機械類專業(yè)科教產融合知識圖譜實踐平臺建設

摘 要 在科教產深度融合背景下，機械類專業(yè)人才培養(yǎng)面臨知識體系復雜、實踐需求高等挑戰(zhàn)。文章構建了融合系統化知識圖譜、任務驅動學習模式和虛擬仿真實訓模塊的機械類專業(yè)數字化實踐平臺。平臺的應用結果表明，其通過直觀的知識網絡展示和真實工程案例應用，幫助學生構建了系統的知識框架，強化了學生的實踐能力和綜合素質。此外，文章還分析了現有平臺在界面設計、案例覆蓋、資源整合和評價體系方面的不足，從界面優(yōu)化、案例擴展、資源整合、功能升級、評價體系改進等方面提出了針對性的優(yōu)化改進措施。

關鍵詞 科教產融合；知識圖譜；數字化實踐；機械類專業(yè)

中圖分類號：G642 " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A " " DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2025.05.004

Construction of a Practical Platform for the Knowledge Graph of the Integration of Science， Education and Industry in Mechanical Majors

DU Jin， LYU Yuexia， XU Chonghai

（Faculty of Mechanical Engineering， Qilu University of Technology （Shandong Academy of Sciences）， Jinan， Shandong 250351）

Abstract In the context of the deep integration of science， education and industry， the cultivation of mechanical professionals faces challenges such as a complex knowledge system and high practical requirements. This paper constructs a digital practical platform for mechanical majors， which integrates a systematic knowledge graph， a task-driven learning mode， and a virtual simulation training module. The application results of the platform show that through the intuitive display of the knowledge network and the application of real-world engineering cases， it helps students build a systematic knowledge framework and strengthens their practical abilities and comprehensive qualities. In addition， the paper analyzes the deficiencies of the existing platform in terms of interface design， case coverage， resource integration， and evaluation system， and puts forward targeted optimization and improvement measures from aspects such as interface optimization， case expansion， resource integration， function upgrading， and improvement of the evaluation system.

Keywords integration of science， education and industry; knowledge graph; digital practice; mechanical majors

隨著工業(yè)4.0和智能制造的深入推進，機械類專業(yè)作為工程教育的重要領域，其人才培養(yǎng)模式正面臨新的挑戰(zhàn)和機遇。一方面，產業(yè)升級對高等教育提出了更加嚴格的要求，要求畢業(yè)生不僅掌握扎實的理論基礎，還需具備較強的實踐能力、創(chuàng)新思維和跨學科解決問題的能力。另一方面，科教產深度融合的教育改革背景為高校提供了豐富的教學資源與合作契機，推動了科教產協同育人模式的發(fā)展。目前，傳統機械類專業(yè)教學模式普遍存在理論教學與實踐環(huán)節(jié)脫節(jié)、知識體系碎片化、實踐資源不足等問題，難以滿足新興產業(yè)對高質量應用型人才的需求。

知識圖譜作為一種結構化呈現知識點及其關系的工具，具有直觀性和系統性的特點，可為教育教學提供一種全新的組織與表達方式?；谥R圖譜構建數字化實踐平臺，可以將機械類專業(yè)的復雜知識點梳理為系統化的學習模塊，并結合企業(yè)實際案例和虛擬仿真實訓，將理論教學、實踐操作和創(chuàng)新能力培養(yǎng)有機結合，從而實現教學內容的結構化、教學方式的數字化和教學成果的實用化。

齊魯工業(yè)大學（山東省科學院）依托科教融合體制優(yōu)勢，結合機械類專業(yè)協同育人聯盟資源，近年來先后圍繞科教產深度融合背景下的專業(yè)認證內部評價機制[1]、協同育人教學體系[2]、機械類專業(yè)課程教學模式[3-4]和線上思政教學實施路徑 [5]等方面開展了一系列的教學改革探索與實踐。此外，機械工程學院還基于知識圖譜構建了機械類專業(yè)數字化實踐平臺，以企業(yè)真實工程案例為切入點，整合多元化教學資源，搭建虛擬仿真實訓環(huán)境，形成了理論學習與實踐應用相結合的教學體系。本文主要探討平臺在機械類專業(yè)教學中的構建成效，并針對存在的問題提出改進優(yōu)化措施，為推進科教產融合背景下的機械類專業(yè)教學改革提供參考。

