ChatGPT背景下基于知識圖譜理念的課程教學改革實踐

0 引言

隨著人工智能技術與高等教育的深度融合，基于知識圖譜理念的智慧教育應運而生。知識圖譜是一種結構化的知識表示方法，能夠清晰地展現知識之間的關聯和邏輯關系，為教學改革提供了新的思路。施江勇等[1提出基于知識圖譜構建的新型課程教學資源建設方法，以知識樹和知識圖譜的建設為核心，以群體智慧和機器智能為驅動，完成教學資源的共建共享；劉鳳娟等[2]從動機激發、知識建構、意志提升、能力增強四個維度出發，構建基于知識圖譜的個性化學習“四位一體”協同支持機制，設計了基于知識圖譜的個性化學習系統原型；史宇坤等[3分析混合式學習模式的優缺點，建議引入知識圖譜作為新的教學元素以引導和加強學生的自主學習，并構建了基于知識圖譜的增強型混合式學習模式；尹建鑫等[4]在知識圖譜的指引下，重構教學中存在的很多問題，包括課程內容、先后修順序、課程間銜接等，為其他學科更新構建知識體系與能力體系提供了思路；楊文霞等[5通過實踐教學發現，知識圖譜賦能智慧教育可以有效幫助學生制定學習方案和提升學習心智，教師可以通過提取學生的多維度過程化學習特征進行學習評價和教學調整，最終促進人才培養。綜上所述，知識圖譜應用于教學已經成為熱點。

數字電子技術課程作為高等院校電子信息工程專業的專業核心課程，工程實踐性比較強[。信息技術的發展，尤其是生成式人工智能工具ChatGPT的推出為以知識圖譜理念組織教學資源帶來了新機遇[7]，研究在應用型高校該課程的教學中如何妥善把握人工智能技術與教育融合發展的方向和限度，基于知識圖譜理念改革教學模式和方法，促進教學相長，是一項具有重要意義的工作。

1用ChatGPT等智能工具輔助構建知識圖譜

構建課程的知識圖譜可以知識點為核心組織教學資源，如圖1所示。一方面，利用ChatGPT等智能工具可以挖掘知識點之間的關聯，在教師組織知識點與設計課程方面給予建議，重構教師端各知識點知識圖譜，同時，教師也可以利用知識圖譜改善ChatGPT等智能工具生成內容，提高教學效率與教學質量；另一方面，ChatGPT等智能工具可以為學生提供有針對性的學習服務，幫助學生構建個性化知識圖譜，使學習過程變得更加智能化和個性化。

1.1教師基于ChatGPT構建知識點知識圖譜

教師基于知識圖譜開展教學，關鍵在以知識點為核心，借助ChatGPT等智能工具優化教學內容和教案、高效整合多樣化的教學資源等。具體包括以下內容。

1）利用ChatGPT等智能工具挖掘知識點之間的關聯，將相關的知識點整合形成完整的知識體系。例如，輸入“‘最小項的性質’相關的知識點有哪些？”，智能工具會生成最小項的定義、性質、編號與表示、示例等內容，其中示例會包含各種邏輯函數，從而將最小項的性質這一知識點與邏輯函數等知識點關聯起來。

圖1用ChatGPT等智能工具輔助構建知識圖譜

2）利用ChatGPT等智能工具快速檢索或生成相關的教學資源，如一流課程視頻、課件、教案、試題等，提高教學資源整合效率，這些教學資源為線上課程建設奠定了堅實基礎。

