張小琴，齊曉靜，瞿思敏，魯程鵬

（河海大學(xué)水文水資源學(xué)院 江蘇 南京 210098）

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，知識圖譜作為一種新興的知識表示和管理技術(shù)已經(jīng)在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。知識圖譜（Knowledge Graph）是一種通用語義知識的形式化描述框架[2]，以圖的形式表現(xiàn)客觀世界中的實體（概念）及其之間關(guān)系的知識庫，融合了統(tǒng)計學(xué)、信息科學(xué)、語義分析、智能識別等不同領(lǐng)域的新興研究方法，為海量信息的知識提取和可視化提供了有效的技術(shù)手段[3]。在教育領(lǐng)域，知識圖譜被認(rèn)為具有巨大的潛力，可以幫助教師更好地組織和管理教學(xué)內(nèi)容，提高教學(xué)質(zhì)量[4]。

“水文預(yù)報”所依托的水利工程學(xué)科是國家一流學(xué)科，是河海大學(xué)的核心課程，涉及氣象學(xué)、地理學(xué)、數(shù)學(xué)等多個學(xué)科領(lǐng)域的知識。由于其復(fù)雜性和多樣性，主要依賴于教師講解和學(xué)生筆記的傳統(tǒng)教學(xué)方式。然而傳統(tǒng)教學(xué)方式對激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及對復(fù)雜水文過程的理解都已達(dá)到瓶頸，進(jìn)一步提升難度大。如何利用現(xiàn)代信息技術(shù)手段來提高理工基礎(chǔ)類課程的教學(xué)質(zhì)量是當(dāng)前亟待解決的問題之一。在“水文預(yù)報”課程中，構(gòu)建知識圖譜可以全面梳理課程知識點，提供知識結(jié)構(gòu)的可視化展示，進(jìn)而實現(xiàn)知識的有機(jī)組織、深入挖掘和全面利用。這不僅能夠幫助學(xué)生更好地理解知識體系，提高學(xué)習(xí)效果，同時也能輔助教師開展課程建設(shè)、教材建設(shè)和教學(xué)改革，從而提高教學(xué)能力。

1 水文預(yù)報課程知識圖譜建設(shè)

水文預(yù)報是重要的防洪非工程性措施，對于保證人民生命財產(chǎn)安全、維持社會經(jīng)濟(jì)的正常發(fā)展均具有重要的意義?！八念A(yù)報”是水文學(xué)及水資源學(xué)科的重要研究內(nèi)容，是水文與水資源工程專業(yè)一門理論性及應(yīng)用型較強的專業(yè)技術(shù)課程[5]?！八念A(yù)報”課程知識圖譜建設(shè)以增強教學(xué)效果和提升教學(xué)質(zhì)量為目標(biāo)，通過整合、分析和呈現(xiàn)這門課程的核心知識點，包括：降雨產(chǎn)流量預(yù)報、流域匯流預(yù)報、河段洪水預(yù)報、降雨徑流流域水文模型、實時洪水預(yù)報、枯季徑流預(yù)報與旱情分析、水庫水文預(yù)報及水文預(yù)報誤差和精度評定等，幫助學(xué)生更好地理解和掌握課程內(nèi)容。河海大學(xué)在智慧樹平臺建設(shè)的“水文預(yù)報”課程知識圖譜總體結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 “水文預(yù)報”課程知識圖譜總體結(jié)構(gòu)

結(jié)合“水文預(yù)報”課程特點，采用圖數(shù)據(jù)庫Graph Datebase（簡稱GDB）進(jìn)行知識圖譜制圖。圖數(shù)據(jù)庫（GDB）是指運用圖結(jié)構(gòu)實現(xiàn)文本檢索的數(shù)據(jù)，通過節(jié)點、屬性等表示、存儲數(shù)據(jù)。圖數(shù)據(jù)庫的關(guān)鍵在于圖，圖可以呈現(xiàn)出節(jié)點相互間的關(guān)系，這些關(guān)系相互間還存在隱式連接[6]，能夠聯(lián)通數(shù)據(jù)項、節(jié)點、邊，在多種情況下，只需要一個操作就能夠?qū)崿F(xiàn)檢索。河海大學(xué)水文水資源學(xué)院水文預(yù)報課程教研組圍繞“水文預(yù)報”課程知識圖譜建設(shè)開展了探索，主要工作如下。

