個較為全面的課程學(xué)習(xí)體系，也為培養(yǎng)掌握J(rèn)ava多項技術(shù)的全面型人才奠定了基礎(chǔ)。文中所構(gòu)建的課程體系本體能夠很好地解決教學(xué)上出現(xiàn)的問題，建立起能夠?qū)χR點(diǎn)進(jìn)行有效管理的本體知識庫。在以往的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生總是對先學(xué)習(xí)哪門課程或是后學(xué)習(xí)哪門課程存在疑問，而教師也僅能憑借自己的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)為學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)。然而，文中建立的課程體系本體能夠幫助學(xué)生進(jìn)行更加系統(tǒng)的學(xué)習(xí)安排，為學(xué)生提供一個較為合理的學(xué)習(xí)規(guī)劃。Java課程體系本體系統(tǒng)的查詢界面及查詢效果示例如圖6和圖7所示。

該本體構(gòu)建策略同樣可以作為其他課程體系的有力參考。在未來的工作中，可以將整個計算機(jī)學(xué)院課程導(dǎo)人課程本體，構(gòu)建出面向全計算機(jī)學(xué)科的知識參考模型.。另外，目前3層概念之間的關(guān)系都是人工定義的，當(dāng)課程數(shù)量非常多的時候，這些對應(yīng)關(guān)系不僅僅可以人工提供，還可以通過數(shù)據(jù)挖掘手段來獲取，比如MOOC筆記、各種課程網(wǎng)站的內(nèi)容分析等。這兩方面的工作將會使整個計算機(jī)課程本體更具有合理性，也為學(xué)生的學(xué)習(xí)過程提供極大的幫助。

6結(jié)語

文中系統(tǒng)可以有效指導(dǎo)學(xué)生對Java及其相關(guān)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)；同時，文中系統(tǒng)也適合推廣到其他課程的本體構(gòu)建中作為參考，使學(xué)生可以更為科學(xué)合理地安排自己想要學(xué)習(xí)的課程，并事半功倍地達(dá)到學(xué)習(xí)目的。