基于知識圖譜的“算法設(shè)計(jì)與分析”課程個(gè)性化教學(xué)實(shí)踐

錢濤

關(guān)鍵詞：知識圖譜；算法；個(gè)性化教學(xué)

1引言

“算法設(shè)計(jì)與分析”課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)的核心課程。該課程的開設(shè)旨在培養(yǎng)學(xué)生算法的分析能力以及解決實(shí)際問題的能力，從而將實(shí)際應(yīng)用與算法理論進(jìn)行有效結(jié)合。雖然“算法設(shè)計(jì)與分析”課程的知識體系并不繁雜，但其呈現(xiàn)的知識體系描述比較抽象，知識點(diǎn)之間關(guān)系多樣化，導(dǎo)致學(xué)生難以理解。由于算法思想抽象、復(fù)雜且概念偏多、理論性較強(qiáng)，同時(shí)需要將理論應(yīng)用于實(shí)際應(yīng)用問題中，在教學(xué)過程中存在一些問題：（1）學(xué)生普遍反映學(xué)習(xí)該課程難度較大，理解并靈活應(yīng)用算法比較困難；（2）由于學(xué)生學(xué)習(xí)水平參差不齊，傳統(tǒng)教學(xué)方式很難照顧到每一個(gè)學(xué)生，做到因材施教。因此，如何應(yīng)用科學(xué)的先進(jìn)教學(xué)理念、通俗易懂的教學(xué)方法，特別是應(yīng)用一些人工智能新技術(shù)作為輔助教學(xué)手段傳授課程內(nèi)容，對任課教師來說是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

知識圖譜是美國Google公司于2012年提出，它利用信息處理、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)把復(fù)雜的知識以圖譜方式展示出來[1]。知識圖譜本質(zhì)是一個(gè)語義網(wǎng)，它是圖狀的且具有關(guān)聯(lián)性的知識集合。把知識圖譜引入課程教學(xué)，可以很好地展現(xiàn)課程整體知識框架、知識點(diǎn)以及知識關(guān)聯(lián)等，可有效地對課程知識脈絡(luò)進(jìn)行梳理，有助于學(xué)生充分理解課程知識。另外，利用知識圖譜，可以及時(shí)了解學(xué)生掌握知識的差異性，并針對不同學(xué)生實(shí)現(xiàn)差異性教學(xué)。近年來，國內(nèi)外高校逐漸開始重視把知識圖譜技術(shù)應(yīng)用于課程教學(xué)，如將知識圖譜技術(shù)應(yīng)用于智慧課堂[2]、翻轉(zhuǎn)課堂[3]及MOOC教學(xué)[4]等，都取得了良好的教學(xué)效果。

本文提出把知識圖譜技術(shù)應(yīng)用于“算法設(shè)計(jì)與分析”課程，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化教學(xué)。在充分調(diào)研課程領(lǐng)域本體模型及其實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建該課程知識圖譜，從而進(jìn)一步地將知識圖譜融人教師備課、課堂教學(xué)、課下作業(yè)布置及課外輔導(dǎo)等一系列教學(xué)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)的精準(zhǔn)化、個(gè)性化。

2“算法分析與設(shè)計(jì)”課程知識圖譜構(gòu)建

2.1課程知識體系

梳理課程知識體系是構(gòu)建課程知識圖譜的關(guān)鍵。本文從問題一方法一應(yīng)用一實(shí)例出發(fā)，列出“算法設(shè)計(jì)與分析”課程整個(gè)知識體系與單元邏輯結(jié)構(gòu)，如圖1所示。對于該課程來說，最重要的是掌握5個(gè)常用算法，即分治法、動態(tài)規(guī)劃法、貪心法、回溯法和分支限界法。從算法思想角度看，這5種算法可分為2類，即分解為子問題與解空間搜索。雖然不同的算法可能解決的問題有所不同，但同一個(gè)問題通?？捎枚喾N算法來解決，這要求學(xué)生不僅要掌握每個(gè)算法的應(yīng)用，還要理解這5類算法之間的聯(lián)系與區(qū)別。

2.2課程知識圖譜構(gòu)建

知識本體建模是構(gòu)建知識圖譜的首要步驟，是對領(lǐng)域知識結(jié)構(gòu)與概念進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程。其主要包括本體設(shè)計(jì)、關(guān)系設(shè)計(jì)及屬性設(shè)計(jì)。教育知識本體建模的目標(biāo)是建立學(xué)科領(lǐng)域知識關(guān)聯(lián)，并能評估學(xué)生對該知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)與認(rèn)知能力。因此，需要從知識組織與認(rèn)知能力2個(gè)層次來設(shè)計(jì)教育知識本體。

