基于知识图谱的高校教学实验室综合改革模型分析
2020-04-28张芬娜赵海晖
张芬娜，赵海晖
(中国石油大学(华东) 机电工程学院，山东 青岛 266580)
0 引 言
当前我国实验室发展迅速，已逐渐形成较为完善的国家高校教学重点实验室体系，该体系共包括260个依托国家科研院所和高校成立的重点实验室，国家高校重点实验室综合体系改革对于提升我国科研水平有着关键的作用，其中起决定性作用的为实验室的基础研究能力。由于我国高校教学实验室的整体科研实力仍与一些发达国家的水平相差甚远，因此高校教学实验室需要进行综合改革提升，本文将对高校教学实验室综合改革模型进行分析。
文献[1]中采用BP神经网络构建依据云平台的可信性分析模型，用于分析高校教学实验室的综合改革效果，该方法采用BP神经网络构建评价模型，该模型将实验室综合改革模型的各项评价指标作为模型的输入，将评价结果作为结果输出，但是该方法仿真得到分析结果与实际结果偏差较大，实用性较差。文献[2]中采用随机—认知不确定性的相关性分析模型，采用样本相关系数描述实验室改革模型内不同变量和证据变量间的关联性，依据这些关联性有效分析高校教学实验室改革模型的有效性，但是该种方法具有偶发性的缺陷。因此，本文提出基于知识图谱的高校教学实验室综合改革模型分析方法，实现对实验室改革的全面有效分析。
1 基于知识图谱的高校教学实验室综合改革模型分析
1.1 软件选取与数据统计来源
本文采用知识图谱和Citespace软件对高校教学实验室综合改革模型实施定量的可视化分析，Citespace软件能描绘某学科或知识领域在特定时间段的研究前沿、研究领域、研究热点以及代表性。本文文献资源来源自CSSCI数据库，采用该数据库有2点原因：①我国高校实验室的一些研究热点、研究领域以及代表性的研究成果均以文献的形式予以体现[3]，且这些期刊均发表在国家重点学术期刊上；②该数据库对于分析高校教学实验室综合改革模型具有重要作用。
虽然由CSSCI数据库提供的典型文献资源能从整体上分析高校教学实验室综合改革的成果，却无法实现改革效果的深层次分析。因此，本文采取以下两种方法进行弥补[4]：①考虑到高校实验室综合改革模型数据库与所研究领域间的相关性、权威性以及可实现性，本文将CNKI作为备用数据库；②加强对高校教学实验室研究领域中相关的重点学术杂志的关注度。
20世纪80年代，我国已经逐步建设高校教学实验室，因此本文设置文献检索时间的跨度由1980-06-30～2017-06-30。将高校教学实验室作为主题词在CSSCI数据库中检索，获取116篇的文献资料[5]；又在CNKI数据库中的博硕士学位论文和CSSCI部分检索得到266篇文献。一一比对2次检索结果，得到CSSCI数据库136篇文献和CNKI-CSSCI数据库284篇文献[6]。将检索范围放宽，并补入前两个数据库文献检索获取的资料，共计460篇文献资料。本文以CSSCI一级数据库、CNKI-CSSCI二级数据库以及CNKI三级数据库为依据，得到获取高校教学实验室综合改革模型数据，为后续高校教学实验室综合改革模型分析提供可靠数据分析依据。
1.2 改革模型的数据分析
Citespace软件在数据处理过程中因阈值设置或数据库的选择等原因会造成分析结果误差偏大，因此本文通过筛选数据库的形式降低数据库对分析结果的影响[7]，同时结合数据预处理方法，挖掘出高校教学实验室综合改革模型中的有价值数据。
1.2.1 基于信息归纳的概率粗糙集挖掘算法SRII
基于信息归纳的概率粗糙集挖掘算法SRII实现过程如下：
(1) 映射原始数据集到一个便于粗糙集处理的数据空间。将原始数据映射到便于粗糙集处理的数据空间，该映射能根据不同属性的概念分类层次树对不同属性泛化到固定好的概念层次中[8]，获取变换后的数据表，使数据表中各个元组的表达形式为：(p,caculate(p),att1,…,attn)元组标识用p表示，att1,…,attn用于表示数据表的不同属性，原始数据表(att1,…,attn)映射到当前表中的元组数p用计数属性caculate(p)表示。根据计数caculate定义结果数据表中的各个元组的权值[9]；将评判元组泛化的程度用tuple-weight表示，元组p1覆盖元组数与整个表{p1,…,pn}覆盖元组数比为：
(1)
高的或小的tuple_weight值分别代表该元组分别由大量的数据整理分析得到或从一些罕见的意外数据中分析得到[10]。通过设置tuple_weight的方法能降低偶然性规则的发生。
(2) 基于原始数据集的信息归纳并计算各个属性集合的近似统计值。令原始数据表(U,N,F)的结果数据表为(U,caculate,N,F)，原始数据表中的U、N和F代表论域、条件属性和决定属性的集合[11]，同上文一致caculate为计数属性，在松弛因子β规定的数值内，基于原始数据集的信息归纳变换，计算变换后数据表的条件属性集合N的近似统计约简过程采用如下的启发式算法：
