知識圖譜賦能的研究生專業課混合式教學探索

摘要：文章針對當前研究生專業課混合式教學中存在的不足，如缺乏知識點的整體性框架引導、缺少個性化導向的學習路徑、忽略對學習過程的精準監測等問題，提出以課程知識圖譜為基礎的智能化混合式教學模式。首先通過知識點提取、關聯關系挖掘、多模態教學資源鏈接等步驟構建了研究生專業課電子材料信息科學與技術課程的知識圖譜，在此基礎上，提出“SCIENCE”混合式教學方法，將課程知識圖譜應用于課前、課中和課后教學全過程，并建立多維度教學評價方案。該研究可為基于人工智能的研究生教育提供新的發展思路與教學范式，進而可從知識、能力、素質三個方面對現代研究生教育進行優化。

關鍵詞：研究生專業課；課程知識圖譜；混合式教學

中圖分類號：G642文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）20-0127-03

0引言

近年來，隨著以大數據、人工智能為代表的計算機與信息技術的飛速發展，現代高等教育對數字化學習、個性化學習和終身學習提出了更高的要求。然而，現有的研究生專業課混合式教學存在一些問題：1）缺乏知識體系的整體性。現有線上教學資源往往只針對單一的知識單元，缺乏對各類知識進行整體的框架引導，難以明確各知識點間的內在邏輯關聯，造成學生“只見樹木，不見森林”，進而形成“知識孤島”，最終導致無法對知識進行活學活用；2）缺乏個性化的學習路徑推薦。由于不同研究生本科階段所學專業及個人學習習慣的差異，造成不同學生對同一課程的學習路徑依賴有所不同，現有教學方法無法滿足學生個性化的學習需求；3）缺乏對學習效果進行全面性評估的方法。傳統的教學模式以課程期末考試成績為主要考查指標，忽略了對學習過程的多維度觀測和對階段學習效果的精準把控，導致容易培養出解題技巧強而工程實踐能力弱的學生。以上問題將影響研究生整體的專業水平、實踐技能與創新思維。

針對以上問題，在當下的研究生教育教學中，提出一種新的教學手段，使其能夠對知識結構進行框架化表達、對學習路徑進行個性化推薦、對學習效果進行全面性評估，成為一個迫切需要解決的問題。因此，國家在《中國教育現代化2035》中明確強調須加速推進教育智能化發展[1]，國家標準委員會也于2023年頒布了《信息技術知識圖譜技術規范》，這無疑代表著智能化混合式教學模式將成為未來高等教育發展的新趨勢[2]。在此背景下，課程知識圖譜應運而生，這種高效的知識表達模型能夠通過智能推理為不同知識背景的學習者推薦合適的學習路徑，幫助學習者快速獲取所需知識間的邏輯關聯，并為學習效果的全面評估提供數據支持。本文通過自上而下的方法建立了電子材料信息科學與技術課程知識圖譜，進而通過“SCIENCE”混合式教學方法將課程知識圖譜應用于研究生課程教學的全過程，最終提出能夠全面反映學習過程與學習效果的多維度教學評價方法。

1知識圖譜概念與基本特征

2012年，谷歌公司首次將知識圖譜定義為一種能夠將客觀世界中的知識實體進行結構化表達，并明確各實體之間關系的知識模型。通過將海量信息組織為更易于人類認知的形式，知識圖譜很快成為一種便利地處理和理解互聯網信息的工具[3]。

在邏輯結構上，知識圖譜包括模式層和數據層兩個層次。模式層決定了圖譜中知識的結構框架與邊界，其基本單元為“實體—關系—實體”或“實體—屬性—值”三元組；數據層則包含具體的知識內容，各知識實體間通過語義關系進行連接，從而形成由節點和邊組成的基礎單元，這是對模式層的概念和關系具象化后的直觀體現。模式層是建立數據層的基礎，用以規范數據層的一系列事實表述；模式層同時也是數據層的約束，在一定程度上起到規范化語義描述的作用，使得數據能夠更好地被計算機理解與計算。另外，按照類型的不同，知識圖譜可被分為兩類：第一類知識圖譜通常用于描述常識性的知識，稱為通用知識圖譜，這類圖譜注重于知識表達的廣泛程度；第二類知識圖譜則用于描述某些具體領域的知識，稱為領域知識圖譜。可見，通用知識圖譜可被看作一個面向通用領域的結構化百科知識庫，而領域知識圖譜是針對特定行業或領域的需求而定制的垂直知識圖譜。將知識圖譜應用于教育領域中即形成了教育知識圖譜，相較于通用知識圖譜，這類知識圖譜更加聚焦于知識表示的深度。教育知識圖譜有幾個比較顯著的特點：1）組成圖譜節點的內容多種多樣。由于教育資源、教育形式、教育方法的多樣性，教育知識圖譜節點的內容將包括但不限于定義、概念、術語、公式、論點等；2）圖譜節點關系較為復雜。教育知識圖譜更加強調內容之間的邏輯性關聯，不同知識點、不同課程、不同學科之間的關系復雜多樣，如主從關系、并列關系、前后關系、關聯關系等；3）圖譜節點的屬性描述較為靈活。

