知識圖譜賦能機械設(shè)計基礎(chǔ)課程混合式教學模式改革的探索

摘 要：隨著教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的深入推進，傳統(tǒng)教學模式已難以適應現(xiàn)代教育需求。文章以機械設(shè)計基礎(chǔ)課程為例，探究知識圖譜在混合式教學模式改革中的應用實踐。借助智慧樹知識圖譜技術(shù)全面構(gòu)建課程可視化知識圖譜，賦能課程教學模式創(chuàng)新、學生個性化學習路徑規(guī)劃和教師高效精準教學實施，為課程的教學改革提供了知識基礎(chǔ)和實踐參考。

關(guān)鍵詞：知識圖譜 機械設(shè)計基礎(chǔ) 混合式教學模式

2022年，教育部全面實施教育數(shù)字化戰(zhàn)略行動。黨的二十大將“推進教育數(shù)字化”寫入報告。應深入實施國家教育數(shù)字化戰(zhàn)略，擴大優(yōu)質(zhì)教育資源受益面，更好地服務于立德樹人為根本任務。數(shù)字教育將推動教育理念、方法和模式的系統(tǒng)性變革，重塑學校教學形態(tài)，賦能學習者更好應對未來挑戰(zhàn)、更好包容社會發(fā)展。

在國家實施教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的背景下，教育資源的數(shù)字化和智能化已成為教育改革的重要方向。隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)引入教育領(lǐng)域，課程教學正逐步從傳統(tǒng)的單向知識傳授向個性化、智能化的模式轉(zhuǎn)變。然而，面對海量的教學資源和復雜的學習需求，如何高效地組織和利用資源，提升學生的學習效率，成為課程教學模式改革的重要議題。課程知識圖譜為這一問題提供了新的解決思路。知識圖譜是一種用于描述和組織知識的圖形化表示形式，可以構(gòu)建視覺化、形象化的知識框架[1]。通過構(gòu)建知識間的語義網(wǎng)絡(luò)，不僅能夠清晰地展示知識體系的內(nèi)在聯(lián)系，還能為學習者提供個性化的學習路徑推薦，也能為教師提供精準的教學支持。吳安杰等利用知識圖譜優(yōu)勢在橋梁工程課程中構(gòu)建了清晰的知識體系，促進師生數(shù)字化素養(yǎng)提升和學生個性化學習，并為后續(xù)改革實踐提出方向[2]。王輝等基于知識圖譜進行自動控制理論課程知識體系構(gòu)建、知識點關(guān)聯(lián)與拓展、互動式學習平臺開發(fā)以及實踐教學環(huán)節(jié)設(shè)計，有效提升學生創(chuàng)新能力和課程教學效果[3]。謝幼如等利用知識圖譜在高校課程“教-學-評”一體化中的賦能作用，通過構(gòu)建語義網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了知識體系的系統(tǒng)梳理，為師生提供了教和學的有力工具[4]。

文章以華北水利水電大學機械學院機械設(shè)計基礎(chǔ)課程為例，剖析傳統(tǒng)教學模式的不足，積極探索知識圖譜賦能課程混合式教學模式的實施辦法，構(gòu)建可視化知識體系，豐富教學資源，優(yōu)化教學設(shè)計，促進學生個性化學習和教師精準化教學，激發(fā)學生參與課堂的積極性，實現(xiàn)知識、能力、素質(zhì)和價值觀的全面協(xié)調(diào)發(fā)展。探索知識圖譜在該課程混合式教學模式中的應用，對推動教學質(zhì)量的進一步提升具有重要意義。

1 機械設(shè)計基礎(chǔ)課程教學現(xiàn)狀

1.1 課程簡介

機械設(shè)計基礎(chǔ)作為華北水利水電大學機械學院車輛工程專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程，具有培養(yǎng)學生專業(yè)理論素養(yǎng)與工程實踐綜合能力的重要作用。教學內(nèi)容涵蓋機械原理和機械設(shè)計核心知識模塊，主要講授常用機構(gòu)和通用零件的工作原理、結(jié)構(gòu)特點、基本設(shè)計理論和計算方法[5]。

1.2 教學現(xiàn)狀

目前，該課程為56＋8學時（理論＋實驗），主要開設(shè)于大三上學期。課程是從理論性、邏輯性強的基礎(chǔ)課向?qū)嵺`性、綜合性強的專業(yè)課過渡的重要橋梁，概念多，公式多，與工程實際聯(lián)系緊密，不僅要求學生在數(shù)理邏輯、分析計算和形體構(gòu)思等方面具有扎實的基礎(chǔ)，還需要學生具備較強的自主學習和實踐能力。

