基于知識圖譜和 AI 的土力學教學創新改革與實踐研究

摘要：隨著信息技術的飛速發展，智慧課堂在教育領域的應用日益廣泛。以土力學教學為研究對象，以智慧樹教育平臺為實踐載體，分析了傳統土力學教學中存在的教學內容呈現局限、教學方法僵化、學習評價單一、實踐教學不足等問題。重點論述了基于該平臺的教學資源整合、教學方法創新、評價體系優化和實踐教學拓展等改革措施，結合實際教學案例展示了改革成效，并針對改革中遇到的技術、管理和資源更新等挑戰提出應對策略，旨在提高土力學教學質量，培養學生綜合素質，推動土力學教學向智能化方向發展。研究結果表明，智慧課堂在土力學教學中的應用顯著提高了學生的學習積極性和學習效果，為土力學教學的創新發展提供了有益的參考和借鑒。

關鍵詞：智慧課堂"土力學"教學改革"人工智能"知識圖譜

Research"on"Innovative"Reform"and"Practice"of"Soil"Mechanics"Teaching"Based"on"Knowledge"Graph"and"AI

YU"Xianbin"ZHU"Dengyuan*"LI"Wei"SONG"Xiaoyuan

School"of"Civil"Engineering"and"Architecture，"Linyi"University，"Linyi，"Shandong"Province，"276003"China

Abstract："With"the"rapid"development"of"information"technology，"the"application"of"smart"classrooms"in"the"field"of"education"is"becoming"increasingly"widespread."Taking"soil"mechanics"teaching"as"the"research"object"and"the"Wisdom"Tree"education"platform"as"the"practical"carrier，"this"paper"analyzes"the"limitations"of"teaching"content"presentation，"rigid"teaching"methods，"single"learning"evaluation，"and"insufficient"practical"teaching"in"traditional"soil"mechanics"teaching."The"focus"is"on"discussing"the"reform"measures"based"on"this"platform，"including"the"integration"of"teaching"resources，"innovation"of"teaching"methods，"optimization"of"evaluation"systems，"and"expansion"of"practical"teaching."The"effectiveness"of"the"reform"is"demonstrated"through"actual"teaching"cases，"and"corresponding"strategies"are"proposed"for"the"challenges"encountered"in"technology，"management，"and"resource"updates"during"the"reform."The"aim"is"to"improve"the"quality"of"soil"mechanics"teaching，"cultivate"students'"comprehensive"qualities，"and"promote"the"development"of"soil"mechanics"teaching"towards"intelligence."The"research"results"indicate"that"the"application"of"smart"classrooms"in"soil"mechanics"teaching"significantly"improves"students'"learning"enthusiasm"and"effectiveness，"providing"useful"references"and"inspirations"for"the"innovative"development"of"soil"mechanics"teaching.

Key"Words："Smart"classroom;"Soil"mechanics;"Teaching"reform;"Artificial"intelligence;"Knowledge"graph

土力學作為土木工程、城市地下空間工程、水利工程等專業的核心課程，對培養相關領域學生的專業知識體系的構建和實踐能力至關重要[1-2]。然而，傳統土力學教學面臨著諸多挑戰，很難實現現代教育發展和工程實踐對人才培養的要求，難以滿足現代教育對個性化、智能化教學的需求。隨著知識圖譜和人工智能（Artificial"Intelligence，AI）的快速發展，將其應用于土力學教學改革為解決傳統教學問題提供了新的思路。智慧樹是全球大型的學分課程運營服務平臺，其整合了優質教育資源，眾多高校和教育機構在其上開課。智慧樹擁有先進的在線教學技術，支持視頻、音頻、文檔等多樣化的教學內容呈現形式，且具備交互功能，如課后討論、作業提交與批改、在線測試等，能有效促進師生互動和教學反饋。同時，其移動端應用便捷，方便學生隨時隨地學習，打破了傳統教學的時空限制，為學習者提供了靈活、高效的學習環境。智慧樹教育平臺作為功能強大的在線教育平臺，為知識圖譜和"AI"在土力學教學中的應用提供了理想的實踐環境。