教育知識圖譜節點屬性的定義可依據教育者的教學目的而靈活設定，可以是重點、難點、考點，也可以是音視頻資源、思政案例等。在教育知識圖譜的幫助下，教師可以較為輕松地對大量學習資源進行有邏輯、有組織地構建與鏈接，從而既可以適應群體化協同學習的需要，也能適應個性化學習的需求。

2研究生專業課電子材料信息科學與技術知識圖譜構建

電子材料信息科學與技術是西安電子科技大學材料類專業碩士研究生的一門專業課。課程基于信息科學發展的歷史規律與未來趨勢，結合電子材料專業特色，從材料視角為學生搭建電子電路技術框架，使學生具備綜合分析電子材料、器件及電路工程問題的能力，進而為深入理解現代信息系統、應用現代信息技術打下堅實的基礎。

本課程知識圖譜的構建采用自頂向下的方式進行，需要完成三個方面的工作，即構建知識體系框架、進行知識抽取以及利用知識提供服務。搭建課程底層知識邏輯框架是建立知識圖譜的首要任務。通過對課程大綱及教材內容的梳理，將課程內容分為電路基礎、數字電子技術、模擬電子技術三個部分，并將各部分所涉及的知識模塊進行提煉與歸納，形成如圖1所示的課程整體框架。

知識抽取是指從數據集、數據庫中對不同的數據進行提取，將其處理為結構化的數據，并進行知識存儲的過程。在本課程知識圖譜建設中，它主要包含實體識別、關系抽取、屬性抽取等幾個方面。實體識別通過利用自然語言處理方法實現自動從文本信息中識別出命名實體，關系抽取則是利用機器學習與規則方法從文本信息中抽取出實體之間的對應關系，屬性抽取將實體屬性劃分為概念原理、方法技術和實例應用三類，并結合專家驗證同步進行。實體識別經常是在異質的信息載體中展開，數據來源于表格、數據庫、聲音、純文本等，此時需要注意各數據來源下不同數據之間是否存在對同一知識點的重復描述、描述是否存在差別與歧義等問題，必要時可通過知識融合來形成結構相同、內容不重復、格式正確的知識內容[4]。另外，該階段知識圖譜模型無法直接使用這些數據，還必須要建立知識之間的相關性，即通過關系抽取來完成“實體—關系—實體”基本單元。本課程知識圖譜中各知識點之間在內容方面存在邏輯上的層次關系，如包含關系、屬于關系等，同時在前后關聯上也存在邏輯順序，如前導關系、后繼關系等。各種關系的具體釋義如表1所示。

在以上操作的基礎上，進一步將課程知識實體與多模態教學資源進行匹配與鏈接，主要包括：1）文字類資源：包含教材、課件、課程標準、授課計劃、授課教案、習題、案例庫、期刊論文、相關書籍等；2）其他模態資源：包含圖片、音視頻、微課、上課實錄視頻、動畫、虛擬仿真等資源。將多模態資源鏈接到知識圖譜對應的知識點目錄下。同時，系統梳理先行課程與后繼課程中與本課程相關的知識實體，如本課程的先行課程為大學物理，后繼課程為高頻電子線路、微處理器與接口等，將先行課程與后繼課程中相關知識點與本課程知識點形成鏈接，從而形成具有跨學科多模態特點的電子材料信息科學與技術課程知識圖譜（圖譜局部展示如圖2所示），為進一步研究由知識圖譜賦能的研究生專業課混合式教學模式奠定基礎。

3基于知識圖譜的電子材料信息科學與技術課程混合式教學模式探索

“新工科”背景下的研究生課程教育應以知識圖譜為抓手，以學生為中心，以知識—能力—素質三個維度的提升為目標來展開。在此要求下，本文采用“SCIENCE”教學方法[5]來構建基于知識圖譜的課程混合式教學模式。