傳統(tǒng)教學模式多以教師傳授為主，統(tǒng)一的教學進度缺乏針對性的學習路徑指導，難以適應學生的需求差異。目前課程的主要教學過程是分章講授各種常用機構(gòu)和通用零部件的基本原理及設(shè)計方法，章節(jié)之間的聯(lián)系性不強[6]，課程知識點呈現(xiàn)碎片化特征，缺乏系統(tǒng)整合，導致學生難以建立完整的知識框架，不能形成對復雜機械的系統(tǒng)認知。例如，傳統(tǒng)教學中滾動軸承和連接螺栓在不同章節(jié)分開講授，而在大型工程機械、風力發(fā)電機中廣泛應用的轉(zhuǎn)盤軸承里，連接螺栓固定軸承內(nèi)外圈，其性能對軸承的壽命和穩(wěn)定性起到重要作用。而學生由于知識點斷聯(lián)，整體概念不足，難以考慮到復雜機械內(nèi)各零部件間的相互影響。不僅如此，由于學時少而內(nèi)容多，課堂上主要講授基礎(chǔ)理論知識，缺少理論與工程實際問題的關(guān)聯(lián)，教學內(nèi)容更新滯后，數(shù)字化資源建設(shè)不足，教學方法單一，難以滿足學生個性化學習需求。我國工程機械、交通運輸、智能制造等領(lǐng)域的快速發(fā)展，急需一大批能夠解決實際問題的卓越工程師。所以，針對該課程傳統(tǒng)教學的局限，團隊系統(tǒng)整合課程核心知識點，強化各章節(jié)眾多知識點間內(nèi)在聯(lián)系，同時開發(fā)數(shù)字化資源，加強理論與實踐結(jié)合，緊跟技術(shù)前沿動態(tài)，持續(xù)更新教學內(nèi)容，創(chuàng)新教學模式，全面提升學生的工程實踐能力與創(chuàng)新思維，為培養(yǎng)緊密貼合機械行業(yè)需求、具備卓越才能的工程師奠定基礎(chǔ)。

2 機械設(shè)計基礎(chǔ)知識圖譜的構(gòu)建

為改變課程“滿堂灌”傳統(tǒng)模式，探索信息技術(shù)與該課程深度融合的改革路徑，該課程基于智慧樹在線教育平臺構(gòu)建課程知識圖譜，為教學模式改革提供知識基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

2.1 建設(shè)目標

該課程知識圖譜通過課程內(nèi)容與智能AI技術(shù)的結(jié)合，構(gòu)建層次分明、邏輯清晰的知識體系，將課程中眾多概念、原理、方法等元素及其相互關(guān)系進行圖形化、網(wǎng)絡(luò)化呈現(xiàn)，幫助學生建立課程完整的知識框架，并揭示知識點之間的內(nèi)在聯(lián)系，促進知識的遷移和應用，為智能推薦、個性化學習等應用提供知識基礎(chǔ)。以知識圖譜為核心引擎，整合能力培養(yǎng)、問題引導、知識邏輯和資源支持，結(jié)合AI技術(shù)的實時互動和個性化服務，幫助教師優(yōu)化教學過程，提升學生學習效率，打造出創(chuàng)新高效的智慧教學模式。

2.2 建設(shè)過程

2.2.1 明確課程培養(yǎng)目標

基于車輛工程專業(yè)畢業(yè)要求和人才培養(yǎng)要求，以學生發(fā)展為中心，基于OBE理念完善課程教學大綱，明確課程培養(yǎng)目標。課程要求學生掌握機構(gòu)和零部件的結(jié)構(gòu)、原理、特點和設(shè)計方法，具有解決一般實際工程問題的能力，并能在分析和設(shè)計的過程中體現(xiàn)創(chuàng)新意識。

2.2.2 提取課程知識點

知識元素提取是知識圖譜構(gòu)建的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，課程團隊根據(jù)教學大綱，模塊化課程內(nèi)容，逐章逐節(jié)梳理細化課程知識點，明確每個知識點的教學目標和內(nèi)容，通過教師自建、匯總、團隊討論、專家審核，確定覆蓋全課程的核心知識點。該課程所使用的教材內(nèi)容包括緒論和14個主要章節(jié)，按照邏輯關(guān)系劃分為3個知識模塊，分別是平面機構(gòu)的一般共性問題、常用機構(gòu)的基本知識和機械零件設(shè)計，并確定131個知識點，建立課程的知識體系。