1"傳統土力學教學的問題分析

1.1"教學方法單一

傳統土力學教學主要以教師課堂講授為主，學生被動接受知識[3]。教師在講臺上單向地向學生灌輸知識，從土的三相組成、物理性質指標到各種復雜的理論計算，如土體的應力計算、土體的一維固結理論等，都是以教師講解為主。這種方式缺乏與學生的有效互動，學生往往處于被動接受知識的狀態。

1.2"教學資源有限

1.2.1"教材依賴嚴重

教學過度依賴教材，教材內容更新速度慢，且多以文字和靜態圖片呈現。對于一些抽象概念，如土的微觀結構和土體在復雜應力條件下的變形機理，學生很難通過教材形成直觀的理解。從教學內容來看，許多教師在授課時幾乎完全依照教材的編排順序和內容進行講解。例如：在講解土的壓縮性時，只是將教材上的壓縮試驗過程、壓縮系數計算公式以及e-p曲線的含義等內容照搬講解，很少對教材之外的新研究成果、新應用案例進行拓展。

1.2.2"拓展資源利用不足

教師未能充分挖掘和利用網絡、多媒體等渠道的拓展資源，如在線課程、學術數據庫、虛擬實驗室等。學生接觸到的知識范圍受限，不利于培養學生的創新思維和解決實際問題的能力。隨著信息技術的發展，有很多可以輔助土力學教學的工具，如虛擬仿真軟件、在線互動平臺等，但部分教師仍然沒有將這些資源融入教學。

1.3"學習評價不完善

1.3.1"評價方式單一

考試內容大多以教材中的知識點為主，尤其是一些概念、公式的考查，很少涉及運用教材知識解決實際工程創新問題的考核。傳統的學習評價主要依據期末考試成績，側重于理論知識的考核，忽視了學生在學習過程中的表現，如課堂參與度、作業完成質量、實踐能力等[4]。這種單一的評價方式不能全面、準確地反映學生的學習情況，容易使學生陷入應試學習的模式。

1.3.2"反饋不及時

教師批改作業和試卷后，往往不能及時向學生反饋學習情況，導致學生在學習過程中可能長期存在知識漏洞，無法及時調整學習策略。

2"知識圖譜和"AI"的相關概念與教育應用優勢

2.1"知識圖譜

2.1.1"知識圖譜的概念

知識圖譜是一種結構化的語義網絡，它將現實世界中的實體、概念及其之間的關系以圖的形式表示出來[6]。在土力學領域，知識圖譜可以將土力學的各個知識點（如土的物理性質、力學性質、試驗方法等）作為實體，將知識點之間的邏輯關系（如某種土的物理性質對其力學性質的影響）作為邊來構建。

2.1.2"知識圖譜在教育中的優勢

（1）知識整合與關聯展示：幫助教師和學生梳理土力學知識體系，清晰地呈現知識點之間的內在聯系。例如，通過知識圖譜可以直觀地展示土的三相組成與土的滲透性之間的關系，使學生更好地理解知識的系統性。

（2）個性化學習導航：根據學生的學習進度和知識掌握情況，為學生提供個性化的學習路徑建議。如果學生在土的抗剪強度方面理解困難，知識圖譜可以推薦相關的前置知識復習和拓展學習內容。

2.2""AI"技術

2.2.1""AI"在教育中的應用類型

AI"在教育領域的應用包括智能輔導系統、學習分析系統、智能教學平臺等[7]。在土力學教學中，智能輔導系統可以實時解答學生的問題，學習分析系統可以跟蹤學生的學習行為，智能教學平臺可以根據學生的特點調整教學內容和方法。

2.2.2""AI"在教育中的應用優勢

（1）個性化學習支持：通過分析學生的學習數據，如學習時長、作業完成情況、測試成績等，AI"可以為每個學生定制個性化的學習計劃，滿足不同學生的學習速度和能力需求。

（2）智能互動與反饋：能夠實現與學生的實時互動，及時回答學生的問題，并給予針對性的反饋。例如：當學生在計算土的自重應力出現錯誤時，AI"輔導系統可以指出錯誤原因并提供正確的解法。

