基于知識圖譜的5E教學模式在C語言教學中的應用

摘要：為改變以章節(jié)為主的在線教學資源構建模式，研究關注知識點及其教學資源之間的關聯(lián)性，依據(jù)專業(yè)人才培養(yǎng)方案以及教學大綱，構建高級語言程序設計（C語言）課程知識圖譜，并借助超星平臺實現(xiàn)圖譜的可視化。以知識圖譜為核心，運用5E教學模式開展課程教學改革，幫助學生建立課程完整知識體系，實現(xiàn)以學生為中心的個性化學習。通過實踐項目知識圖譜，優(yōu)化課程實踐教學模式，培養(yǎng)學生探究式學習能力、團隊協(xié)作能力及創(chuàng)新精神。

關鍵詞：知識圖譜；5E教學模式；個性化學習；探究式學習

中圖分類號：G642

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）13-0136-04

0引言

隨著在線教育平臺海量學習資源的積累，如何利用這些資源引導學習者進行有效學習，已成為當前在線教育需要解決的問題之一。在傳統(tǒng)在線教育教學資源建設中，資源主要以章節(jié)知識為核心，考慮的是學習者的共性需求，通常按照章節(jié)順序推送統(tǒng)一的學習資源，而忽視了學習者的個體差異，這使得資源無法滿足學習者的個性化需求。隨著人工智能技術的快速發(fā)展，“人工智能+教育”作為一種新型教育形態(tài)，已成為高校信息化教育教學改革的重要方法與手段[1]。知識圖譜在人工智能中的應用非常廣泛，它是一種結(jié)構化的知識表示方式，能夠?qū)F(xiàn)實世界中的事物和關系以圖形的方式展現(xiàn)出來，幫助計算機理解和處理人類語言。將知識圖譜應用到課程知識體系建設中，利用實體表示課程的知識點，利用關系描述知識點之間的聯(lián)系，通過建立課程知識點的網(wǎng)狀關系，不僅可以清晰地反映課程知識點的脈絡，同時也能夠建立學科相關課程之間的聯(lián)系，為后續(xù)開發(fā)課程的AI助手，建立學生的用戶畫像，實現(xiàn)學生個性化學習推薦建立基礎。

本文以高級語言程序設計（C語言）課程為例，將課程已有的教學資源進行整合，將以章節(jié)為主的知識點展示方式向以網(wǎng)狀的知識圖譜為核心的教學資源組織形式進行轉(zhuǎn)變，幫助學生建立課程完整的知識體系。以問題為導向，建立基于知識圖譜的實踐教學子圖譜，為學生設定個性化實踐路徑。以知識圖譜為基礎，應用5E教學模式開展課堂教學，引導學生進行探究式學習，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新實踐能力以及團隊協(xié)作能力。

1相關研究

知識圖譜的概念于2012年由Google正式提出，之后被廣泛應用于各領域研究。在教育領域應用知識圖譜，能夠更好地展示學科之間的關系，梳理學科知識點的脈絡，為實現(xiàn)學生個性化的學習推薦提供基礎。近年來許多教育者對知識圖譜進行了研究，并將其應用在教育教學上。文獻[2-3]在對知識圖譜的構建方法進行研究的基礎上，建設了程序設計類課程的知識圖譜并應用于教學。文獻[4-6]對基于知識圖譜的教學方法進行了研究，以提升教學質(zhì)量和學生學習效果。文獻[7]設計了基于知識圖譜的教輔工具，以幫助學生更好地理解和梳理知識點。以上研究主要集中在如何通過知識圖譜和人工智能技術改進計算機程序設計課程的教學方法和效果，從而提高學生的學習積極性、計算思維能力和解決實際問題的能力。

25E教學模式

5E教學模式是美國生物學課程研究（BSCS）開發(fā)出的一種建構主義教學模式。教學模式分為以下五個環(huán)節(jié)[8]。

①參與（Engagement）：即課堂導入環(huán)節(jié)，這個環(huán)節(jié)主要目的在于激發(fā)學生的學習興趣，可以通過設計與教學目的相關的問題情境來實現(xiàn)。

