基于知识图谱的课程教学改革.pdf

7 2024年第1期总 第 2 2 0 期“新工科”是基于国家战略发展新需求提出的工程教育改革方向1，关键任务之一是通过学与教，重构人才知识体系，重塑人才培养质量观，以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养多元化、创新型卓越工程人才。伴随教育信息化的发展，线上线下混合式教学是高等教育赶超国际高水平教学的重要抓手之一，成为高等教育教学新常态。毋庸讳言，混合式教学存在学生知识体系碎片化、学习深度不够的问题，阻碍了学生知识体系搭建、深度学习能力及创新能力培养，不能满足“新工科”视域下的人才培养要求。2012年谷歌提出知识图谱概念，知识通过关系相互联结，构成网状的知识结构2-3。知识图谱以结构化形式描述概念、实体及其关系，便于认知、理解和进行计算机管理，用“实体-关系-实体”三元组形式对知识系统进行资源描述和存储4。张执南等以上海交通大学的校企合作大学生创新实践计划项目为例，采用知识图谱理论探索了项目式教学各个方面的关联要素，构建了以学习为中心的新型大创项目教学管理模式，建立了以大创为载体的项目式教学知识图谱5。以学生发展为中心，构建基于“新工科”视域下工科专业课程的知识图谱，对于学生知识体系建立和自主学习、提升教学效果和人才培养质量具有重要意义。一、基本概念（一）建构主义理论建构主义理论认为，学习是学习者在已有经验的基础上通过与外界的相互作用来建构新的理解和认知的过程6，强调教学以学生学习为中心，学生是知识的主动建构者，教师是该过程的组织者、指导者和促进者。建构主义认为学习是建立在原有认知基础上的，分析了解学生已有知识背景对于学习任务制定和学习支架搭建有重要作用。（二）费曼学习法费曼学习法指不用术语，而是用日常语言把基金项目：山东省高等教育本科教学改革研究重点项目（Z2022319）；山东省高等学校课程思政研究中心资助项目（SZ2023060）；青岛理工大学本科教学改革研究项目(F2022-051)基于知识图谱的课程教学改革刘晓玲 王 炜(青岛理工大学 机械与汽车工程学院 山东 青岛 266520)摘要：结合一流课程建设，以机械设计课程为例探索基于知识图谱的教学模式。调查问卷显示，学生对于知识图谱的认可度较高。研究将为“新工科”背景下的深度学习，以及构建新型课堂教学模式提供借鉴。关键词：知识图谱；课堂教学；教学模式；新工科中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0958（2024）（01）-007-05 8 2024年第1期总 第 2 2 0 期教育教学改革概念讲给别人听，以达到深度理解的一种方法。该学习法认为，对所学知识掌握程度的终极测试，是传授给他人的能力7-8。费曼学习法强调学习者应具备“传授给他人的能力”输出式学习的效果，要远远好于单纯的输入式学习。二、知识图谱构建在“新工科”人才培养体系中，课程教学是落实培养目标的重要手段之一9，需要深化课堂教学改革，构建面向能力本位教育的教学模式。青岛理工大学机械设计课程是国家级一流课程、山东省一流课程和山东省课程思政示范课程，教学团队为省级教学名师领衔的山东省省级教学团队和黄大年式教师团队，已建成山东省在线开放课程。在机械设计课程教学中，初步进行了基于知识图谱的课堂教学改革，将知识图谱贯穿课程始终，收到了较好效果。（一）构建优质教学资源库以学生发展为中心，立足毕业要求和专业认证要求，将多媒体课件、思政元素、题库、视频、教学实物、教学案例库、教材、科研论文、MOOC、SPOC及创新大赛等与知识点相关联。