基于Neo4j的高校信息技术课程知识图谱构建及应用研究

摘要：本文介绍了高校信息技术课程知识图谱构建的背景和意义，描述了知识图谱技术在课程教学与学习中的重要作用，并运用计算机技术设计开发知识图谱系统，详细阐述了课程知识图谱构建过程。通过开展课程教学研究发现，知识图谱系统的应用能够激发学生学习的积极性，使学生对课程知识掌握更加全面，进而有效提升学生学习效率。

关键词：信息技术；知识图谱；构建；应用研究

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2025）02-0089-04

引言

“信息技术”是高校的一门公共基础课程，学生在高中阶段已经学习了计算机基础及相关知识，对其有了初步了解。但是不同地区、学校对学生的学习要求存在一定的差异，导致学生对计算机基础知识掌握程度也不一样。在进入高校后，统一的学习模式容易忽视学生个体发展的学习需求，导致学生知识构建能力不足，因此，教师需要考虑在课程教学中采用多种教学方式来满足学生差异化学习需求，这无形中增加了教师教学的难度。

完善的课程知识体系结构能够让学生对课程知识有更加深入、全面的认识，便于学生对所学习知识进行灵活运用，提高学习效率。知识图谱（knowledge graph，KG）作为知识表示模型，是一种以实体和关系为基础的图形数据库，能够表示实体之间的关系，并提供有关实体的信息，具有强大的推理能力。[1]该技术通过图形形象化的方式将知识展示出来[2]，其本质是一种揭示实体与实体之间关系的语义网络，可以帮助计算机理解和处理人类语言。实体可以是现实世界中的人、物、地点等，而关系则是它们之间的联系，知识图谱通过关系将实体进行连接，最终以图形化的方式呈现出来。在教育领域中，知识图谱能够有效地规范课程知识结构，使学生对课程知识脉络的理解具有系统性、科学性，对学生学习具有一定的促进作用。

为此，笔者以《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》、高校各专业人才培养方案、课程教材等为数据源，结合通过问卷调查、访谈等方式了解到的学生在今后就业中单位对工作岗位所具备的信息技术技能的需求，并基于PyCharm开发工具，利用Neo4j图数据库和Python程序设计语言等构建了信息技术课程的知识图谱，设计了知识图谱可视化系统，以期能够促进学生对信息技术课程知识的深度理解及应用，让学生清晰地认识到课程知识的学习在其专业发展、职业发展中的重要性，促进学生进行更有效的课程知识学习。

知识图谱技术在教育中的应用

国内关于知识图谱在课程教学中的研究与实践已经取得了一定的进展，该技术在教育领域中已经开始广泛应用[3]，其研究热点主要集中在专业发展、专业课程教学等领域。郎亚坤等人[4]提到现有的知识图谱更多的是在不同学科之间的应用，而对单一的课程分析与应用目前研究不足。王琛琛等人[5]提到，课程知识图谱与问答系统相结合，能够及时了解学生对知识的掌握情况，在课程教学中能有效提高学生学习的积极性。谢云霏等人[6]提到知识图谱的构建能够让学生快捷、方便地从知识图谱中获取知识。课程知识图谱的应用能够有效节约时间，实现问题准确定位。赵凯等人[7]提到知识图谱具有较好的实现关系的方式，能够让学生通过关系，全面了解领域知识并分析问题，找到解决问题的办法。在目前的研究中，领域知识图谱尚处于探索阶段。但实践证实，利用知识图谱技术，能够帮助学生更加直观地了解课程知识、专业知识等，从而更全面地了解自己所需要掌握的知识内容，便于构建完整的知识体系结构。[8]因而，在课程教学与实践中，教师可以引导学生通过即时互动的方式从知识图谱中获取知识，从而优化知识体系结构，同时有针对性地展开教学，促进学生深度学习，提升教学效率。

基于Neo4j的信息技术课程知识图谱的构建及应用

信息技术课程有完善的知识体系结构，在知识图谱构建过程中可以选择自顶向下的方式进行图谱构建。笔者对课程内容知识进行了抽取，并确定了实体以及实体与实体之间的关联关系，具体构建过程如图1所示。

1.相关技术应用

Neo4j是使用Java语言开发的、开源的、基于图的数据库，它通过网络来存储结构化数据，在面对大规模数据存储时具有较好的效果。在Neo4j中可以运用Cypher语言或者Py2neo实现知识图谱的构建。

使用Cypher语言创建节点的语法如图2所示。

使用Py2neo工具包，利用Python语言进行知识图谱构建，其构建的语法如图3所示。

2.课程知识图谱构建

知识图谱三元组表示方法为“实体-属性-值”或者“实体-关系-实体”。例如，在课程知识中，以文档处理和电子表格部分函数为基础构建常用函数知识图谱。文档处理中的常用函数有MAX、MIN、SUM、AVERAGE、IF、COUNT，电子表格中的常用函数有IF、MAX、MIN、SUM、VLOOKUP、SUMIF、COUNTIF、AVERAGE、COUNT、RANK等，其中函数IF、COUNT、MAX、MIN、SUM、AVERAGE不仅在文档处理中学习基本原理和使用方法，在电子表格中也学习基本原理和使用方法。图4即是结合实际学习需求，构建文档处理和电子表格部分常用函数的知识图谱。通过知识图谱的构建能够让学生清晰地认识到文档处理中的常用函数在电子表格中也是常用函数，通过它们之间的关系让学生认识到函数在课程学习中的应用情况，便于学生对课程有整体的认识，进而提高课程学习的效率，同时也方便教师进行课程教学，建立知识之间的前后关联。同时，可以利用PyCharm开发工具建设课程知识问答系统，实现系统自动回答问题，这样学生就能够及时掌握不理解或理解不全面的知识内容。