②探究（Exploration）：在此環(huán)節(jié)學生通過教學探究活動（例如分組協(xié)作學習）對新知識進行探索和學習。

③解釋（Explanation）：學生展示探究階段的學習成果。

④遷移（Elaboration）：學生將學習的知識應用在新的場景中。

⑤評價。評價可以是學生之間的評價（Evaluation）：通過多元評價方式，也可以是教，評價學師與學生之間的評價。學習過程中5E教學模式強調(diào)的是以學生為中心，運用調(diào)查和實驗的方法解決問題，在小組協(xié)作，完成對科學概念的理解和知識的建構，同時關注學生評價能力的培養(yǎng)[9]，適用于理工類學科的教學。

3課程知識圖譜的構建

3.1課程知識體系的設計

本文依據(jù)專業(yè)人才培養(yǎng)方案以及課程教學大綱，將高級語言程序設計（C語言）課程的知識體系劃分為知識學習、素質(zhì)培養(yǎng)、創(chuàng)新實踐三大類。知識學習部分包含各章節(jié)及其對應的知識點。素質(zhì)培養(yǎng)包括各知識點中的教學案例、知識拓展，課程思政教育等教學資源，注重對學生編程能力的訓練和計算思維的培養(yǎng)[10]。創(chuàng)新實踐由課程的實驗及綜合設計項目構成，用于檢驗學生的知識應用能力，培養(yǎng)學生團隊協(xié)作及創(chuàng)新精神。

3.2課程知識圖譜的構建

高級語言程序設計（C語言）課程知識圖譜構建分為以下三個步驟：①將專業(yè)培養(yǎng)方案、課程教學大綱、教材和專家知識作為數(shù)據(jù)，梳理出知識點；②整理出知識點的屬性及相關層次關系并存儲為Excel文件；③整理出知識點相關的教學資源；④借助超星學習平臺實現(xiàn)圖譜的可視化。

課程知識圖譜以單個知識點為中心，模塊間建立層次關系，相同層級知識點間建立關聯(lián)關系，不同層級知識點間建立前后序關系[7]。在圖譜中帶箭頭實線表示的是知識點的層次關系，帶箭頭虛線表示的是前后序關系，虛線表示的是知識點的關聯(lián)關系[7]。以控制語句章節(jié)為例，該章節(jié)的知識圖譜構建如圖1所示。

每個知識點包含的屬性如表1所示。

3.3面向?qū)嵺`的知識子圖譜的構建

除了構建課程知識圖譜外，本文將知識圖譜引入到實踐教學體系中，利用結(jié)點記錄不同類型的實踐知識點和知識點相關的教學資源，通過結(jié)點關聯(lián)關系刻畫知識點之間以及教學資源之間的相關性[13]。在高級語言程序設計（C語言）課程中，面向?qū)嵺`的知識子圖譜分為兩種類型：實踐步驟類和整體架構類。

1）實踐步驟類知識圖譜設計。

實踐步驟類圖譜是以實驗步驟為主線，整合相關的理論知識及教學資源而形成的特殊的知識圖譜，主要目的在于指導學生復習理論知識同時，可以按照圖譜設計的路徑，逐步完成實驗操作，適合基礎薄弱的學生。在課程實踐教學中，對于有一定難度的上機練習，通過實踐步驟類知識圖譜，引導學生完成實驗。實踐步驟類圖譜為學生完成實驗項目設定了完整的學習路徑，學生可以依據(jù)學習情況有選擇地學習。以“求一組數(shù)據(jù)的中位數(shù)和眾數(shù)”實驗項目為例，實踐步驟類知識圖譜設計如圖3所示。

2）整體架構類類知識圖譜設計。

整體架構類圖譜是以實踐的框架為主體，學生可以自由實現(xiàn)框架中的內(nèi)容或?qū)蚣苓M行改進，比較適合有一定基礎的學生。課程中對于綜合設計實驗，采用整體架構類的知識圖譜，將程序架構及相關資源展示給學生，由學生自由設計實現(xiàn)方法。以“點餐程序”綜合設計項目為例，整體架構類知識圖譜設計如圖4所示。

