結合人工智能與知識圖譜的智慧創新課程探索

中圖分類號：G640 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2025）12-0076-04

Abstract：ElectromagneticFieldsandWavesisafundamentalcourseforscienceandengineringmajors.Duetoitshighly theoreticalnature，demandingmathematicalrequirements，andcloseasociationswithmultiplecoursessuchasadvanced mathematics，colegephysics，andcomplexvariablefunctions，studentsoftenencounterdificultiesinlearningthiscourse，which poseshighdemandsontheteachingapproachesof teachers.Therefore，thispaperintendstooptimizetheteachingcontentby leveragingartifcialinteligencetechnologyandteapplicationofknowledgegraphsenancestudentslearingeficiencyand exploretheinteligentcourseofelectromagneticfieldsandelectromagneticwaves.Moreover，itaimstointegrateresearchand teaching to explorestudentspotentialandspecialtiesinscientificresearchandpromotetheirall-rounddevelopment.

Keywords：ElectromagneticFieldsandWaves；artificialinteligence；knowledgegraph；wisdomcourse；scientificresearchand teaching combination

人工智能在高校課程中的應用與重要性日益凸顯，它改變了傳統的教學模式，為學生提供了更加個性化、高效和具有互動性的學習體驗。2018年教育部印發了《高等學校人工智能創新行動計劃》，引導高等學校聚焦世界科技前沿，旨在增強高校在人工智能領域的科技創新能力、人才培養效能及滿足國家需求的服務能力。這表明了人工智能引起了國家的高度重視并在高校教育中扮演重要角色。

知識圖譜是一種大規模的結構化語義網絡，它以圖的形式展示實體（如人、地點、事物和概念等）及其之間的關聯信息。這些實體和實體之間的關系分別通過節點和邊在圖中表示。知識圖譜具有強大的關聯性展示能力和多維度分析能力，通過提供結構化的信息表示方式，為各種應用場景給予了強大的支持，這些優點使得知識圖譜在許多方面都能發揮重要的價值。

電磁場與電磁波課程在理工科類專業中具有非常重要的地位，它不僅是后續專業課程的基礎，也是培養學生科學素養、實踐能力、創新能力的重要途徑3]。然而，由于電磁場與電磁波的概念和理論較為抽象，涉及大量的數學公式和推導，對數學基礎要求高，且系統性強，如果學生對某個知識點理解不透徹，就可能導致后續學習的困難。這些問題給電磁場與電磁波課程的學習和教學帶來挑戰。需要找到合適且有效的方法克服這些難點，提高學生的學習效果和教師的教學質量。

因此，本文的創新點在于結合人工智能和知識圖譜，探索電磁場與電磁波的智慧課程，通過人工智能輔助教學，分析學生學習數據，優化教學內容與路徑，并結合知識圖譜展示電磁學知識體系，輔助學生理解復雜概念，實現個性化學習和高效率掌握電磁場與電磁波課程知識。并設立本科生導師制度，將科研與教學融合，鼓勵學生參與到科研項目中，發掘學生科研方面的潛能和特長，培養他們的創新思維和團隊協作能力，促進學生全面發展。

一電磁場與電磁波課程介紹及教學難題

（一） 電磁場與電磁波課程介紹

電磁場與電磁波課程是電子信息、通信工程、物理學等專業中非常重要的一門基礎課程。此課程深入探討了電磁場的基本性質、分布規律及電磁波的傳播特性。課程內容涵蓋了靜電場、恒定磁場、時變電磁場的基本理論，麥克斯韋方程組這一電磁學核心理論亦被包含其中。通過學習，學生能夠理解電荷和電流如何產生電場和磁場，以及變化的電場和磁場如何相互激發，形成電磁波。此外，課程還著重討論了電磁波在不同介質中的傳播規律，如反射、折射、散射和干涉等現象。同時，還介紹了電磁波在通信、雷達、遙感和醫療等領域的廣泛應用，使學生能夠將理論知識與實際應用相結合。

電磁場與電磁波課程注重培養學生的理論分析能力和實驗技能，通過課堂講授、實驗操作和案例分析等多種教學手段，使學生能夠全面掌握電磁學的基本知識和技能，為后續的專業課程學習和科研工作打下堅實的基礎。此課程對于培養具有創新精神和實踐能力的高素質電子工程、通信工程專業人才具有重要意義。