3"基于知識圖譜和"AI"的土力學教學改革實踐

3.1"教學資源整合優化

3.1.1"構建土力學知識圖譜

教師利用知識圖譜構建工具，結合土力學教材、學術文獻、工程案例等資料，構建土力學知識圖譜，問題圖譜如圖1所示。將土力學的各個知識點進行分類和關聯，如將土的顆粒分析、液塑限測定等試驗方法與土的分類知識點相關聯，使學生在學習過程中能夠清晰地看到知識之間的聯系。

3.1.2"整合多媒體教學資源

在智慧樹教育平臺上整合多種類型的多媒體教學資源，包括視頻、動畫、虛擬實驗室等。對于土的固結過程等抽象內容，制作動畫視頻，生動展示孔隙水壓力隨時間的變化和土體的壓縮過程。將虛擬實驗室資源引入平臺，讓學生可以在虛擬環境中進行土工試驗，如土的直剪試驗、三軸試驗等，增強實踐體驗。

3.2"個性化學習路徑規劃

3.2.1"學生模型建立

利用"AI"技術在智慧樹平臺上建立學生模型，通過收集學生的學習數據，如學習時間、課程訪問次數、作業完成情況、測試成績、互動參與度等信息，對學生的學習風格、知識掌握程度、學習能力等進行分析和建模[8]。

3.2.2"個性化學習路徑推薦

根據學生模型，為每個學生推薦個性化的學習路徑。例如，如果學生在土的強度理論部分表現出理解困難，平臺會推薦相關的基礎知識復習資料、案例分析、動畫演示以及針對性的練習題。同時，對于學習進度較快的學生，提供拓展性學習內容，如土力學前沿研究成果或復雜工程案例分析。

3.3"智能輔導與互動

3.3.1""智能輔導系統

在智慧樹平臺上部署智能輔導系統，利用自然語言處理技術，使系統能夠理解和回答學生提出的問題。當學生在學習土力學過程中遇到問題時，如詢問“如何根據土的抗剪強度指標計算地基承載力？”，智能輔導系統可以實時給出詳細的解答步驟和相關理論依據。

3.3.2"互動教學活動增強

利用平臺的互動功能，如在線討論區、小組作業、投票、搶答等，增加師生之間和學生之間的互動。教師可以在討論區發布開放性問題，如“為什么研究土的抗剪強度而不是抗壓或者抗拉強度？”，引導學生進行討論。通過小組作業，讓學生合作完成土力學工程案例分析，培養學生團隊協作能力和解決實際工程問題的能力。

3.4"創新實踐教學模式

3.4.1"虛擬實踐教學拓展

借助智慧樹平臺的虛擬實驗室和模擬工程環境功能，拓展虛擬實踐教學。學生可以在虛擬環境中參與復雜的土力學工程實踐項目，如設計一個大型建筑的地基處理方案。在虛擬實踐過程中，學生可以實時獲取反饋，了解自己的設計方案在力學性能、經濟性等方面的優缺點，并進行調整和優化。

3.4.2"線上線下實踐融合

組織線下實踐教學活動，如實地考察土工建筑物、參觀實驗室的大型土工試驗設備等。將線下實踐與線上虛擬實踐相結合，學生在實地考察后回到線上平臺進行討論、撰寫實踐報告。通過線上線下實踐的融合，加深學生對土力學理論知識在實際工程中應用的理解。

4"土力學教學改革實踐案例分析

4.1"教學實踐過程

4.1.1"課程準備階段

教師在智慧樹教育平臺上創建土力學課程，將構建好的土力學知識圖譜嵌入課程體系中。上傳整合后的多媒體教學資源，包括教學視頻、動畫、虛擬實驗室入口等。設置課程的章節內容、作業、測試、討論區等功能模塊，并根據教學大綱和個性化學習路徑規劃要求，對課程進行初始設置。

