基于知識地圖的高校實驗室安全教育微課體系構建

謝 虎， 庫夭梅， 劉小波， 陳志民， 李 楠， 葉志嬋

（華南農業大學基礎實驗與實踐訓練中心，廣州 510642）

0 引 言

隨著信息技術的高速發展，移動終端已成為人們不可或缺的工具，使學習方式發生了重大變革，突破了時間和空間的限制，碎片化學習成為常態。微課以其“短小精悍”［1］特點契合了碎片化學習的內在規律要求，已在眾多課程教學中得到廣泛運用。

近年來，國內外高校各類實驗室安全事故時有發生，如2018 年12 月6 日，印度班加羅爾一實驗室高壓氫氣瓶爆炸；2019 年2 月27 日，南京工業大學一實驗室發生火災；2021 年10 月24 日，南京航空航天大學一實驗室發生爆燃。給國家、學校、家庭帶來重大損失，暴露出實驗室安全教育與管理的漏洞。2021 年教育部辦公廳發布《關于開展加強高校實驗室安全專項行動的通知》，強調必須“強化實驗室安全教育體系建設”。實驗室安全教育旨在使師生掌握安全知識、技能，具備相應的安全素養，是杜絕安全事故的最前端保障，在信息化碎片化時代開展高質量的安全教育，構建視頻、動畫、微課等符合認知習慣的新資源，以圖、表、文字、音頻多通道輸出，滿足學習者新的需求，加強知識建構，有效提升師生安全素養，從而掌握必需的安全知識與技能，對師生全面與可持續發展具有重要意義。

1 實驗室安全教育現狀

通過對知網近5 年核心期刊中安全教育文獻的分析及國內外知名高校的安全教育平臺的調研發現，國內外高校普遍高度重視實驗室安全教育，均設立了專門的機構負責管理，如美國高校的EHS 管理部［2］、澳大利亞高校的職業健康與安全部［3］，我國高校的安全教育大多由資產與實驗室管理處負責。國內高校建立的實驗室安全教育體系涵蓋安全教育的制度、師資隊伍、教育內容、教育資源、教育形式、在線學習及考核等［4］，國外高校在安全教育法律法規涵蓋范圍及明細度、師資隊伍結構、教育資源形式及豐富性等做法非常值得借鑒［5-6］。綜觀國內外研究仍存在以下問題：①目前各高校的實驗室安全教育線上資源多以文本材料為主，視頻、動畫、微課類資源很少，不利于學習者的記憶存儲，已不符合當前的碎片化學習新需求。②教育內容仍沿用大片段組織方式，內容顆粒度大，很難獲得學習者的持久關注，效果也不甚理想。③考核側重知識的獲取，忽視了知識的遷移與應用，難以完成知識的建構并最終內化為安全素養，導致學生面對復雜或突發安全問題無法做到有效應對，安全教育質量有待提高。

2 相關概念界定

（1）知識地圖。知識地圖是一種新型可視化的學習工具，起初由情報學家布魯克斯提出，他認為知識地圖是由一個個知識節點匯聚形成學科認知圖示［7］；隨后Garrison D R、III Vail、Mansingh G 等指出知識地圖是一種知識展現方式［8］、知識點之間的聯系與導航［9］、知識可視化的表達工具［10］；國內學者還有認為知識地圖是一種信息查詢系統［11］。以上表明，知識地圖的主要功能是知識管理、知識導航、知識點間關系的可視化呈現等。從形態上知識地圖可分為層級知識地圖、網狀知識地圖兩種［12］。層級知識地圖類似于目錄，是按照層級結構排列，見圖1，層級知識地圖知識點的層級關系很清晰，但知識點之間的關聯不能很好地呈現；網狀知識地圖是一種分析復雜問題的圖形化思考工具［13］，不同于層級知識地圖，網狀知識地圖存在反饋鏈路，見圖2。網狀知識地圖可清晰展現知識點之間的關聯，但知識點過多時，關聯關系的表達形式很復雜，容易加重認知負荷；二者結合既可看到知識結構，也可看到知識關聯。

圖1 層級知識地圖

圖2 網狀知識地圖

（2）微課。現代意義的微課起源于1993 年美國北艾奧瓦大學羅伊·麥克格魯教授［14］提出的60 s課程。2012 年美國高等教育信息化協會給出微課的定義是：具有單一主題演講的音頻或者視頻，可以很容易融入課程使用。國內微課概念最早由胡鐵生［15］提出，他認為微課是針對某個知識點或教學環節開展教與學活動的資源有機組合。焦建利［16］認為微課是以闡釋知識點為目標，以短小精悍的在線視頻為表現形式，以學習為目的的在線教學視頻。黎加厚［17］認為微課程是指有明確教學目標，時間在10 min以內，內容短小，集中說明一個問題的小課程。綜上所述，微課是主題聚焦，時間短，容量小，便于在線傳播的視頻教學課程。