（二） 電磁場與電磁波課程學習和教學難題

電磁場與電磁波物理現象難以直觀感受，這增加了學生學習該課程的難度。且電磁場與電磁波課程包含大量抽象的理論和概念，如麥克斯韋方程組、靜電場唯一性定理、內自感和外自感等。這些概念和理論難以理解，需要學生具備扎實的數學基礎和抽象思維能力。課程中還涉及大量的公式推導，這些推導過程繁瑣且復雜，需要學生投入大量的時間和精力進行學習和理解。然而，部分學生可能會因為推導過程中的困難而感到挫敗，進而失去學習興趣。

傳統的電磁場與電磁波課程教學方法存在一定的局限性，比如部分教師可能會過于注重數學計算而忽視了物理意義的解釋。這可能導致學生對課程內容的理解停留在表面層次，無法深入理解其背后的物理原理。傳統的“填鴨式\"教學和理論講解難以滿足學生的學習需求，缺乏互動性和趣味性，導致學生學習動力不足。課程內容有時過于注重理論知識的傳授，而忽略了與實際應用的聯系，導致學生對課程的學習目的和應用前景產生疑惑。這些問題導致學生學習積極性不高、學習效率低等。

二人工智能與知識圖譜解決電磁場與電磁波課程的路徑

（一）教學方法創新：人工智能構建智慧課堂

人工智能技術的快速發展，特別是大數據、深度學習、自然語言處理等領域的突破，為智慧課堂的構建提供了堅實的技術基礎。云計算、物聯網等技術的成熟應用，使得教育資源的整合與共享變得更加便捷，為智慧課堂提供了豐富的教學資源和工具。當前教育改革強調以學生為中心，注重個性化教學和互動性教學。人工智能技術的應用能夠很好地滿足這些需求，通過精準分析學生的學習情況，提供個性化的學習方案，并增強師生間的互動性。

人工智能技術的應用極大地豐富了教學方式的多樣性，使得傳統教育模式煥發新生。它不僅帶來了諸如虛擬實驗室這樣的創新工具，讓學生能夠在安全、無風險的環境中模擬實驗過程，深入理解科學原理，還引入了游戲化學習等新穎的教學方法，通過設計富有挑戰性的任務、獎勵機制和互動環節，極大地提升了學習的趣味性和參與度。在這樣的智慧課堂環境中，學生們不再是被動的接受者，而是成為了主動探索、積極建構知識的主體，他們的創造力和主動學習能力也得到了有效的培養和發展。

人工智能在智慧課堂的另一項重要應用是其能夠進行智能輔助教學，這一功能的實現極大地豐富了教學手段和資源，為學生的學習體驗帶來了很大的提升[8。通過引入AI助教這一創新角色，教育環境變得更加靈活和高效。AI助教不僅能夠提供豐富的學習材料和多樣化的教學資源，還能夠給予學生實時的學習支持和解答疑惑，成為他們學習旅程中的得力助手。AI助教的工作原理基于深度學習和自然語言處理等先進技術，它能夠理解并解析學生的問題，提供精準的答案和解釋。更重要的是，AI助教能夠根據學生的反饋和學習情況，智能地調整教學策略和內容，確保每位學生都能獲得最適合自己的學習路徑。

人工智能還可以進行虛擬實驗與模擬，學生可以在虛擬環境中搭建實驗裝置，調整參數，觀察電磁場的變化，以及電磁波的傳播和相互作用等。通過這種方式，學生不僅能夠直觀地看到實驗結果，還能深入理解實驗背后的物理原理，鍛煉他們的實驗設計和數據分析能力。并且虛擬實驗模擬極大地降低了實驗成本和安全風險。此外，虛擬實驗與模擬還為遠程教育和在線學習提供了極大的便利。無論學生身處何地，只要有網絡連接，他們就能隨時隨地進行實驗學習，打破了地域和時間的限制。這對于擴大教育資源覆蓋范圍、促進教育公平具有重要意義。

總之，人工智能通過智能輔助教學，特別是AI助教的應用，不僅豐富了教學手段和資源，還為學生提供了實時的學習支持和個性化的學習體驗，并提供了虛擬實驗條件。這些舉措有助于提升學習效果和教學質量，是教育現代化和智能化發展的重要方向。