1" 基于知識圖譜的數字化實踐平臺建設與實踐

1.1" 知識圖譜模塊的構建與應用

知識圖譜模塊是機械類專業(yè)數字化實踐平臺的核心組成部分，旨在通過系統化、結構化的方式梳理專業(yè)知識點，將抽象的理論知識直觀化、網絡化，以實現學生對復雜知識體系的全面掌握。知識圖譜的設計遵循“分層級、強關聯”的原則，構建以專業(yè)課程為主線、實際工程案例為支撐的知識網絡，依據機械類專業(yè)課程大綱及行業(yè)核心技術需求，將知識點按照基礎理論、專業(yè)技能和綜合應用三個層次進行分類。例如，在“液體裝料機結構設計”案例中，知識圖譜的一級節(jié)點包括設備概述、結構原理、關鍵機構設計、三維建模方法等內容；二級節(jié)點進一步細化為彈簧閥門設計、滑道式瓶子升降機構設計、定量灌裝機構等具體模塊。各節(jié)點之間通過邏輯線條建立關聯，清晰呈現知識點之間的依賴關系與相互聯系。

為增強學習資源的豐富性和針對性，知識圖譜支持專業(yè)文檔、視頻教程、交互動畫、案例數據和設計軟件的使用手冊等多種類型資源的嵌入。以“葉片泵的工作原理”為例，圖譜節(jié)點中嵌入了泵的三維結構模型、運行原理動畫、典型故障案例分析等學習資源，幫助學生在可視化場景中加深理解。此外，知識圖譜模塊提供動態(tài)編輯和版本管理功能，教師可以根據課程調整或行業(yè)動態(tài)需求靈活更新知識點結構和內容，確保其與時俱進。此外，知識圖譜模塊也是任務驅動學習模塊的基礎。

1.2" 任務驅動學習的設計與實施

任務驅動模塊由教師創(chuàng)建具體學習任務，學生通過平臺選擇具體的知識圖譜任務，根據學習需求快速跳轉到對應節(jié)點開展學習，形成“目標導向―任務完成―反饋改進”的閉環(huán)教學流程。在任務設計上，教師根據知識圖譜的內容和案例實際需求制定任務，并明確任務背景、操作要求、評價標準及完成時限。任務內容設計注重工程實際問題的導入，以提升學生的實踐能力。例如，在“液體裝料機結構設計”任務中，學生需根據知識圖譜中的彈簧閥門設計節(jié)點，完成關鍵零部件的三維建模任務，并分析其裝配后的運動學特性。

任務完成后，學生通過平臺提交文檔、模型文件、仿真視頻等任務成果，教師可以在線查看并進行評價。評價體系以“四級評分+文本反饋”為核心，包括“優(yōu)秀”“良好”“及格”“較差”四個等級，同時教師可以通過文字形式詳細指出任務完成情況的亮點與不足，幫助學生明確改進的方向。此模塊還具備任務提醒功能，確保學生按時完成任務，提高任務完成率。任務驅動模塊通過將知識點與實際任務相結合，使學習過程更加目標化和應用化。學生不僅能夠理解知識的實際應用場景，還能在完成任務的過程中提升綜合能力，包括分析問題、設計解決方案和團隊協作的能力。

1.3" 虛擬仿真實訓模塊的開發(fā)與實踐

虛擬仿真實訓模塊是平臺的實踐核心，其通過先進的虛擬現實和數字孿生技術，模擬企業(yè)實際生產場景，為學生提供沉浸式的工程訓練環(huán)境。相比傳統實驗室訓練，虛擬仿真實訓在資源利用、訓練場景拓展、操作安全性等方面具有顯著優(yōu)勢，成為培養(yǎng)機械類專業(yè)學生實踐能力的重要手段。虛擬仿真實訓模塊的開發(fā)基于真實工程案例，將實際生產工藝與設備運行過程轉化為數字化虛擬場景。例如，在“葉片泵工作原理”的仿真實訓中，學生可以通過虛擬場景詳細觀察設備內部結構，模擬泵的裝配、運行和維護過程。該模塊通過人機交互技術引導學生按照標準化操作流程進行實踐，內容涵蓋葉片泵的零部件組裝、系統調試、運行性能分析以及故障診斷等全流程任務。在“液體裝料機”案例中，仿真實訓還集成了動態(tài)參數調節(jié)功能，學生可通過調整設備的裝料速度、液體流量等關鍵參數，觀察各參數對整體性能的影響，從而深入理解設備的設計原理與應用場景。

為了進一步提升學生的學習效果，仿真實訓模塊還嵌入了智能化評估功能。系統能夠根據學生的操作規(guī)范性、任務完成度、結果正確性等進行自動評分，并生成詳細的評估報告，供學生和教師參考。學生可以通過評估結果明確自己的薄弱環(huán)節(jié)，有針對性地進行后續(xù)學習與訓練。通過虛擬場景的實時交互，學生能夠在零風險的環(huán)境下模擬實際工程操作，培養(yǎng)創(chuàng)新能力和實踐思維。結合知識圖譜和任務驅動模塊，虛擬仿真實訓為學生搭建了理論與實踐無縫銜接的學習橋梁，為機械類專業(yè)的教學改革和學生實踐能力的培養(yǎng)提供了有力支持。