3 基本思路

針對安全教育存在的文本材料多、內容顆粒大、重知識輕應用的問題，擬以微課與知識地圖相結合解決上述問題。以微課的視頻、動畫表現形式破解文本材料多的問題；以知識點化的內容組織解決內容顆粒大的問題；以問題導向促進意義建構解決重知識輕應用的難題。微課的知識點組織方式雖便于理解但也造成了知識的碎片化，且當微課數量多時容易造成信息迷航，引入知識地圖以其知識導航、知識管理、關聯可視化的功能破解微課知識點化組織存在問題，兩者結合可完美解決安全教育線上教學的不足，具有堅實的理論基礎。

以微課與知識地圖相結合的方式解決實驗室安全教育中存在的問題，首先需要重構安全教育的內容體系，實現內容的模塊化組織，然后創設導向問題連接各模塊及知識點，以此為基礎設計開發系列微課，構建知識地圖，最后完成考核與評價，促進安全知識、技能與素養的融合培養。具體思路如圖3 所示。

圖3 研究的基本思路

4 體系構建

4.1 “通識—專業”模塊化體系內容構建

安全教育內容的設置是整個安全教育的核心，決定了受教育者的知識面及知識結構。研究參考各高校安全教育相關平臺、文獻及教材［18-19］，根據安全教育內容涉及面的廣度及深度將內容劃分為具有普適性的通識教育以及針對特定類別的專業教育，即建立“通識-專業”的安全教育內容框架。通識教育包含消防安全、電氣安全、網絡安全；專業安全包含化學安全、生物安全、輻射安全、特種設備安全、機械安全。

針對目前安全教育單元內容顆粒度大的問題，在按照專業類別分類的基礎上遵循“自上而下分解”與“自下而上驗證”相結合的原則對安全教育內容進行模塊化、知識點化處理。“自上而下分解”指將各類安全教育內容按照知識的系統性、結構性分解為具體的模塊，再將模塊內容重組為一個個相對獨立但邏輯上具有層次關聯的知識單元；“自下而上驗證”指驗證知識點內容是否完整、知識點組合是否完整闡釋相關模塊、是否有缺失或者重復的內容。運用德爾菲法經過多輪論證得到相應的模塊與知識點，以“消防安全”為例，其模塊與知識點（首次展現以全稱及縮寫表示，其后以縮寫表示）如圖4 所示。

圖4 安全教育內容框架及消防安全模塊與知識點

4.2 導向問題的創設

問題的創設是本研究的重點及難點，可分為3 個步驟：

（1）模塊及知識點的再整理。將各模塊及知識點進行二次梳理，確定關聯度強的模塊及知識點并進行分類匯總，建立相應的組合。

（2）問題的創設。可首先根據實際情況采用問卷、訪談、文獻調研等方法搜集盡可能多的相關問題，然后參照問題的真實情境性、問題涉及內容的層次、問題的半開放性對問題進行再加工，根據建立的模塊及知識點創設具體的安全問題。此處創設的安全問題有2 種類型：①順序類別，即按照模塊與知識點的對應關系創設導向問題；②交叉類別，即按照步驟（1）中建立的組合創設導向問題，此類問題的解決需要學習跨模塊的知識點。

（3）問題與模塊及知識點的關聯。根據創設問題時對應的模塊及知識點建立問題與模塊、知識點的關聯。與創設問題的兩種類型相對應，關聯模式亦有兩種：一是以知識結構為主的非跨模塊聯結模式，此種模式知識點的關聯僅在模塊內；另一種是跨模塊聯結的模式。以“消防安全”為例，創設的問題及對應的模塊與知識點如圖5 所示。

圖5 消防安全模塊及知識單元與導向問題聯結

4.3 微課的設計與開發

微課的設計需緊密結合上述的導向問題，以對應的知識點內容為素材，通過“導入情境設計—內容組織方式設計—內容呈現方式設計—腳本編寫—視頻拍攝—微課開發”來完成。導入情境需與創設的導向問題緊密聯系，設置真實的問題背景，貼合學習者的日常生活學習；內容組織方式設計主要是對每個知識點的內容進行凝練，將知識點的內容簡化為具有邏輯關系的幾點；內容呈現方式設計指將各知識點內容以圖形式的方式表達；腳本編寫是對包括情境導入的方式、呈現內容、呈現方式以及各步驟相應的時間長度等進行全過程設計，編寫完整的腳本；視頻拍攝主要指根據腳本內容進行相關視頻拍攝，并進行相應的剪輯；微課開發指根據腳本選擇合適的方式進行微課的開發，常見的工具有Premiere、會聲會影、Final cut pro、iMovie、VUE、PPT等。