（二）教學內容優化：知識圖譜搭建體系框架

電磁場與電磁波課程是一門內容廣泛且深人的專業課程，它全面涵蓋了電磁場的數學描述、電磁波的特性和產生機理，以及電磁波在通信、雷達等眾多高科技領域中的具體應用等多個方面。這門課程不僅要求學生具備扎實的數學和物理基礎，還需要他們能夠將理論知識與實際應用緊密結合，從而深入理解并掌握電磁學的核心概念和原理。

然而，學生在學習這門課程的過程中，往往會面臨諸多挑戰。該課程內容復雜且抽象，涉及大量的數學公式和物理概念，需要學生具備較強的邏輯思維能力和空間想象能力。同時，知識點之間聯系緊密但又相對分散，學生在記憶和理解上需要花費大量的時間和精力。傳統的線性教學方式，即按照章節順序逐一講解，往往難以讓學生形成完整、系統的知識體系，他們可能會在某個知識點上陷人困惑，難以將其與其他知識點融會貫通。

針對電磁場與電磁波課程學習過程中學生所面臨的復雜性和知識點分散等挑戰，知識圖譜技術的應用顯得尤為重要。知識圖譜作為一種先進的信息組織和表示手段，通過圖形化的方式直觀地展示知識點之間的關聯和層次關系，這種可視化的呈現方式極大地降低了學習難度，有助于學生更加輕松地形成清晰、系統的知識脈絡。在電磁場與電磁波這門課程中，我們可以充分利用知識圖譜的優勢，將麥克斯韋方程組作為整個教學的核心和基礎。以麥克斯韋方程組為例，該方程組作為電磁學的基石，不僅揭示了電場與磁場之間的內在聯系，還為學生理解電磁波的產生、傳播和相互作用提供了強有力的數學工具。圍繞“源與場”“場與物質相互作用\"等核心主題，我們可以利用知識圖譜技術，將麥克斯韋方程組及其相關概念、公式、定理等知識點進行有序的組織和連接，搭建起一個層次分明、結構完整的體系框架。

利用知識圖譜搭建電磁場與電磁波課程的體系框架，不僅可以幫助學生形成完整、系統的知識體系，還可以實現教學內容的個性化和智能化，提高教學效果和學習效率。隨著知識圖譜技術的不斷發展和完善，利用MindNode、XMind等工具構建可視化知識圖譜，展示知識點間的關聯與層級關系。知識圖譜在電磁場與電磁波課程中的應用將會越來越廣泛和深人。

（三）教學路徑定制：智能輔導提供專屬教學

隨著信息技術的飛速發展，教育領域正經歷著前所未有的變革。在電磁場與電磁波這一理論性強、應用廣泛的學科中，傳統的“一刀切\"教學方式已難以滿足學生多樣化的學習需求。為此，結合智能輔導技術的個性化教學路徑定制成為了提升教學質量、激發學生學習興趣的重要途徑[0]。

智能輔導系統是一種融合了大數據、人工智能等前沿技術的先進教育工具，它的核心功能在于通過全面且深入地收集學生的學習行為數據、成績數據及個人興趣偏好等多元化信息，構建出高度精準的學生畫像。通過對這些數據的深人挖掘和分析，系統能夠迅速識別出學生的學習難點和薄弱環節，實現精準定位。在此基礎上，智能輔導系統能夠為學生提供量身定制的學習指導和資源推薦。針對學生在特定知識點上的困惑，系統可以提供詳細的解析和多種解題思路，幫助他們突破難關。同時，根據學生的學習進度和興趣偏好，系統還能夠智能推薦相關的學習資源和拓展內容，如教學視頻、在線課程、習題集等，以滿足他們個性化的學習需求。

為了提升電磁場與電磁波課程的教學效果，筆者提出了一系列個性化的教學策略。首先，通過入學測試和問卷調查等多種方式，全面而深入地了解了學生的學習基礎、興趣偏好及學習目標。基于這些信息，為每位學生量身定制了個性化的學習計劃，旨在幫助他們更好地理解和掌握課程內容。在教師學習過程中，教師不僅僅要關注學生的學習進度，還應該密切關注他們的學習成效。定期對學生進行評估，并根據評估結果及時調整學習路徑。這樣做可以確保學生的學習始終沿著正確的方向前進，最終實現他們的學習目標。