不同課程對應(yīng)不同的知識體系，其知識本體元模型也是不同的。對算法來說，其知識內(nèi)容通常是明確的，如包含設(shè)計(jì)思想、求解步驟、適用條件、復(fù)雜度分析及實(shí)例應(yīng)用等。對算法的每一具體知識，其能力要求也是不同的。圖2給出了動態(tài)規(guī)劃算法的知識圖譜示例。對于每個(gè)知識點(diǎn)，根據(jù)教學(xué)大綱及教學(xué)目標(biāo)，設(shè)計(jì)了不同的能力要求等級。

3知識圖譜指導(dǎo)的個(gè)性化教學(xué)實(shí)踐

知識圖譜指導(dǎo)的個(gè)性化教學(xué)模式通常是以課程知識圖譜為核心，將知識圖譜融人課前教師備課與學(xué)生預(yù)習(xí)、課堂教學(xué)、課后作業(yè)布置及課外輔導(dǎo)等一系列教學(xué)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)的精準(zhǔn)化、個(gè)性化。具體步驟如下。

（1）課前：借助課程圖譜生成針對該課程內(nèi)容教學(xué)模塊的一系列知識子圖譜，獲取與所要講解新知識點(diǎn)相關(guān)的知識點(diǎn)及知識關(guān)聯(lián)，選擇與知識點(diǎn)相對應(yīng)的預(yù)習(xí)題目，進(jìn)而了解每位學(xué)生對這些知識點(diǎn)的掌握情況。教師根據(jù)預(yù)習(xí)結(jié)果有針對性地對教學(xué)內(nèi)容做調(diào)整。

（2）課堂教學(xué)中：以知識圖譜涉及的知識點(diǎn)為重點(diǎn)講解內(nèi)容，由已學(xué)知識點(diǎn)引入新知識點(diǎn)，根據(jù)知識點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)組織課堂教學(xué)，并沿知識圖譜中的知識點(diǎn)關(guān)聯(lián)延展到其他新知識點(diǎn)，根據(jù)具體問題設(shè)計(jì)教學(xué)知識圖譜，便于學(xué)生理解課程內(nèi)容的知識體系。

（3）課后：復(fù)習(xí)時(shí)以知識圖譜為主體，充分利用相關(guān)教學(xué)資源，并根據(jù)每位學(xué)生對學(xué)習(xí)的知識點(diǎn)掌握情況，由個(gè)性化教學(xué)平臺發(fā)布適合每位學(xué)生的個(gè)性化作業(yè)。每個(gè)作業(yè)題目與一個(gè)或多個(gè)知識點(diǎn)相連，利用知識點(diǎn)與能力的映射關(guān)系，并根據(jù)學(xué)生的作業(yè)情況，對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評估。教師根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)效果，精準(zhǔn)輔導(dǎo)，以實(shí)現(xiàn)真正的因材施教。

（4）課程總結(jié)：完成本課程的教學(xué)工作后，個(gè)性化的教學(xué)平臺會為每位學(xué)生進(jìn)行畫像，即形成每位學(xué)生的知識圖譜，直接展示學(xué)生的知識掌握情況。

本文對知識圖譜教學(xué)實(shí)踐效果進(jìn)行分析，在“動態(tài)規(guī)劃算法”課程教學(xué)的過程中，將2022級計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生分為A，B兩組。A組25位學(xué)生采用知識圖譜教學(xué)個(gè)性化教學(xué)，B組25位學(xué)生采用傳統(tǒng)方式教學(xué)。完成教學(xué)內(nèi)容學(xué)習(xí)后，通過標(biāo)準(zhǔn)化試題測試2組學(xué)生對該算法的掌握情況。圖3所示為2組學(xué)生的測試成績。數(shù)據(jù)顯示，使用知識圖譜教學(xué)個(gè)性化模式的A組學(xué)生平均成績顯著高于B組學(xué)生。

4結(jié)束語

以知識圖譜為驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)知識點(diǎn)、知識關(guān)聯(lián)及能力為統(tǒng)一評價(jià)的教學(xué)實(shí)踐，有助于為學(xué)生提供個(gè)性化教學(xué)服務(wù)，增強(qiáng)自主學(xué)習(xí)的積極性。本文將知識圖譜引入“算法設(shè)計(jì)與分析”教學(xué)中，構(gòu)建了“算法設(shè)計(jì)與分析”課程知識圖譜，設(shè)計(jì)了一種知識圖譜驅(qū)動的個(gè)性化教學(xué)模式。將課程內(nèi)容知識圖譜引入教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，即在課前、課中、課后及課程總結(jié)等均以知識圖譜為指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了對學(xué)生的精準(zhǔn)化和個(gè)性化教學(xué)。