1.1 確定知識圖譜的構(gòu)建目標(biāo)和范圍

根據(jù)“水文預(yù)報”課程的特點和教學(xué)要求，確定需要構(gòu)建的知識領(lǐng)域和內(nèi)容范圍（圖1），明確知識圖譜的目標(biāo)和用途。“水文預(yù)報”課程先介紹相應(yīng)的水文預(yù)報的概念、意義、研究現(xiàn)狀與問題以及研究思路和方法，作為基礎(chǔ)知識為后續(xù)的學(xué)習(xí)搭建了最基本的理念。然后講述流域水文模型，包括流域產(chǎn)流、流域匯流、河道流量演算與洪水預(yù)報。往下遞進(jìn)講解實時洪水預(yù)報、枯季徑流與旱情分析預(yù)報、水庫水文預(yù)報以及冰雪融水徑流與冰情預(yù)報，泥沙預(yù)報則作為拓展部分的知識以供學(xué)生了解。最后在學(xué)習(xí)完不同類型的預(yù)報之后，是關(guān)于預(yù)報結(jié)果的分析，即水文預(yù)報結(jié)果評定。水文預(yù)報知識圖譜正是按照該邏輯進(jìn)行搭建。

1.2 收集和整理相關(guān)數(shù)據(jù)和信息

基于教材、課件和課堂教學(xué)，梳理水文預(yù)報相關(guān)的知識點，并對其進(jìn)行分類和組織。構(gòu)建知識圖譜需要大量水文數(shù)據(jù)的支持，包括降雨量、河流流量、地下水位、水質(zhì)等。這些數(shù)據(jù)可以從各種來源獲取，如氣象站、水文站、環(huán)保部門等。收集到的數(shù)據(jù)可能包含許多錯誤和缺失值，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，包括刪除重復(fù)的數(shù)據(jù)、填充缺失值、糾正錯誤的數(shù)據(jù)等。對清洗后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提取出有用的信息進(jìn)行整合分類。

1.3 設(shè)計知識圖譜結(jié)構(gòu)

根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)和信息，設(shè)計知識圖譜結(jié)構(gòu)，包括節(jié)點、邊、屬性等元素的設(shè)計，以及它們之間的關(guān)系和連接方式。在水文預(yù)報知識圖譜中，節(jié)點可以代表各種水文變量（如降雨量、河流流量等），邊可以代表這些變量之間的關(guān)系（如遞進(jìn)關(guān)系、共生關(guān)系等）。

1.4 構(gòu)建知識圖譜

根據(jù)設(shè)計好的知識圖譜結(jié)構(gòu)，運用GDB 將收集到的數(shù)據(jù)和信息轉(zhuǎn)化為知識圖譜的形式。

1.5 填充和完善知識圖譜

利用GDB將收集到的數(shù)據(jù)和信息填充到知識圖譜中，并進(jìn)行不斷的完善和更新，以保證知識圖譜的準(zhǔn)確性和完整性。

1.6 教師培訓(xùn)和應(yīng)用推廣

組織教師參加相關(guān)的培訓(xùn)活動，提高其對知識圖譜的認(rèn)識和應(yīng)用能力；積極推廣知識圖譜在“水文預(yù)報”課程教學(xué)中的應(yīng)用，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提高。水文預(yù)報知識圖譜的建設(shè)和應(yīng)用需要教師具備一定的專業(yè)知識和技能。因此，教師在參與知識圖譜建設(shè)的過程中要不斷提高自己的專業(yè)素養(yǎng)，促進(jìn)專業(yè)發(fā)展。同時，知識圖譜為教師提供了一個交流和合作的平臺，有助于教師分享經(jīng)驗、互相學(xué)習(xí)，共同提高教學(xué)水平。

2 知識圖譜應(yīng)用于課程教學(xué)的實踐

知識圖譜作為人工智能與計算機(jī)發(fā)展的產(chǎn)物，是知識可視化和知識挖掘與發(fā)現(xiàn)的重要手段。隨著信息化水平的不斷提高，將多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合與關(guān)聯(lián)，形成知識挖掘與發(fā)現(xiàn)的能力，對實現(xiàn)水利行業(yè)的智能化管理具有重要意義[7]。水文預(yù)報課程教學(xué)不僅注重水文預(yù)報基本原理和方法等知識的學(xué)習(xí)，還注重培養(yǎng)學(xué)生的水文預(yù)報方案設(shè)計和數(shù)據(jù)分析的能力以及工程素質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用專業(yè)知識和技能解決水文水資源領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力和團(tuán)隊合作能力。知識圖譜作為一種有效的教學(xué)工具，其結(jié)構(gòu)化的特性使得學(xué)習(xí)者能夠清晰了解水文預(yù)報的課程體系、知識點及其主要內(nèi)容等關(guān)鍵信息，不僅可以提高學(xué)習(xí)效率，幫助學(xué)生靈活應(yīng)用所學(xué)知識，還能幫助教師及時掌握每位學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度。以下是知識圖譜在水文預(yù)報課程教學(xué)實踐中的具體應(yīng)用。