算法sReduct://计算近似统计约简
输入：变换后数据表(U,caculate,N,F)，某个固定的微小正数β//β
输出：近似统计约简sReduct开始：
当N1=N
对任意一个N属于N1
如果If‖H(F*|(N1-{c})*-H(F*|N1*‖<βThen
开始N1=N1-{n}
Loop While
End
End If
EndFor
Exit While
End While
sReduct=C1
END
算法说明：
(1) 计算近似统计约简是一个启发式过程，该过程要求从条件属性集合中删除属性[12]，删除一个属性后若继续存在β范围内的相对统计依赖，将继续删除属性直至相对统计依赖超出β范围。
(2) 熵H(D*|A*)表示D对A的信息度依赖度量，熵值的运算步骤为：
若F*={Y1,Y2,…,Ym}，A*={X1,X2,…,Xm}，且u∈U代表元组，存在：
(2)
式(2)中存在：
(3)
故
(4)
上述过程完成对高校教学实验室综合改革模型数据的有效数据挖掘，加强知识图谱的分析效果。
1.2.2 阈值测试
阈值的设置决定着高校教学实验室综合改革模型分析最终的可视化图片效果，也对网络图中节点、聚类以及网络的整体控制有一定程度的影响[13]，因此阈值设置的好坏是影响数据预处理过程的关键，而阈值的确定是一个不断调整的动态变化过程，因此阈值测试是Citespace软件正确分析高校教学实验室综合改革模型的基础。采用极大值和极小值界定法对上述3个数据库实施测试，测试结果如表1所示。
1.2.3 数据库和阈值的选择
先比较各个数据库中的4次阈值测试结果，因为可视化后得到的节点和连线等结果能清楚地表达在图像上，所以只需要通过观察可视化图像[14]，从每个数据库中各筛选出最佳阈值，并将3个阈值比对，从中选出最佳阈值，将该阈值对应的数据库作为本文分析的基础数据库和阈值。因为频率出现高的关键词通常为知识图谱的节点[15]，所以本文将比较3个数据库最佳阈值运行结果中出现频率在前12%关键词。且经测试得出二级数据库及其阈值的代表性强，因此选取二级数据库及其阈值作为研究高校教学实验室综合改革模型的数据库和阈值。
表1 3个数据库阈值测试结果
注：*表示的默认的阈值
2 高校教学实验室综合改革模型分析
实验为验证本文方法的有效性，采用本文方法实证分析某高校的图学教学实验室综合改革模型，对高校教学实验室的研究热点进行分析。
2.1 高校教学实验室研究的热点分析
因为高校教学实验室综合改革模型的数据包括大量的相似、包含或者相同的关键词，因此需先归纳整理关键词，降低干扰数据的影响，增强知识图谱对高校教学实验室改革模型的分析效果。
高校教学实验综合改革模型中的关键词为改革模型的核心，其在模型中出现的频率为该改革模型的研究重点，可以通过关键词词频来分析高校教学实验室改革模型的研究重点，实验将部分意义相近或相同的关键词有效合并，得出高校教学实验室综合改革模型的高频关键词，采用Citespace软件对关键词进一步解析，分析1988～2018年国内高校体育实验室教学改革模型中关键词的变化趋势，用中心介性进行表示，如表2所示。
表2 高校教学实验室综合改革模型的高频关键词及变化趋势
序号关键词频次/次中心介性1教学方法5860.362图学教学4730.433高校2480.164改革2290.285教师1930.166终身教育1510.157模式990.118高职院校790.149快乐体育720.1210微格教学710.1311图学教育640.0812识图锻炼590.1013大学生540.0714教学活动500.0815教学内容490.0416创新480.06
分析表2数据可见，高校教学实验室综合改革模型中“教学方法”“图学教学”的出现频率最高，其中高校出现的频率高达248次，说明高校教学实验室综合改革的关键场所在高校。因为高校中具有高素质高水平的研究人员数量较多，汇聚了大量的来自不同学科的顶尖人才；此外高校中的环境设备条件较高，相较于中等专科院校来讲，高校实验室的仪器设备以及教师的水平均较高，对高校教学实验室的工作展开创造有利的环境条件；高校对实验室科研的重视度较高，在高校中实验室教学与课堂教学同等重要，而中等技术学校等，教学的比重要高于实验室教学，因此本文方法分析得出高校教学实验室综合改革模型以高校为研究场所，是因为高校拥有科研的大环境。
表2中的“改革”关键词出现229次，说明改革在高校教学实验室的综合改革占据关键地位，科学技术的发展、教学内容的不断扩充、学生的发展以及新课标的实施，使得高校实验室教育不断发生变革。根据分析可知，许多教学方法都是在不断的实践中总结和归纳得出的，虽然高校实验室教学在不断的进步和完善，但实验室教学的根本目标、功能和价值是不变的，因此在追求高校教学实验室综合改革的同时，还要认真学习和发扬以往的丰富教育经验。