整體架構類知識圖譜通過能力導向和復雜問題驅(qū)動，將實踐過程中涉及的知識及實踐教學資源組合在一起構建知識圖譜，指導學生完成綜合性程序設計，引導學生主動發(fā)現(xiàn)知識和解決問題。在上述例子中，圖譜提供給學生的資源是項目基本要求、程序設計的整體框架（任務1-2）以及必須實現(xiàn)的基本功能（任務1-3）。任務1-3給出的參考實現(xiàn)方式是使用結(jié)構體數(shù)組，學生可以自由選擇實現(xiàn)方法，例如借助鏈表實現(xiàn)。擴展功能部分為選做模塊，由學生自行選擇并將完成的功能添加到任務1-2的系統(tǒng)框架中。

4基于知識圖譜的5E教學模式的應用

4.1課堂教學應用

在課程教學實踐中，應用5E教學模式進行課堂教學設計，采用機房講練授課方式，借助超星平臺以及程序設計實踐平臺實施教學。根據(jù)案例難易程度，教學環(huán)節(jié)以分組的方式進行。以選擇結(jié)構學習章節(jié)為例，融合5E教學模式的教學設計如下。

1）。參與環(huán)節(jié)教學中以：“通過創(chuàng)設問題情境來激發(fā)學生的學會員折扣”問題為例，分析現(xiàn)實生活中購物折扣計算方式，引出本節(jié)學習內(nèi)容：選擇結(jié)構。借助超星平臺開展主題活動，引導學生繪制解決方法的流程圖，激發(fā)學生參與和探究興趣。

2）探究環(huán)節(jié)：以學生為主體開展教學活動：。課堂問題涉及的知識點①知識講授環(huán)節(jié)，幫助學生建立選擇結(jié)構的整體知：教師借助知識圖譜，展示解決識體系，并針對每個模塊重點內(nèi)容進行講解。資源進行自主學習②分組學習環(huán)節(jié)。學生依據(jù)前面繪制的流程圖：學生通過知識圖譜提供的教學，動手完成代碼書寫及調(diào)試。在這個過程中，教師充當學習的促進者和觀察者，觀察學生在實驗過程中出現(xiàn)的問題，及時對問題進行反饋，確保學生能夠有效、正確地開展探究學習。

3）解釋環(huán)節(jié)：教師組織交流匯報活動，進一步鞏固學生對知識的掌握和理解。教師依據(jù)學生在第2階段中完成的情況，挑選完成較快，代碼編寫較好的學生，在班內(nèi)分享代碼編寫、調(diào)試的經(jīng)驗以及心得體會。

4）拓展延伸環(huán)節(jié)：此環(huán)節(jié)培養(yǎng)學生的知識遷移，學以致用的能力。教師通過超星平臺，發(fā)布問題解決方案，對知識點進行總結(jié)。同時結(jié)合日常生活，對問題應用場景進行擴展，啟發(fā)學生進一步完善程序的設計。

5）學生相互間開展互評活動評價環(huán)節(jié)：教師在程序設計實踐平臺分享學生。互評活動能夠促進學生之間的交流，同時培養(yǎng)學生的評價能力。

4.2實踐教學應用

1）分層次的實驗題目設計。

在實踐教學中，根據(jù)學生編程水平的不同，設置分層次的實驗題目，并以競賽題目形式發(fā)布到程序設計平臺上。實驗題目設置為基礎型、進階型、應用型和綜合型4個層次：①基礎型題目是課堂教學案例，教師講解解題思路，并通過直觀演示方法進行代碼書寫。知識圖譜上提供了教學案例的學習視頻，學生按照演示過程進行代碼編寫即可，適合基礎比較薄弱的學生。②進階型題目由課本范例改編而成，學生在學習了課本案例后，借鑒案例的代碼，完成相似題目的代碼編寫。③應用型題目則是學生完成章節(jié)知識學習后，能夠?qū)χR點融會貫通，自行設計解題方法，完成代碼編寫及調(diào)試。④綜合型的題目具有一定的難度，通常以分組的形式完成。