2.1 改進(jìn)教學(xué)方法

針對“水文預(yù)報”偏重實際應(yīng)用、授課對象為大學(xué)本科高年級學(xué)生的特點，立足于應(yīng)用型人才和創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，河海大學(xué)探索并實踐了案例教學(xué)模式。知識圖譜是進(jìn)行“水文預(yù)報”課程案例教學(xué)的一種有效手段。在案例教學(xué)中，教師可以選取一些典型知識點，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行知識梳理和總結(jié)。例如，針對洪水預(yù)報方法，教師可以通過對流域產(chǎn)流、流域匯流、流域水文模型等關(guān)鍵知識點的講解，幫助學(xué)生深入理解洪水預(yù)報的基本原理和方法，再結(jié)合具體應(yīng)用案例，指導(dǎo)學(xué)生運用所學(xué)知識進(jìn)行洪水預(yù)報方案編制。教師通過知識圖譜對學(xué)生的學(xué)習(xí)問題（錯誤率、疑難點等）進(jìn)行分析，掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)困難，及時調(diào)整授課方式，還可以結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂的理念，讓學(xué)生在課前預(yù)習(xí)相關(guān)知識點，然后在課堂上通過討論和實踐來深化理解和掌握。這樣可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，同時也能充分發(fā)揮協(xié)作學(xué)習(xí)共同體的作用。

2.2 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

構(gòu)建知識圖譜的過程本身也是一次對知識的深入學(xué)習(xí)和理解的過程，通過知識圖譜將“水文預(yù)報”的知識點進(jìn)行全面總結(jié)和深入挖掘，學(xué)生可以更好地理解和掌握課程內(nèi)容。河海大學(xué)建設(shè)的“水文預(yù)報”課程知識圖譜中的任一節(jié)點均包括圖片、思維導(dǎo)圖、文字介紹以及視頻講解，多維度多方面剖析每個知識點，力求達(dá)到良好的學(xué)習(xí)效果，教師也可以根據(jù)課堂效果實時發(fā)布相關(guān)的練習(xí)題和案例分析，讓學(xué)生在實踐中應(yīng)用所學(xué)知識。

2.3 定制個性化學(xué)習(xí)路徑

知識圖譜中的資源具備多模態(tài)屬性，不僅包含文本形式的學(xué)習(xí)資源，還包括視頻、音頻、圖片等多種形式的學(xué)習(xí)資源，可以滿足不同學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)需求，為其提供更具針對性的學(xué)習(xí)資源[8]。其不僅可以根據(jù)教師教學(xué)進(jìn)度，持續(xù)推送符合教學(xué)需求的課程資源，還可以幫助學(xué)生找到適合自己的學(xué)習(xí)路徑，并根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和掌握程度，動態(tài)調(diào)整學(xué)習(xí)路徑?！八念A(yù)報”知識圖譜中還加入了互動元素，如問答、討論區(qū)等，鼓勵學(xué)生參與互動，提高了學(xué)習(xí)的趣味性和效果。通過學(xué)生的互動行為，可以更好地了解他們的學(xué)習(xí)需求，為其提供更個性化的學(xué)習(xí)路徑。

3 教學(xué)改革實踐成效

“水文預(yù)報”課程知識圖譜的建設(shè)對提升教學(xué)質(zhì)量具有顯著的作用和重要的意義，具體成效如下：

3.1 顯著拓寬學(xué)生的學(xué)習(xí)途徑

在引入知識圖譜之前，學(xué)生主要依靠自己整理知識體系圖，只能梳理部分知識點，難以進(jìn)行具體知識點與案例的思維外擴(kuò)。然而，知識圖譜的出現(xiàn)改變了這一狀況。通過可視化展示不同概念和知識點之間的關(guān)系，學(xué)生可以查閱知識要點，發(fā)現(xiàn)知識點之間的關(guān)聯(lián)（如圖2 所示），消除知識盲區(qū)，幫助學(xué)生總結(jié)沉淀，從而更好地理解和應(yīng)用水文預(yù)報知識。

圖2 各節(jié)點之間的相關(guān)關(guān)系（局部）

此外，知識圖譜中的搜索模塊和討論區(qū)模塊進(jìn)一步提升了學(xué)習(xí)效果。搜索功能可以幫助學(xué)生快速找到他們需要的信息。學(xué)生輸入想了解的水文預(yù)報知識，系統(tǒng)就會彈出與之相關(guān)的介紹以及框架圖，大大提高了信息檢索的效率。搜索功能可幫助學(xué)生深入理解知識點，通過構(gòu)思和尋找答案的過程更好地掌握和應(yīng)用知識。