4.1.2"教學實施階段

（1）課前預習：教師在平臺上發布課前預習任務，包括預習知識點、觀看相關視頻、完成簡單的預習作業等。同時，根據學生模型，為不同學生推薦個性化的預習內容。例如：對于基礎知識薄弱的學生，推薦復習土的物理性質相關內容；對于學有余力的學生，推薦預習一些拓展性的工程案例。

（2）課堂教學：在課堂上，教師利用智慧樹平臺的互動功能開展互動式教學。通過搶答、投票等方式檢查學生的預習情況，引入新的知識點。結合多媒體資源，如動畫演示和虛擬實驗室演示，講解重點和難點知識。

（3）課后鞏固與拓展：教師布置課后作業和拓展學習任務，作業內容包括理論知識的鞏固練習、實踐操作報告、案例分析等。學生可以在平臺上繼續參與討論區的討論，分享學習經驗和問題。

4.2"教學效果評估

4.2.1"學生學習效果分析

通過對學生期末考試成績、平時作業完成情況、課堂表現、實踐報告質量等數據的分析，發現教學改革取得了顯著的效果。期末考試成績平均分與傳統教學模式有較大提高，特別是在綜合應用題和案例分析題上，學生的得分率有了明顯提升，表明學生對知識的理解和應用能力得到了增強。學生在平臺上的學習時長增加，學習資源訪問量增大，參與課堂互動和討論的頻率也顯著提高，說明學生的學習積極性和主動性得到了有效激發。

4.2.2"教師教學反饋

教師在使用智慧樹教育平臺進行教學改革實踐后，也獲得了積極的反饋。平臺的數據分析功能使教師能夠全面、及時地了解學生的學習情況，從而可以更有針對性地調整教學策略。智能輔導系統和互動功能減輕了教師的教學負擔，如減少了答疑時間和批改作業的工作量，使教師有更多的精力投入到教學設計和教學研究中。同時，豐富的教學資源和便捷的教學管理功能，使得教學過程更加順暢，教學質量得到了有效提升。

5"土力學教學改革的問題與挑戰

5.1"技術挑戰

構建高質量的土力學知識圖譜需要大量的專業知識和時間，且隨著學科的發展，知識圖譜需要不斷更新和完善。知識圖譜的構建過程中可能存在知識點遺漏、關系錯誤等問題，影響其在教學中的應用效果。

智能輔導系統可能存在對學生問題理解不準確或回答不全面的情況。同時，AI"系統需要適應不同學習風格和能力的學生，其個性化學習路徑推薦和反饋機制可能需要不斷優化，以提高其適應性和準確性。智慧樹教育平臺需要與知識圖譜和"AI"相關的軟件和技術兼容，可能會出現技術兼容性問題。此外，平臺在大量學生同時使用時需要保持穩定，避免出現卡頓、數據丟失等問題，影響教學的正常進行。

5.2"教學管理問題

教師需要掌握知識圖譜和"AI"相關技術，包括知識圖譜的構建與使用、AI"系統的操作與管理等，才能有效地開展教學改革實踐。然而，目前教師在這些方面的培訓機會相對較少，教師的技術能力提升面臨挑戰。在智慧樹平臺提供的自主學習環境下，學生可能會出現學習自律性不足的問題，如拖延學習、不認真完成作業等。教師需要加強對學生學習的監督和引導，確保學生能夠充分利用平臺資源進行有效的學習。

6"結語

基于知識圖譜和AI的土力學教學改革在智慧樹教育平臺上的實踐取得了顯著的成果，有效解決了傳統土力學教學中的一些問題，提高了教學質量和學生的學習效果。然而，在改革過程中也面臨著技術、教學管理和倫理等方面的挑戰。未來，需要進一步完善知識圖譜的構建和更新機制，提高AI系統的準確性和適應性，加強教師培訓和學生學習監督，同時重視數據隱私保護和培養學生的自主學習能力，以更好地發揮知識圖譜和AI在土力學教學中的優勢，推動土力學教學向更加智能化、個性化的方向發展。

參考文獻

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