3.1S：信息檢索（Seekinformation）

課前要求學生通過前置課程知識與具體的工程問題，查找本節課程知識點的相關信息，通過文獻閱讀及知識圖譜中的慕課視頻了解相關知識點的形成背景與應用情況，例如在學習半導體晶體管一節內容前，要求學生通過觀看知識圖譜中的微視頻“光刻戰爭”來了解光刻工藝對器件發展的影響。

3.2C：核心問題測試（Core-test）

課前通過“學在西電”課程平臺發布測試問題，掌握學生的知識基礎與自學效果，通過將答題成績分為優、良、中、差四個區間，為不同學生推薦相應的學習路徑。

3.3I：互動討論（Interactivediscussion）

線下課堂教學中，針對問題圖譜中的具體科學問題進行拆解、分析，例如提出問題圖譜“同步時序電路與異步時序電路在設計步驟上有什么異同？”，通過將學生劃分為不同小組進行討論，引導學生主動思考，實現教學相長。

3.4E：實驗演示（Experimentaldisplay）

為加深學生對所學知識的認識深度，將理論與實踐相結合，通過實驗實操讓學生掌握分析電子元器件與電路性能的儀器設備；通過Multisim電路仿真平臺為學生演示電路虛擬仿真分析方法，例如通過仿真平臺為學生演示多級放大電路的靜態、動態分析。

3.5N：課堂小結（Notionsummary）

課堂教學結束前，以知識圖譜為工具引導學生完成課堂小結，制定課后復習計劃。鼓勵學生結合自身知識結構與學習習慣，通過知識圖譜構建適合個人的知識點復習路徑。

3.6C：核心能力共享（Core-sharing）

課后將學生分組，針對不同難點、重點問題，指導學生構建目標圖譜，將課程知識點與課程目標緊密結合，從而進一步完善課程知識圖譜，并總結、提煉各自的學習經驗，相互交流。

3.7E：加強反思（Enrichthinking）

課后引導學生通過知識圖譜學習與課程知識點相關的應用案例與思政案例，例如在學習了三極管中載流子的輸運過程后，引導學生學習知識圖譜中的思政案例“順勢而為，全力輸出——晶體管載流子的奇妙旅程帶來的人生啟發”，在加強思想引領的同時強化對理論知識的感性認識與理解。

在“SCIENCE”混合式教學方法的指導下，研究者進一步為電子信息科學與技術課程制定了更為細化的評價標準。除期末考核外，將線上學時、課堂討論參與度、課后作業、知識圖譜利用率等指標納入過程性評價，其中知識圖譜可記錄每個學生的學習行為，使得教學設計、效果評價、學習效果等有數據可依，再通過數據化的學情分析實現精準的學習效果評判；另外，將調研報告、實驗實操、目標圖譜構建等歸為成果性評價。課程期末成績組成：過程性成績占20%；成果性成績占20%；期末考試成績占60%。通過這樣的綜合性考核形式，對學生的學習情況形成更加完整與多元的評價。

4結束語

隨著AI時代的到來，技術的突破為高等教育改革提供了全新的思維方式與教學手段，教育數字化與智能化成為主動適應新一輪科技革命和產業變革的必然選擇。知識圖譜技術作為人工智能的基石，通過將知識的結構、關系進行可視化呈現，便于實現智能化學習要求，大大提高了人們對知識的接受程度與利用效率。本文提出了以知識圖譜為基礎、以“SCIENCE”混合式教學模式為指導的“電子材料信息科學與技術”研究生課程混合式教學新范式，實現了思維顯化、資源智化、考核優化等數智教學要求。后續該方法可推廣應用于其他研究生專業課教育教學，并結合更加豐富的人工智能技術不斷升級迭代，以期為當代研究生教育教學提供新的發展思路和實現路徑。

參考文獻：

[1]涂華婷，王選，查雨彤，等.基于知識圖譜理念的生物醫學電子學在線課程建設初步探索[J].衛生職業教育，2023，41（11）：19-23.

[2]劉萍萍，楊澤鵬，賀超.基于知識圖譜的“物聯網創新綜合實踐”課程教學資源構建研究[J].物聯網技術，2024，14（12）：160-162.

[3]徐星，鄢睿丞，閆曉玲，等“.電路”課程知識圖譜構建及其教學模式應用[J].教育教學論壇，2024（6）：1-4.

[4]趙永亮，于倩，鄧博，等.基于知識圖譜的裝備故障診斷技術[J].電子設計工程，2022，30（9）：125-129.

[5]李玲，翁玥，向祖慧，等.AI賦能通識教育課程的教學改革初探：以“化學與人類文明”課程為例[J].大學化學，2025，40（1）：1-10.

【通聯編輯：謝媛媛】