3）利用ChatGPT等智能工具的創意創新能力，生成與知識點相關的各種形式的教學資源，如可視化的電路圖和工程案例等，幫助學生更好地實現對知識點的理解和應用。

4）借助ChatGPT等智能工具生成開放性問題、故事和游戲等，用于設計課堂互動環節，打破沉悶的課堂氛圍。

1.2學生基于ChatGPT構建個性化知識圖譜

學生基于知識圖譜開展學習，可以利用ChatGPT等智能工具推薦與知識點相關的教學資源、提供交互式的學習體驗等，更好地理解和掌握知識點。具體包括以下內容。

1）利用ChatGPT等智能工具推薦適合學生學情和興趣的個性化學習資源和路徑，幫助學生更好地理解和掌握知識點。例如，數字電子技術課程的時序邏輯電路知識點是難點，學生可以利用ChatGPT等智能工具推薦更多的相關案例，通過課外閱讀、趣味實驗、工程案例等深入學習這一知識點。

2）借助ChatGPT等智能工具的思維鏈能力，深度挖掘知識點的脈絡，引導學生漸進式地學習和思考。例如，遇到不會解決的難題，ChatGPT等智能工具會生成詳細的解題過程，幫助學生厘清知識點脈絡。

3）ChatGPT等智能工具可以為學生提供沉浸式學習體驗，如進行角色扮演、情境對話等，以增強學生的學習興趣和參與度。

4）使用ChatGPT等智能工具生成各類課程設計報告或小論文等，學生可以通過提出問題和發現文本中的偏差來激發批判性思維，同時探索不同的思路和角度。

綜上所述，利用ChatGPT等智能工具和知識圖譜技術，可以系統地整理和構建數字電子技術課程的知識體系，包括基本概念、原理、電路設計、實驗技能等。知識圖譜能夠清晰地展示各個知識點之間的關聯和層次關系，幫助學生更好地理解和記憶;同時，結合知識圖譜，ChatGPT可以更加準確地理解學生的問題，為學生提供個性化的學習路徑，幫助學生解決學習過程中遇到的難題，提高學習效果。

2基于ChatGPT等智能工具和知識圖譜的教學改革

利用ChatGPT等智能工具和知識圖譜技術，圍繞數字電子技術課程目標，筆者設計了“一體三翼”的課程內容體系：將數字電子技術基本理論和電路基本設計方法組成基礎知識翼，工程案例分析和設計組成應用能力翼，新技術、新研究組成創新研究翼，“三翼”全程融入思政教育，實現知識、能力、素質的有機融合。主要采用混合式教學模式、“三驅動”教學方法等，同時深入挖掘教學過程中的思政元素。

2.1混合式教學模式

基于ChatGPT等智能工具和知識圖譜的混合式教學模式通過整合不同教學資源與手段實現優勢互補，為學生提供更加個性化、多樣化的學習體驗。

數字電子技術課程線上部分依托擁有海量資源的超星爾雅平臺，為了滿足學生自主學習、個性化學習、隨時隨地學習的需求，借助ChatGPT等智能工具完成課程線上教學平臺資源構建，主要包括省一流MOOC視頻、實踐視頻、相關實驗案例和PPT等，針對每個知識點有相應的測試題和擴充題庫，并且區分題目的難易程度，所有的教學資源形成知識圖譜。以線上教學平臺上的組合邏輯電路為例，其知識圖譜如圖2所示。學生能查看與學習教師發布的所有教學內容，共享線上資源和教師授課資料，獲取知識圖譜，參與互動討論投票等。

該課程線下部分由“傳統課堂 + 超星爾雅”的形式構成，結合線上資源，基于知識圖譜理念，采用“三驅動”教學方法，引入案例和工程項目，適時選用翻轉課堂，將實踐教學貫穿整個教學環節。為提高課堂授課效果和學習成效，線上教學平臺的建設以學生預習，隨堂測試，鞏固理論，學生自主獲取實驗技能、提高學習興趣、增強學習互動為主線；學生利用MOOC進行預習或鞏固，自主學習實踐視頻和獲取相關實驗案例，利用口袋實驗室和FPGA進行實驗驗證，通過課前預習、課后習題布置、主題討論等活動增強學習的互動性。圖3為線上線下混合式教學模式課堂功能模塊分配。