精准构建基于知识点的优质教学资源库，为学生构建知识框架提供素材准备。（二）知识图谱创建知识图谱是知识的搬运工，需要知识源、知识抽取和知识推理。课程组从知识体系、知识领域、知识单元和知识点这4个层级，由上到下逐层级构建课程的知识图谱，形成结构化的知识体系。第一步，根据教学大纲梳理课程知识点。基于OBE理念，以毕业要求为主线，围绕专业培养目标和课程目标，注重先修课和后续课之间的关系，从知识领域出发，关联知识单元（章、节），解构各级知识点（一级、二级），实现“颗粒度”细化。第二步，设定知识点的教学目标。知识图谱的目标是知识解释与说明，根据课程特点，从知识目标、能力目标和思政目标3个层面，制定知识点的教学目标。第三步，建立知识点之间关系。基于共生、递进、依赖等不同的逻辑结构关系，将各个知识点联结起来，便于形成知识体系。图1给出了以创新能力为导向、研讨式教学为图1螺纹连接知识图谱示例（部分）9 2024年第1期总 第 2 2 0 期例的“螺纹连接”知识图谱。图中，划分不同层级，并将思政和创新融入，如螺纹连接的防松涉及思政教学与新型螺纹防松，实现了课程思政与专业传授的融合。注重“新工科”的交叉融合，建立了机械制图、金属材料与热处理、材料力学等先修课与本课程之间的联结。将液压传动等后续课引入，引导学生建立先修课和后续课的关联，前序知识与后续知识之间的联结，形成的课程知识图谱，为混合式教学设计打下基础。三、基于知识图谱，探索新型课堂教学模式以毕业要求确定专业培养、课程和课堂教学目标，将知识图谱与课堂教学相结合，通过导-教-学-评，优化基于BOPPPS的混合式教学设计，构建了基于知识图谱的深度学习模式，如图2所示。首先，“线上学知识”（导）。以案例和自主学习任务（含教学内容、教学目标和讨论话题等）的形式，通过MOOC学习、测试和反馈，使学生初步掌握知识点，实现布鲁姆认知规律中的低阶知识学习。其次，“线下提能力”（教）。教师首先展示各章的“知识图谱”，使学生在线上学习的基础上，通过知识图谱沿“图”学习，从全局把握课程教学目标及重点、难点，进而明晰需要学习的知识点、前验知识及其关联，规划学习路径。通过课前、课中测试，学生明确知识点的掌握情况，通过视频、课件和习题等学习资源库，构建个性化学习模式，提升学生高阶思维能力。第三，“小组参与创新”（学）。教师对学生前两个环节的学习记录进行分析，基于建构主义理论，进行授课、答疑。学生基于费曼学习法进行小组式、项目式、探究式学习，进一步建构知识体系，通过小组学习和翻转学习，进行课后拓展，绘制出各章节的知识图谱。第四“图数双驱评测”（评）。通过学生自评、小组互评，教师评价和客观评价，在对知识点测评的同时，监测学生的学习情况，以实现个性化、精准化教学。通过上述环节，形成了思政引领、以知识图谱为核心的新工科课堂教学新形态，打造新工科优质高效课堂。四、知识图谱联动课堂教学实践为了优化课程教学、提升课堂教学效果和效率，充分利用优质教学资源库，以“线上+线下”“课内+课外”“专业+思政”“个性+合作”“基础+拓展”等形式，进行以知识图谱为核心的机械设计课堂教学实践。（一）知识图谱驱动线下教学备课时，从知识、能力和素质3个方面绘制课程各章的知识图谱，将知识点分层级次列出，建立各知识点之间的联结。布置线上学习任务，引导学生学习相关课程章节。在每章开始前，为学生展示本章知识点及其关联性。基于建构主义理论，引导学生在已有基础课和专业课基础上建构知识，并将思政元素隐性融入形成思政图谱，为后续的思政育人打下基础。