討論區(qū)則提供了一個平臺，讓學(xué)生分享自己的觀點和想法，進(jìn)行交流和討論。這不僅提高了學(xué)生的參與度，也激發(fā)了其新的思考。同時，針對某個主題或問題進(jìn)行深入的討論，通過集思廣益，可以找到更好的解決方案或掌握新的知識，教師在線回復(fù)增添了學(xué)習(xí)的互動性，也可以從中看到學(xué)生的思考方式及其感興趣的預(yù)報知識。知識圖譜為學(xué)生提供了一個全新的學(xué)習(xí)方式，使他們能夠更有效地學(xué)習(xí)和掌握水文預(yù)報知識。

3.2 輔助教師開展課程建設(shè)和教學(xué)改革

引入知識圖譜作為輔助教學(xué)工具，為教師提供了更多的教學(xué)方式，有利于其開展教學(xué)創(chuàng)新。通過構(gòu)建知識圖譜，將水文預(yù)報的各個知識點進(jìn)行了整合，形成完整的知識體系。例如，在構(gòu)建過程中將“流域產(chǎn)匯流”“河道流量演算”等基礎(chǔ)理論知識，以及“水文模型在實時洪水預(yù)報中的應(yīng)用”等內(nèi)容進(jìn)行關(guān)聯(lián)和整合，教師可以更合理地組織和安排教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計課程結(jié)構(gòu)和教學(xué)進(jìn)度，提高了課程教學(xué)質(zhì)量。知識圖譜還可以幫助教師快速獲取和處理教學(xué)信息并查詢到相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容，如某個知識點的定義、性質(zhì)、公式等。例如，教師在講解“流域產(chǎn)匯流”的相關(guān)知識時，通過知識圖譜快速找到該知識點的詳細(xì)信息，極大地提高了教學(xué)效率。

3.3 實現(xiàn)全面化和個性化的教學(xué)管理

全面化教學(xué)管理集中體現(xiàn)在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、學(xué)生學(xué)習(xí)情況以及教學(xué)資源四個方面。在教學(xué)內(nèi)容方面，通過構(gòu)建知識圖譜，將“水文預(yù)報”課程中的各個知識點進(jìn)行系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化的整合，使學(xué)生能夠全面理解并掌握課程內(nèi)容；在教學(xué)方式方面，教師根據(jù)知識圖譜設(shè)計一系列更為生動、有趣的教學(xué)活動，比如案例分析、上傳學(xué)生自己錄制的習(xí)題講解視頻等，激發(fā)了學(xué)生的積極性和好奇心；在學(xué)習(xí)情況方面，教師通過知識圖譜對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行全面的跟蹤和分析，及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)困難和問題，提供針對性的指導(dǎo)和幫助；在教學(xué)資源方面，引入知識圖譜后，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的智能化，為在線教育和遠(yuǎn)程教學(xué)提供了豐富的教學(xué)資源。相較于傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式，基于知識圖譜的個性化教育系統(tǒng)及方法可以根據(jù)不同學(xué)生的學(xué)習(xí)階段提供對應(yīng)的知識點圖譜，例如，對于已經(jīng)掌握了基礎(chǔ)知識的學(xué)生，可向其推薦更高級的課程或研究資料，幫助他們深入學(xué)習(xí)；對于初學(xué)者，則提供更基礎(chǔ)的教程和練習(xí)題，幫助他們打好基礎(chǔ)；還可根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)歷史和偏好，推薦他們可能感興趣的知識點，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。通過這樣的個性化教學(xué)管理，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和滿意度。

4 結(jié)語

在“水文預(yù)報”課程教學(xué)中，基于知識圖譜的教學(xué)策略逐漸成為提高教學(xué)質(zhì)量的有效途徑之一。本文通過研究知識圖譜在“水文預(yù)報”課程教學(xué)中的應(yīng)用，提出了針對性的實踐措施。一方面，知識圖譜的應(yīng)用有助于學(xué)生更好地理解和掌握水文預(yù)報的基本原理和方法，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性；另一方面，基于知識圖譜的教學(xué)方法有助于教師更好地掌握課程全局，及時安排和調(diào)整教學(xué)進(jìn)度，確保學(xué)生能夠全面、深入地學(xué)習(xí)水文預(yù)報相關(guān)知識。

知識圖譜作為一種新興的教育技術(shù)手段，可賦能課程建設(shè)與教學(xué)創(chuàng)新，促進(jìn)教育信息化建設(shè)的進(jìn)程。知識圖譜在“水文預(yù)報”課程教學(xué)中的應(yīng)用可以為其他學(xué)科的教學(xué)提供借鑒和參考，推動整個教育領(lǐng)域的創(chuàng)新和發(fā)展。在未來工作中，河海大學(xué)將進(jìn)一步研發(fā)知識融合，打造以知識圖譜為核心的“水文預(yù)報”課程知識引擎，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將知識圖譜與水文行業(yè)的工程案例、前沿研究相融合，提高課程教學(xué)質(zhì)量。