圖2組合邏輯電路的知識圖譜

將ChatGPT等智能工具和知識圖譜相結合應用于混合式教學中，可以發揮兩者的優勢，實現以下教學目標。

1）提高教學互動性：ChatGPT等智能工具的實時交互功能使得教學更加生動有趣，能夠激發學生的學習興趣和參與度；知識圖譜的圖形化展示方式有助于學生更好地理解和掌握知識點。

2）實現個性化教學ChatGPT等智能工具的個性化輔導功能使得教學更加符合學生的個性化需求；知識圖譜的智能推薦功能則可以根據學生的學習情況和學習進度提供個性化的學習資源和學習路徑。

3）提升教學效果和學習體驗：通過整合ChatGPT等智能工具和知識圖譜的優勢資源，混合式教學模式能夠為學生提供更加豐富、多元的學習體驗，也有助于提高教師的教學效果和學生的學習質量。

2.2 “三驅動”教學方法

在數字電子技術教學中，為了培養學生的工程應用能力，根據課程教學目標，圍繞教學內容和教學資源，實施“三驅動”教學方法，即問題驅動、能力驅動和實踐驅動。在數字電子技術課程中，問題驅動、能力驅動和實踐驅動的教學方法可以相互結合，共同提升學生的學習效果，這種綜合應用的方式能夠全面提升學生的綜合素質和學習能力。

1）問題驅動：ChatGPT等智能工具可以根據課程內容自動生成或引導出與知識點相關的問題，這些問題既可以是對基礎概念的理解，也可以是對復雜電路的分析。教師可以通過設置問題情境、提出問題，激發學生的學習興趣，也可以將工程問題引入教學內容，激發學生的學習動力和潛能，進而探討工程問題的解決方法，培養學生分析問題的能力。

2）能力驅動：以解決工程問題的電路設計為重點進行分析和討論，通過設計能力訓練項目、實施項目教學來培養學生的各種能力。課后利用口袋實驗室完成電路的設計調試，提升學生的實踐水平。整個過程中可以借助ChatGPT等智能工具提出創新性想法和解決方案的建議，培養學生的創新思維和解決問題的能力。

3）實踐驅動：通過搭建實驗平臺、組織實踐活動加強學生的實踐操作能力和問題解決能力；以項目為驅動開展小組創新實驗，訓練學生解決實際問題的能力和團隊協作精神，ChatGPT等智能工具可以協助學生進行項目設計，并提供項目評估服務。以電子設計競賽、藍橋杯大賽（電子類）、挑戰杯競賽、大學生創新創業項目和教師的科研項目等多元驅動開展創新實踐，培養學生的創新能力。

在整個教學過程中，通過知識圖譜，學生可以更快地定位到問題所在的知識點；厘清數字電子技術課程與其他學科的關聯關系，拓展視野，培養跨學科思維和解決問題的能力；分析實踐案例中的知識點和邏輯關系，從而加深對實踐內容的理解和掌握。

綜上所述，ChatGPT等智能工具和知識圖譜可為數字電子技術課程的“三驅動”教學提供必要的資源支持，它們相互補充、相互促進，共同提升課程教學質量。

2.3思政元素的挖掘和融入

在數字電子技術課程中挖掘思政元素，并借助知識圖譜和ChatGPT等智能工具，實現教學內容的豐富與深化，同時促進思政教育與專業知識教育的有機融合。

1）利用知識圖譜技術，將數字電子技術課程中的各個知識點與相關的思政元素（如科學精神、工匠精神、社會責任感、愛國情懷等）進行關聯，形成一張全面的知識網絡。這有助于教師清晰地看到哪些知識點可以融入哪些思政元素，從而在教學設計中實現無縫對接。通過知識圖譜，可以追溯數字電子技術發展歷程中的重要人物、事件和成果，挖掘它們背后的思政元素，如科學家的奮斗精神、團隊合作的重要性、科技創新對社會的貢獻等。例如：在講解布爾代數時，可以構建以喬治·布爾和克勞德·香農為核心的知識圖譜，展示他們的生平事跡、科學貢獻和背后的科學精神，激勵學生樹立遠大理想，刻苦鉆研；通過知識圖譜展示我國集成電路的發展歷程，增強學生的民族自豪感和愛國情懷，同時引導學生思考科技進步與社會發展的關系。