1.设置项目课和讨论课在探索学生“学”与“教师指导学生学”的深度学习策略基础上，重构以项目课和讨论课为载体图2基于“知识图谱”的课堂教学模式思政引领，持续改进，打造新工科优质高效课堂知识图谱导入自主学习任务MOOC测试反馈导学教评课前测试个性化学习拓展学习教师授课翻转课堂小组研学教师评价学生自评、互评客观评价 10 2024年第1期总 第 2 2 0 期教育教学改革的知识图谱，通过小组参与式教学，学生搜集资料，进行小组讨论，项目设计等，完成讨论课和项目课任务。将课程所学融于项目课，在答辩过程中，学生以思维导图形式展示运用的知识体系，实现了学以致用。机械设计制造及其自动化专业2020级卓越班在新型连接的讨论课翻转教学中，学生将讨论中所有涉及的联接以知识图谱的形式给出，并在讨论课答辩中进行了展示，表明学生明晰了该部分知识框架，并进行了创造性应用。为了提升项目课的高阶性，选择全国机械设计大赛题目作为项目课题目，各小组群策群力，从方案设计、三维构型、有限元分析、编程等各方面应用所学设计创新结构，在答辩中结合项目课要求，从机械传动、支承、连接等各方面构建知识体系，提升了复杂机械设计能力和创新能力。2.注重“测验效应”作为课程学习效果的检验，在课堂教学中进行前测，检测知识点的线上学习情况。进行课中测和后测，检测课堂知识点学习情况。通过课前提问，帮助学生搭建前一次课与本次课之间的逻辑关联，助力知识体系的架构。对于难点问题，采用费曼学习法，在课堂教学和小组教学中引导学生上讲台，把自己的理解讲给其他同学听，使得主讲学生在对知识点深度理解的同时，与其他同学思维共鸣，并提升教师教学的针对性。3.科教产政融合在传授专业知识的同时，将科研项目和工程案例引入课堂教学（如国家自然科学基金等科研项目），从精度设计的角度体会精密测量实验台中滚动轴承的设计要求，引出“卡脖子”技术，培养学生的家国情怀和责任意识。在课程教学中引入本校实训中心线切割设备噪声大的案例：实训师傅在维修时发现，噪声大的原因在于滚动轴承处于干涸润滑状态，加入润滑剂后噪声消失，使学生体验滚动轴承润滑的重要性，进而提升解决工程实际问题的素养。与课堂教学相对应，在课外环节，通过翻转课布置拓展阅读任务和思维导图绘制作业，引导学生架构各章节的知识体系，为后续的课程设计、专业课学习和毕业设计储备知识、提升能力做好准备。（二）大数据驱动线上学习通过关注学生线上视频观看时长、在线测试成绩、提交作业成绩、堂测成绩等学习记录数据，分析其对各个知识点及相关内容的掌握程度，形成“学习者画像”，进而给出个性化学习指导。通过线上学习数据和翻转课堂数据，多渠道获取学生课程学习学情数据，及早发现学习困难学生，及早干预。基于线上和线下学习数据制定督学方案，通过调查问卷等及时修正教学手段和教学设计，提升了课堂教学效果。（三）知识图谱驱动教师教学设计教师通过向学生展示知识点之间的逻辑关系，使学生理解一节课要解决的重点、难点问题，知识图谱便于教师设计教学思路，让学生通过知识表1基于“知识图谱”的项目设计年级组别项目名称涉及知识点2020级1组搭载视觉定位和路径规划系统的苹果采摘装备V带传动、蜗轮（回转装置）、履带式行走装置、升降装置、弧面抓手、三维设计2组基于螺旋千斤顶的自动泊车机器锥齿轮、螺旋传动、链传动、直齿轮、三维设计3组火龙果采摘机Matlab齿轮设计、Adams齿根应力分析、剪刀、转盘、三维设计4组无避让式小型停车装置齿轮齿条（水平运动）、链传动（升降）、三维设计5组可爬楼助老轮椅轮腿式、星轮式、履带式链传动、轴承、三维设计6组水果采摘器的设计齿轮、蜗轮、螺栓、三维设计 11 2024年第1期总 第 2 2 0 期图谱建立本章节的知识框架及与下一章节的联系，并带着问题预习下一章节。