2.2.3 確定知識點屬性和關(guān)系

確定知識點屬性和關(guān)系是構(gòu)建知識圖譜至關(guān)重要的一環(huán)。知識點可分類并以加標簽的形式進行標注，主要包括概念性、程序性、事實性和元認知四類知識，可標注重點、難點、考點、概述、練習、案例等標簽，若知識點蘊含思政元素，則為其添加“思政點”標簽。根據(jù)每個知識點的目標和內(nèi)容確定其屬性，并基于教師積累對知識點間的邏輯關(guān)系進行關(guān)聯(lián)，如屬種、遞進、共生等。這樣不僅幫助學生理解知識點的基本概念，更有助于他們明確知識點之間邏輯關(guān)系和層級關(guān)系，形成系統(tǒng)的知識體系。學生可以沿著清晰的步驟循序漸進地學習各層級的知識，避免在傳統(tǒng)學習中常會出現(xiàn)的迷茫和混亂，從而提高學習效率。

2.2.4 生成知識圖譜

基于知識圖譜模板將各級知識點和屬性標簽、知識點間關(guān)聯(lián)關(guān)系等內(nèi)容導入知識圖譜模塊，實現(xiàn)課程知識脈絡(luò)的可視化。確定課程能力體系和問題體系，將課程能力培養(yǎng)目標、實際問題與知識點相結(jié)合，明確從能力到問題、問題到知識點的培養(yǎng)路徑。通過這種體系層級設(shè)置，教師可以定性考量學生能力達成情況，引導學生在解決實際問題的過程中達到多知識點的融會貫通，強化從能力到知識點的邏輯聯(lián)系。

2.2.5 豐富教學資源庫

基于課程前期積累，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)資源和AI技術(shù)，將課程微課視頻、多媒體課件、優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)視頻、作業(yè)、習題、測試、拓展項目、科技文獻等課程資源掛載于相關(guān)知識點，利用AI推薦資源功能，快速補充課程外延資源，擴大學生知識面。這樣有效整合課程知識資源，使學生學習更有針對性，提高學習效率。

要堅持不懈用習近平新時代中國特色社會主義思想鑄魂育人，注重運用新時代偉大變革成功案例，充分發(fā)揮紅色資源育人功能。該課程深入挖掘相關(guān)領(lǐng)域思政元素，探索與課程教學切入點，結(jié)合線上優(yōu)質(zhì)共享資源，如央視“大國重器”“大國工匠”等紀錄片，關(guān)聯(lián)相關(guān)知識點，建設(shè)兼具系統(tǒng)性、針對性、多樣性的課程思政資源庫，將愛國情操、社會主義核心價值觀、工匠精神、家國情懷和社會責任等元素與教學內(nèi)容隱性結(jié)合，使學生刻苦鉆研專業(yè)知識、熱愛機械行業(yè)的同時，擁有一顆熱烈的愛國之心，樹立為實現(xiàn)社會主義現(xiàn)代化奮斗終身的遠大理想并努力實踐。例如，知識點“機械設(shè)計基本過程”關(guān)聯(lián)的思政內(nèi)容，是1956年新中國第一輛汽車——解放牌載貨汽車成功下線，結(jié)束了中國不能生產(chǎn)汽車的歷史，這一偉大成就，是無數(shù)機械設(shè)計者和制造者自力更生、艱苦奮斗的結(jié)果，體現(xiàn)了機械工程師的社會責任感和歷史使命感。該課程初步賦予15個思政點共近50個思政資源，在后續(xù)教學迭代中根據(jù)教學反饋，會對資源庫進行持續(xù)的優(yōu)化和更新，挖掘時代元素、中國元素、河南元素、身邊元素并及時融入課程，形成具有本專業(yè)特色的思政教學過程，實現(xiàn)課程的德育功能。

3 知識圖譜賦能課程教學實踐

該課程將信息技術(shù)、數(shù)字教學資源和教學實施過程有機融合，探索知識圖譜賦能“以學生為中心”的混合教學模式的方法，將課程眾多理論知識轉(zhuǎn)變成系統(tǒng)清晰的可視化知識脈絡(luò)，激發(fā)學生學習興趣，根據(jù)教學反饋和科技前沿及時更新教學內(nèi)容，有效提升課程活力。

3.1 線上線下混合式教學

課程基于線上線下學習優(yōu)勢，立足“課前-課中-課后”三階段，實施“自學-自測-串講-后測-拓展”五步驟，有效利用知識圖譜線上學習，線下進行知識點串講和深入拓展，完善BOPPPS的混合模式，實現(xiàn)教學相長的良性循環(huán)。課前教師發(fā)布導學單，明確知識點及關(guān)聯(lián)的學習資源，包括課件、微視頻、課前測、思政內(nèi)容等。課堂上，教師可利用知識圖譜進行知識點的串聯(lián)和深入拓展，幫助學生構(gòu)建完整豐富的知識體系，還可展示知識圖譜，引導學生對知識點進行深入的討論和交流。學生可以通過知識圖譜的指引，提出自己在預習中遇到的問題和困惑，促進課堂互動。課后學生再次瀏覽知識圖譜，鞏固課程所學和各知識點間的邏輯關(guān)系，有針對性地選擇學習資源。