3.知识图谱在教学中应用

信息技术课程的知识点较多，但关联性不足，不利于学生系统掌握课程内容。除此之外，由于每个班级的学生都较多，教师难以在较短时间内对每位学生的学习情况进行有效跟进，而利用知识图谱技术能够方便学生自主学习，科学地掌握知识内容。[9]同时，通过数据监测分析学生学习情况，对培养学生的信息意识、计算思维、数字化创新与发展、信息社会责任提供了数据依据。

为保证实验顺利开展，确保实验方法的准确性、有效性，笔者以平行班310名学生所学习的公共基础课程信息技术课程为例，开展实验验证。在实验中，选取1、2、3三个班级共156名学生为实验组，选取4、5、6三个班级的学生共154名学生为对照组。

在课程教学中，运用多媒体机房，实验组班级的学生在课程学习中运用基于Neo4j的课程知识图谱开展课程学习，在遇到困难后利用知识图谱问答系统进行知识查阅，保证学习的互动性。教师通过获取的数据了解学生在学习方面存在的困难，针对班级学生的学习情况制订个性化的教学方案。对照组班级的学生使用传统的方法进行课前学习、课中学习与课后学习。

在学习内容完成后笔者进行了课堂测验。从整体成绩来看（如上页图5），实验组三个班级学生的学习效果较好，在较长的学习时间内成绩保持较好的水平，表明该种方式的学习具有一定的效果。在课后与学生的交谈或者问卷调查中了解到，学生在学习遇到困难的时候会主动进行知识探索，充分利用课程知识图谱较好地完成学习任务，完整的课程知识图谱让学生对课程内容有较为全面的认识。对照组三个班级的学生学习效果欠佳，积极性不高。在课后的交谈或者问卷调查中了解到，学生正常听课学习，但是在学习中遇到困难没有尝试努力解决或者在解决问题时会遇到新的困难，对单个知识点掌握较好，但是无法将所学习的知识综合运用，从而导致学习效果一般，降低了学习积极性。

通过对此次实验结果进行分析，笔者得出，在课程教学中运用知识图谱技术能够更方便学生与系统进行互动，学生在遇到不懂的问题时能及时查阅资料，调整学习策略，借助知识图谱找到解决难题的方法，从而促进学生深度学习。

结语

知识图谱能够有效提升学生的学习效率，让学生对知识点有更加全面的认识、了解，方便学生学习课程，同时也方便教师开展课程教学。通过在系统中获取的学生数据信息，教师能够在教学中快速了解学生的学习效果，以便于进行个性化学习指导，从而提高学习效率。该技术的应用进一步完善了信息技术课程学习体系的构建，提升了课程的创新性[10]，从而有效提升学生学习效率以及教师的教学效率。

参考文献：

[1]刘燕，张潇潇，侯丽.面向医药卫生知识服务系统的学术知识图谱构建与应用研究[J].医学信息学杂志，2024，45（04）：1-7+30.

[2]周涛，常凯.基于Neo4j的中医妇科知识图谱构建研究[J].信息技术与信息化，2024（06）：209-212.

[3]朱家乐，陈锐.基于Neo4j的课程知识图谱系统设计[J].电脑知识与技术，2023，19（08）：40-42.

[4]郎亚坤，苏超，王国中，等.基于Neo4j的C++课程知识图谱的构建和推理[J].智能计算机与应用，2021，17（07）：144-150+155.

[5]王琛琛，张睿，吴天刚.大学物理知识图谱的构建及其在个性化教学中的应用[J].物理与工程，2020，30（05）：76-81.

[6]谢云霏，贾李蓉，代金刚.基于Neo4j的中医导引学知识图谱构建[J].中国数字医学，2024，19（04）：33-38.

[7]赵凯，王华星，施娜，等.基于Neo4j桂枝汤类方知识图谱的研究与实现[J].世界中医药，2019，14（10）：2636-2639+2646.

[8]孙雪梅.基于知识图谱的高中《信息技术》课程知识导航研究与应用[D].昆明：云南师范大学，2022.

[9]吴佳侬.基于知识图谱的高中信息技术课程教学辅助系统的设计与实现[D].北京：中央民族大学，2023.

[10]杨文霞，王卫华，何朗，等.知识图谱赋能智慧教育的研究与实践[J].高等工程教育研究，2023（06）：111-117.

第一作者简介：张迪（1990—），男，硕士，讲师、工程师，研究方向为知识图谱、计算机教育、数据治理等。通讯作者简介：吴银芳（1983—），女，硕士，副教授，研究方向为计算机教育等。

基金项目：江苏护理职业学院2024年教育科学研究课题（项目编号：GJY2024YB18）；2023年江苏省高等教育教改研究课题“促进深度学习的高职智慧课堂构建及应用研究”（项目编号：2023JSJG633）；全国高等院校计算机基础教育研究会计算机基础教育教学研究项目（项目编号：2023-AFCEC-308）。