2）實踐項目部分的5E教學模式的應用。

綜合性題目借助實踐步驟類圖譜以及整體架構類圖譜指導實踐教學，要求學生以分組形式自主學習、分工協(xié)作解決問題。對于整體架構類圖譜引導的項目，在實踐教學中采用的是基于案例的5E自主學習方法。在實踐中以學生為指導，教師充當旁聽者和指引者的角色，在實踐過程中鼓勵學生遇到問題首先要嘗試自己解決，在自主學習過程中聯(lián)系知識圖譜中的知識點，耐心地對問題進行跟蹤、調(diào)試與測試。同時教師也根據(jù)小組分組學習情況，不定時地加入小組討論過程，并在適當?shù)臅r候給予提示。課堂教學設計如下：

①參與環(huán)節(jié)：師生共同討論，明確項目開發(fā)目標。

②探究環(huán)節(jié)：教師圍繞項目開發(fā)要求，利用知識圖譜解釋涉及的知識點案并完成代碼編寫。。

③解釋環(huán)節(jié)：挑選項目完成較好的小組分享作品設計過程。

④拓展延伸環(huán)節(jié)，對遇到的共性問題進行解答：教師就學生在學習過程中出現(xiàn)，對項目功能的擴展提出建議[14]。

⑤評價環(huán)節(jié)：教師對優(yōu)秀作品進行點評，進行組內(nèi)和組間的評價，學生依。課后教師通過調(diào)查問卷、課后反饋等方式對各個小組完成情況作出進一步總結(jié)。

4.3學生自主學習

超星平臺依據(jù)課程知識圖譜及學生對知識點掌握的情況，設定學生的學習路徑。學生可以依據(jù)學習路徑進行個性化學習，對知識掌握薄弱點進行重點學習，對掌握較好的課程內(nèi)容可以跳過。以“控制結(jié)構”為例，平臺形成的學習路徑如圖5所示。

5基于知識圖譜的學習效果的評價

5.1課堂學習效果的評價

建立了課程知識圖譜后，通過超星平臺的統(tǒng)計工具，教師可以以知識點為單位分析學生學習效果，能夠更加精確地了解學生對學習內(nèi)容的掌握程度。圖6以班級為單位對學生的學習進度及對知識點的掌握程度進行了分析，能夠直觀反映出在C語言程序設計和數(shù)據(jù)類型這兩個知識點學習上，學生掌握程度較低。

圖7反映了某個學生對語言基礎章節(jié)中知識點的掌握程度。

5.2實踐教學效果評價

實踐教學借助程序設計實踐平臺實施。對于基礎型、進階型、應用型三類題目，采用平臺自動評分的方式進行評價。對于綜合型題目采用教師評價、組間互評、組內(nèi)互評進行。組內(nèi)互評用于對分組學習過程中小組成員的個體表現(xiàn)進行評分，組間互評用于對小組作品進行整體評分，而教師評價則是對小組表現(xiàn)及作品進行綜合評價。為了更好進行評價活動，教師設計了實驗項目的評分細則，學生對照細則進行評價。

表2展示了綜合型題目的評分標準。

6結(jié)束語

本文面向高級語言程序設計（C語言）課程，建立基于知識圖譜的課程知識體系，將學生的在線學習模式由按章節(jié)的學習，轉(zhuǎn)變?yōu)橐灾R點為單位的學習。利用知識圖譜，為學生建立了個性化的學習路徑，使學生能夠有選擇地進行學習，提高了學習的有效性。通過實踐步驟類、整體架構類等不同形式的知識子圖譜，結(jié)合5E教學模式，指導實踐教學，鞏固深化學生對知識點的理解，培養(yǎng)了學生的團隊協(xié)作能力及創(chuàng)新精神。在后續(xù)的研究中，將深化知識圖譜的應用，通過學習數(shù)據(jù)分析，建立學生的用戶畫像，實現(xiàn)個性化學習推薦。結(jié)合大語言模型，優(yōu)化和補充知識圖譜的知識點，同時引入AI教學助手，為學生自主學習提供幫助。

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【通聯(lián)編輯：王力】