知识图谱有利于知识框架和知识体系的构建，有利于学生个性化学习和教师教学效果提升。调查问卷显示，96.3%学生对于知识图谱的认可度较高。针对“你对绘制知识图谱（思维导图）的感受”问卷题，42.6%学生认为“非常有助于章节知识掌握”，53.7%学生认为“对知识点学习有一定作用”。参考文献：1 黄雷，袁军堂，殷增斌.新工科背景下的机械类人才培养探索以南京理工大学机械工程专业为例J.教育教学论坛，2021(30)：177-180.2 史宇坤，许姝艺，董少春.基于知识图谱的增强型混合式学习的教学实践与思考J.高校地质学报，2022，28(3)：387-393.3 刘峤，李杨，段宏，等.知识图谱构建技术综述J.计算机研究与发展，2016，53(3)：582-600.4 王昊奋，漆桂林，陈华钧.知识图谱：方法、实践与应用.北京：电子工业出版社，2019：68.5 张执南，张国洋，韩东，等.基于知识图谱的项目式教学管理以大学生创新实践项目为例J.高等工程教育研究，2022(2)：58-62.6 边磊，李田，关玲，等.基于建构主义理论的有机化学实验混合式教学设计与实践J.化学教育(中英文)，2022，43(2)：64-68.7 张克明，郑佩，焦古月，等.费曼技巧在材料力学课程教学中的应用J.科教导刊，2021(17)：105-108.8 王珏.“费曼学习法”教学原理分析及应用J.广西职业技术学院学报，2020，13(4)：98-102.9 汪振华，袁军堂，乔莉.“新工科”背景下高等教育机械类专业课程教学方法探讨J.高教学刊，2021，7(14)：100-103.“教师是学生的学习伙伴”的情形，打破了传统的教学桎梏和分隔，构建了更富有互动性和人文关怀的师生关系。师生之间的平等和自由在兴趣教学中得到真正体现，不仅让教育者有机会了解学生，更让学生在进步中找到兴趣和乐趣，使教育变得更加人性化和温暖。工科兴趣教学模式下师生关系的重新审视带来了一些启示：在传统教育与现代教育之间进行取舍不如将更为优秀的教育特质注入对个体和社会的考量，在知识本身的基础上进行创新性的教育变革。工科兴趣教学是一种能够激发学生对知识的热情和探究欲望的教育模式，在推动工科教育转型升级方面具有非常重要的作用。随着科技日新月异，传统的工科教育已经无法满足现代社会对高素质、创新型工程师的需求。工科兴趣教学正是打破传统教育局限的一种办法，将学生兴趣与实际问题相结合，更好地培养实践能力和工程思维，增强在未来职业领域的竞争力。通过引导自主、积极探索和解决问题，工科兴趣教学不仅能够提高学生专业技能，也能为其全面发展和未来发展提供更多支持。推动工科兴趣教学的发展和应用，必将有力地促进工程教育的转型升级，拓展工程教育的道路，培养更多的优秀工程师。参考文献：1 李琳.“兴趣教学”的理念与实践J.教学纵横，2020（24）：18-19.2 让-雅克卢梭.爱弥儿M.叶红婷译北京：台海出版社，2016：264.3 郑静，龙湘云，伍素珍.面向新工科人才培养的机械设计基础课程教学改革J.高教学刊，2023，9（5）：117-120.4 罗刚，李芹，赵晓彦，等.新工科人才培养模式创新研究以西南交通大学地质工程教育改革实践为例J.教育教学论坛，2023（11）：45-48.5 徐敦辉.学科交叉视域下新工科人才培养研究D.南京：南京邮电大学，2019.（上接第6页）