2" 數字化實踐平臺存在的問題及改進措施

2.1" 存在的主要問題

盡管基于知識圖譜的機械類專業(yè)數字化實踐平臺已在教學實踐中取得一定成效，但在長期使用和反饋過程中，仍然暴露出一些不足之處。首先，平臺的用戶界面設計和交互邏輯仍需優(yōu)化。目前知識圖譜的界面以節(jié)點和關聯線為主，缺乏直觀的導航設計和人性化的交互方式，導致部分學生在使用過程中感到學習路徑不夠清晰，操作體驗不夠流暢。此外，知識圖譜節(jié)點間的關聯性雖然已基本建立，但多圖譜間的跳轉功能尚不完善，不利于學生對跨知識模塊的綜合性學習。

其次，平臺提供的知識圖譜案例數量和覆蓋范圍仍顯不足?，F有的八個案例主要集中在幾個機械類專業(yè)核心領域，對于智能制造、工業(yè)機器人等新興領域和交叉學科缺乏系統的知識圖譜和案例支持，未能完全滿足學生多元化的學習需求。此外，由于企業(yè)與高校之間在數據共享和資源整合方面存在一定障礙，部分企業(yè)案例中的實際數據無法完整用于圖譜構建和實踐平臺的訓練，影響了案例的真實性和教學價值。

最后，平臺對網絡資源的利用不夠充分，資源整合效果不佳。雖然平臺已嵌入部分教學資源，但尚未實現與MOOC課程、專業(yè)文獻數據庫等主流開放教育資源的深度對接，未能充分發(fā)揮外部資源在拓寬學生視野和提升學習效果方面的優(yōu)勢。同時，平臺在評價體系和數據分析功能上相對薄弱，學生學習行為和任務完成效果的分析報告不夠細致，難以為教師提供精確的教學改進依據。

2.2" 改進優(yōu)化措施

為進一步提升平臺的實用性和教學效果，可從界面優(yōu)化、案例擴展、資源整合、功能升級、評價體系改進等方面對平臺進行改進優(yōu)化。首先，對平臺界面設計進行優(yōu)化，提升用戶體驗。通過引入星型圖譜導航模式和更為直觀的圖形化展示方式，使知識點之間的關聯性更加清晰。多圖譜之間實現自由跳轉功能，方便學生跨模塊學習。此外，引入自定義學習路徑的功能，讓學生根據個人學習需求設置學習順序，提升學習的靈活性和針對性。

在案例擴展方面，后續(xù)加大對新興領域和交叉學科知識圖譜的開發(fā)力度。同時，進一步深化與企業(yè)的合作，通過簽訂數據使用協議或聯合開發(fā)項目案例等方式，獲取更多真實生產數據和典型案例，增強平臺內容的真實性和前沿性。在資源整合方面，加強平臺與外部教育資源的對接，通過與MOOC平臺、專業(yè)數據庫及企業(yè)培訓資源的聯動，實現資源的共享和互補，基于學生的學習進度和行為數據，智能推薦適配的學習資源，幫助學生進行個性化學習。

在功能升級方面，通過引入大數據分析工具，對學生的學習行為、任務完成效果和測試結果進行多維度分析，生成詳細的學習分析報告，涵蓋學生的知識掌握程度、任務完成質量、操作習慣和學習效率等指標，為教師的教學改進提供可靠依據。同時，增強學習過程的可視化展示功能，使學生能夠直觀了解自己的學習進度和知識掌握情況，增強學習的主動性。將任務完成質量、學習行為表現和虛擬仿真實訓操作效果以量化評分和定性評價相結合的形式納入評價范圍。通過以上改進措施以完善平臺功能，為推進科教產深度融合背景下的高等教育數字化轉型提供新的思路和實踐經驗。

3" 結語

齊魯工業(yè)大學基于知識圖譜構建了機械類專業(yè)數字化實踐平臺，通過系統化知識圖譜構建、任務驅動學習和虛擬仿真實訓，實現了理論與實踐教學的深度融合，有效解決了傳統教學中知識碎片化和實踐環(huán)節(jié)不足的問題，為機械類專業(yè)人才培養(yǎng)提供了新的模式和思路。此外，針對目前平臺運行中存在的問題，從優(yōu)化界面交互、擴展案例內容、加強資源整合與共享、提升智能化功能等角度提出了改進措施，以便進一步提高平臺的教學效能和適用性。

通信作者：杜勁

基金項目：2021年山東省本科教學改革研究重點項目“科教融合、產教融合與工程教育專業(yè)認證多元驅動‘三鏈’銜接的機械類專業(yè)人才培養(yǎng)體系構建與實踐”（Z2021142）；2023年山東省本科教學改革研究面上項目“面向國家一流專業(yè)的《熱工與流體力學》課程思政示范課程建設研究與實踐”（M2023246）。

參考文獻

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