4.4 知識地圖的構建

知識地圖的構建可分為4 個部分，包括知識地圖的表現方式設計、學習路徑的設計、不同表現方式聯動機制設計和知識地圖的開發。

（1）知識地圖的表現方式設計。本研究采用層級與網狀相結合的方式，首先從層級知識地圖入手，根據安全教育的內容分類及模塊、知識點關系編制樹狀知識地圖，以清晰展示整體知識結構；接著以導向問題為中心，根據其關聯的模塊及知識點編制網狀知識地圖，網狀地圖以球狀、矢量圖的形式呈現，可放大縮小的屬性賦予其可添加大量的知識關聯，同一關聯主體以相同顏色呈現，以不同顏色區分不同主體，提供兩種關聯顯示方式（只顯示當前問題的關聯、顯示全部問題關聯），默認顯示當前問題的關聯情況，其他關聯則以熱點形式展現。

（2）學習路徑設計。實時顯示用戶當前需解決的問題及關聯模塊、知識點，用不同顏色標識用戶已學習、未學習以及正在學習的模塊及知識點。用戶只需在網狀知識地圖或學習路徑上點擊相關知識點即可學習相關內容。

（3）不同表現方式聯動機制設計。建立層級知識地圖與網狀知識地圖同步機制，即用戶在不同知識地圖上查看模塊或知識點另一知識地圖跟隨變動的機制。網狀知識地圖上實時顯示整個安全教育用戶的學習軌跡，以不同顏色標識區分不同的學習狀態。

（4）知識地圖開發。支持PC、移動端，采用基于HTML+CSS+Javascript 技術開發知識地圖布局和功能，實現層級和網狀方式展示，用HTML 定義知識地圖內容，用CSS設計知識地圖外觀，用JavaScript 來定義交互行為，用Canvas來顯示知識的地圖畫面。

根據頁面功能所需，在HTML中放3 個div 元素、2 個canvas元素，2 個h1 元素及2 個按鈕即可。其中canvas用來顯示層級和網狀頁面對應的畫面。通過上述元素的width、height、background、border-radius 和margin屬性設置元素的寬度、高度、背景顏色、圓角效果及外邊距。通過button：hover 和button：focus 來設置鼠標經過按鈕和點擊按鈕時的按鈕視覺效果。知識地圖初步設計界面效果圖如圖6 所示。在微課與知識地圖設計開發完成的基礎上，設置知識地圖、學習路徑與微課的鏈接。

圖6 消防安全教育知識地圖

4.5 考核與評價機制構建

考核是檢驗知識掌握情況的重要組成部分，目前的安全教育考核仍以選擇題及判斷題等客觀題測試為主，難以評估學生的知識遷移能力。本研究設置“客觀題+隱患排查+情境推理”3 種形式組合的方式考核學生安全知識掌握情況，三部分權重為5∶3∶2，通過安全教育平臺進行測試。客觀題來源于題庫，主要考察常見知識掌握情況；隱患排查指學習者根據展示的實驗室環境找出安全隱患所在；情境推理指模擬一種實驗室安全事故環境，學習者當時應如何處理。隱患排查與情境推理更注重考查學生“為什么”“怎么辦”的知識遷移能力，注重學生的安全知識建構情況。

評價指學習者對于安全教育微課體系的反饋意見，通過構建的成熟度模型及配套的問卷評估當前安全教育微課體系所處的成熟度等級，并根據對應指標持續改進。

4.6 實施成效

研究實施2 年來，共計1.7 萬名學生通過了實驗室安全教育測試，優秀等級占比91%，學生滿意度達89%，實驗老師普遍反饋學生能及時發現安全隱患，兩年來學生在實驗室零安全事故，為實驗教學做好了充分的安全保障。

5 結 語

知識地圖與微課的結合具有堅實的理論基礎，適合當前主流的碎片化學習方式。本研究在安全教育中率先引入兩者結合的方式，使得安全教育內容組織由順序單元式向問題導向、模塊化、知識點化轉變，知識地圖為學習者個性化學習提供重要支撐，促進安全教育效果由獲得安全知識的短時記憶向安全知識、安全技能、安全素養相融合的知識建構轉變，取得了良好的成效，為實驗室安全教育提供了理論支撐與方法參考。