3.2 學生個性化學習

知識圖譜是支持學生個性化學習的有力工具。收集學生的學習基礎(chǔ)、學習進度和學習行為的數(shù)據(jù)進行學習者畫像，據(jù)此可通過知識點間的關(guān)聯(lián)為其推薦個性化的學習路徑和資源；根據(jù)學生的學習進度和反饋，動態(tài)調(diào)整學習路徑和資源，確保學生的學習過程始終“與時俱進”，最大限度地提升學習效率。例如，對基礎(chǔ)薄弱的學生，可以推薦其先學習基礎(chǔ)知識點，再逐步學習進階知識點；對學有余力的學生，可向其推薦拓展知識，鼓勵深度學習。學習路徑、學習情況可視化，幫助學生精準掌握學習進度和薄弱環(huán)節(jié)，及時調(diào)整學習策略，最大化滿足個性化學習需求。

3.3 教師精準高效教學

知識圖譜能夠詳細記錄學生對知識點的學習進度與掌握程度，便于教師與學生精準定位薄弱點，從而進行有針對性的輔導和強化訓練，實現(xiàn)教師的“精準教”和學生的“精準學”[7]。知識圖譜通過整合各種優(yōu)質(zhì)資源為教師提供豐富的教學材料，教師可快速查找和定位所需的教學資源，提高備課效率和質(zhì)量。知識圖譜還結(jié)合AI技術(shù)賦能教學升級，AI課堂助手幫助教師在課堂中快捷引用知識圖譜，提升教學效率；AI助教包含AI推薦資源、AI問答、AI出題等功能，教師能快速補充課程外延資源，通過實時在線問答為教師和學生答疑解惑，還能根據(jù)知識點智能生成測評題目，精準評估教學效果。

4 總結(jié)

課程團隊基于專業(yè)培養(yǎng)方案、教學目標和課程特點，細致梳理課程知識點，初步建成課程知識圖譜，不僅涵蓋課程核心內(nèi)容，還有機融入機械領(lǐng)域最新發(fā)展、工程實際案例和課程思政元素，為課程混合式教學模式改革奠定了堅實的基礎(chǔ)，也為學生個性化學習和教師高效精準教學提供有力的支持。實現(xiàn)了教學內(nèi)容的針對性推送、學習路徑的智能規(guī)劃以及學習成效的即時反饋，有效解決了傳統(tǒng)教學模式中知識碎片化、形式單一及互動性差等問題，極大地提升了學生的學習興趣與參與度。知識圖譜在機械設(shè)計基礎(chǔ)課程的改革實踐中取得了初步成效，但仍面臨數(shù)據(jù)資源需快速更新維護、學生自主學習能力差異、信息技術(shù)融合深度等挑戰(zhàn)。未來，應不斷深化知識圖譜與人工智能技術(shù)的融合，進一步優(yōu)化教學策略，推動該課程的持續(xù)創(chuàng)新與發(fā)展。

基金項目：2024年度河南省高等教育教學改革研究與實踐項目“教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下機械設(shè)計基礎(chǔ)混合式教學模式的建設(shè)研究與實踐”（項目編號：2024SJGLX0341）；華北水利水電大學2024年教育教學研究與改革項目本科高等教育類青年項目“工匠精神下思政元素融入機械類課程教學改革創(chuàng)新研究”（項目編號：2024XJGXM111）；河南省研究性教學改革研究與實踐項目“數(shù)智驅(qū)動背景下研究性教學模式創(chuàng)新研究”；教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目“新工科背景下《工程制圖》課程體系及教學方法改革研究”（項目編號：231106298293652）。

參考文獻：

[1]趙萬祥，李滔，劉強，等.以活動為導向的有機化學知識圖譜構(gòu)建與實踐[J].化學教育（中英文），2024，45（4）：113-120.

[2]吳安杰，武藝.基于知識圖譜的橋梁工程課程教學改革探討——以貴州理工學院為例[J].教育觀察，2024，12（30）：40-43.

[3]王輝，綦志剛，張昊.基于知識圖譜的自動控制理論新形態(tài)課程研究與實踐[J].黑龍江教育（高教研究與評估），2025（2）：67-70.

[4]謝幼如，陸怡，彭志揚，等.知識圖譜賦能高校課程“教-學-評”一體化的探究[J].中國電化教育，2024（12）：1-7.

[5]楊可楨，程光蘊，李仲生，等.機械設(shè)計基礎(chǔ)（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2020.

[6]鄭靜，龍湘云，武素珍.面向新工科人才培養(yǎng)的機械設(shè)計基礎(chǔ)課程教學改革[J].高教學刊，2023（5）：117-120.

[7]劉玉玲，連凱琪，張元臣，等.知識圖譜構(gòu)建賦能課程教學數(shù)字化[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2024（12）：157-159.