除了定制學習計劃和調整學習路徑外，還應該提供個性化的學習資源導航。這一導航旨在引導學生高效利用校內外豐富的智能輔導資源和答疑服務，從而幫助他們解決在學習過程中遇到的各種問題。此外，還可以利用AI技術來為學生提供個性化的學習建議和資源推送。AI技術能夠根據學生的學習特點和需求，智能地識別他們的學習短板和興趣點，并據此為他們推薦適合的學習資源和建議。最后，還可以結合AI助教和人工教師的優勢，對學生在學習過程中遇到的復雜問題進行精準解答。這種結合的方式可以確保學生的問題得到及時解決，從而避免學習瓶頸的出現。

綜上所述，通過定制教學路徑，可以提供個性化的教學策略，從而為學生提供更加精準、高效和有趣的學習體驗，幫助他們更好地掌握電磁場與電磁波課程的知識和技能。

三 科研與教學融合

科研與教學融合有助于提升教學質量和學生的綜合素質。教師將最新的科研成果引入課堂，可以豐富教學內容，使課程更具前沿性和實用性。這種融合不僅增強了學生對專業知識的理解，還激發了他們的學習興趣和探索精神。同時，通過科研實踐，教師可以不斷更新和完善自己的知識體系，提高教學水平。其次，科研與教學融合有助于培養學生的創新能力。在科研過程中，學生需要運用所學知識解決實際問題，這鍛煉了他們的批判性思維、問題解決能力和團隊協作能力。此外，通過參與科研項目，學生還可以接觸到最新的科研方法和工具，為他們的未來職業發展打下堅實的基礎。

將最新的科研成果和前沿技術融人課程，通過科研分享、項自實踐等方式，使學生了解電磁場與電磁波領域的最新進展和應用。以筆者所在的為例，學院實行本科生導師制，鼓勵光電信息科學與工程和智能測控工程專業學生參與到老師的科研項目中，旨在加強師生互動，提高學生科研興趣，有助于發掘學生的潛能和特長，促進學生全面發展。

科研與教學融合作為一種高效的教育與科研模式，對于社會進步具有深遠且積極的推動作用。這一融合不僅促進了知識的創新與發展，還通過科研成果的轉化和應用，為解決眾多實際問題提供了強有力的支持，從而直接推動了社會經濟的持續健康發展。同時，教學與科研的融合還為社會培養了大量高素質的人才。在教學過程中，教師不僅傳授知識，還引導學生參與科研項目，培養他們的創新思維和實踐能力。這種教學模式培養出的學生，不僅具備扎實的專業基礎，還具備獨立思考和解決問題的能力，以及良好的團隊合作精神和溝通能力。

綜上所述，科研與教學融合在高等教育領域展現出了顯著的正面效應。它不僅能夠顯著提升教學質量，通過引入最新的科研成果和前沿技術，使得課程內容更加豐富多元，且更具前瞻性和實用性，從而極大地激發了學生的學習興趣和探索精神。同時，這種融合模式還著重培養了學生的創新能力、問題解決能力和團隊協作能力，為他們的未來職業發展奠定堅實基礎。

四 結束語

本文通過將人工智能和知識圖譜融人電磁場與電磁波課程，提升了教學質量，提高了學生的學習效率，并將科研和教學結合提升了學生的創新能力。

結合人工智能與知識圖譜的智慧課程探索，對于電磁場與電磁波這類理論性強、數學要求高的課程具有重要意義。通過人工智能輔助教學、課程知識圖譜的構建與應用等措施，可以顯著提升學生的學習效率和興趣，培養學生的問題解決能力和科學素養。隨著人工智能技術的不斷發展，智慧課程的建設和應用將更加深入和廣泛，這也為高等教育的高質量發展開辟了新路徑。

將科研與教學融合，不僅能夠提升教學質量，還能促進科研創新，培養學生的科研能力和創新精神。教師也可以發現新的研究方向和問題，推動科研進步和學科發展。科研與教學相互促進，形成良性循環。科研成果為教學提供新的內容和方法，而教學則不斷為科研培養新的人才和提供新的思路。

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