本文方法分析得到高校教学实验室综合改革模型中关键词“模式”出现99次，说明对模式的研究一直是高校教学综合改革模型的主要方向，或者可以说高校教学实验室的改革是随着模式的变革而变革的，上世纪80年代，我国高校教学实验室改革全面开始，该改革以教学思想为先导，结合先进的教学手段，依照该方法改革一段时间后，学者发现该改革手段容易出现理论教育与实践教育的脱节。在20世纪80年代后期，产生与教学方法和教学思想有关的教学过程结构的研究，其主要为教授课和教学板块的实际应用。许多专家学者此后提出多种高校教学实验室综合改革模型，为教育事业的发展提供良好基础。如：整开式模式；复合式教学模式以及探索式教育模式逐渐兴起，对改革高校的教育有显著影响。
本文方法分析得出“微格教学”的出现频率为71次，在对高校教学实验室综合改革模型分析中微格教育是明确提出的教学方法，微格教育教学过程是将繁琐的教学分解为具体的学习技能。采用微格教学及时反馈教学技能，微格教学在高校教学实验室综合改革模型中具有方法合理、目标明确、操作性便捷以及反馈及时的特点。同时微格教学具有增强教育技术的理解和掌握能力。
表2中的中心介性代表本文方法分析的高校教学实验室综合模型的核心关键词汇，“图学教学”、“教学方法”的中心介词性分别为0.43和0.36，说明二者在高校教学实验室综合改革模型中具有较强地位，中心介词性排在第三的是“改革”为0.28，说明综合改革模型中改革与其他关键词的关系紧密度高，是本文方法分析的重点。从整体分析上述关键词均表现为增强长的趋势，在1988～2006年这些关键词均表现为上升趋势，在2006年达到研究的高峰，在2006～2018年内，前几位的词汇表现出频率降低的趋势，排在后面的高频词汇，如“终身教育”在2018年出现高达50次，“高职院校”出现频率为29次，呈现出从极低值开始增长的趋势，这种词汇在前面的词汇出现频率变低，排名在后词汇出现频率提高，说明本文方法在分析高校教学实验室综合改革模型上有显著的成效。
将高校教学实验室综合改革模型的相关文献导入Cite Space可视化软件，设置节点类型为关键词，设置单个时间分区长度为1年，本文方法分析得出的高校教学实验室综合改革模型热点情况如图1所示，圆圈中文字代表关键词，关键词出现频率高低用圆圈的大小描述。
图1 高校教学实验室综合改革模型关键词
从图1可以看出，采用本文方法呈现出了高校教学实验室综合改革模型的未来改革热点的直观分析结果，主要在图学教学和教学方法的改革上，此外对终身教育的关注也较高，说明采用本文方法能对高校教学实验室综合改革热点有效分析。
2.2 高校教学实验室教学改革建议
(1) 增强实验设备管理与维护。实验设备完整、性能良好，才能很好地保证实验室教学数据的准确性。在以往教学中，因为存在对实验室建设重视程度不足，实验室内设备常常短缺，造成高校实验教学活动无法有效开展。但随着国家教育部以及各级部门对高校实验室教学的逐渐重视，有关教学实验室的改革也逐渐进入人们的事业，一些高校在原本实验室设备结构单一、实验室设备老旧的基础上重新作出修正，进一步提高实验设备数据测量的精度，提高实验教学质量。
(2) 增强实验室教学队伍建设。高校实验室教学不仅是课堂理论内容与实践能力的连接，也是培养人才的有效方法，需要增强对实验室教学队伍的建设，充分发挥教师的主导作用，提高实验室教学质量。合理配备实验室队伍，挑选同时具备知识水平和实践能力的人员，有计划地组织培养青年教师，营造良好的学术环境，打造一支高效、结构合理的实验教学队伍。此外，还需要充分调动实验室教学队伍的积极性，合理制定薪酬奖励制度。
(3) 开设实验室独立课程。实验教学不同于普通教学，具有其自身的发展规律，开设实验室独立课程势在必行。凸出该校的专业性，提升实验室的综合效益。通过实验室校系两级管理以及实验独立设课同时进行的教学组织形式，提高实验考核的可操作性等综合改革的措施。
3 结 语
目前，实验室教学体系虽取得了一定的规模，但仍旧存在许多不足，需要对教学实验室综合改革方法进行研究。本文提出的基于知识图谱的高校教学实验室综合改革模型分析方法，运用知识图谱方法和Citespace可视化软件，总结全国已有文献中关于高校教学实验室综合改革的内容，获取改革模型数据，通过基于信息归纳的概率粗糙集挖掘算法SRII，实现对实验室综合改革模型数据的有效挖掘和分析。实验结果说明，所提方法能有效分析高校教学实验室综合改革模型的研究热点，深入加强高校教学实验室的综合改革效果，为推动实验教学体系的发展提供了参考作用。然而，实验室教学改革是一项艰巨的系统工程，应与时俱进，积极探索更加符合社会发展的实验室教学方式，及时转变观念，深化改革，为高校实验室教学质量的提高不断努力，促进学生的全面发展。