2）利用ChatGPT等智能工具的智能問答和生成能力，根據學生的學習特點和需求，生成個性化的思政教學案例和習題。例如，ChatGPT等智能工具可以根據學生的專業背景和學習進度，推薦與數字電子技術相關的思政閱讀材料或討論話題。利用ChatGPT的生成能力，開發基于情境模擬的思政教學案例。例如，設計一個關于數字電路設計的項目，其中融入團隊合作、創新思維、社會責任感等思政元素，讓學生在完成項目的過程中受到思政教育。

3）在教學過程中強調探究式學習方法，培養學生的邏輯思維，并結合超星爾雅平臺開展有效的多維互動。在學生小組展示環節，有效融入表達溝通能力和團結協作精神的培養；在課堂討論環節，適當設置懸念和疑問，培養學生的批判性思維。

2.4評價體系改革

構建基于知識圖譜的智能評價系統，對學生的學習過程和成果進行全面評估。同時，利用ChatGPT等智能工具的即時反饋功能，為學生提供個性化的學習建議和改進方向。在考核與評價方式方面，遵循“理論和實踐相結合，提高學生參與度”的學習策略。課程總評成績 Σ=Σ 期末考試成績 ×60%+ 線上平時成績 ×30%+ 課堂表現 ×10% 。其中，線上平時成績包括預習進度、知識點完成度、課后作業（包括書面作業和實踐作業）和測驗等；課堂表現主要是課堂平時成績，包括考勤、小組討論、回答問題等。

3結論

ChatGPT背景下基于知識圖譜理念的教學改革通過豐富教學資源、重構知識體系、優化教學模式和方法、挖掘思政元素、改革評價體系等手段，使數字電子技術課程基本實現了從理論灌輸到工程實踐能力提升、從單一知識點到形成知識網絡結構、從人工評估到智能評估的改變，有效激發了學生自主、合作、探究學習的積極性。依托豐富多樣的教學資源和教學方法，營造了良好的課堂氛圍，學生課堂滿意度超過 90% ，專業學生近兩年在省級以上電子類學科競賽中獲獎超20人次。ChatGPT背景下基于知識圖譜理念的數字電子技術課程教學改革具有重要的實踐意義和應用價值，通過不斷探索和實踐，有望為理工科課程教學改革提供新的路徑和啟示。

4參考文獻

[1］施江勇，唐晉韜，王勇軍，等．基于知識圖譜的新興領域課程教學資源建設［J].高等工程教育研究，2022（3）：15-20.

[2]劉鳳娟，趙蔚，姜強，等．基于知識圖譜的個性化學習模型與支持機制研究［J].中國電化教育，2022（5）：75-81，90.

[3]史宇坤，許姝藝，董少春.基于知識圖譜的增強型混合式學習的教學實踐與思考［J]．高校地質學報，2022，28（3）：387-393.

[4]尹建鑫，王曉軍．統計與數據科學知識圖譜構建與創新人才培養［J]．中國人民大學教育學刊，2023（2）：69-79.

[5］楊文霞，王衛華，何朗，等．知識圖譜賦能智慧教育的研究與實踐：以武漢理工大學“線性代數”課程為例[J].高等工程教育研究，2023（6）：111-117.

[6]賈尚云，孫步功，李紅嶺．“數字電子技術”課程混合教學模式課改實踐［J]．湖北第二師范學院學報，2024，41（2）：96-102.

[7]陳靜遠，胡麗雅，吳飛.ChatGPT/生成式人工智能促進以知識點為核心的教學模式變革研究［J].華東師范大學學報（教育科學版），2023，41（7）：177-186.