基于虛擬教研室平臺的有機化學課程知識圖譜建設(shè)探索

白偉，于麗梅，宋汪澤，趙軍龍，陳寧，姜翠玉，伍新燕，朱桂茹，陳樹峰，姚赟，盧然，翟怡0，張秀紅，劉迪，姜文鳳,＊

1 大連理工大學化學學院，遼寧 大連 116024

2 西北大學醫(yī)學院，西安 710069

3 北京化工大學化學學院，北京 100029

4 中國石油大學(華東)化學化工學院，山東 青島 266580

5 華東理工大學化學與分子工程學院，上海 200237

6 中國海洋大學化學化工學院，山東 青島 266100

7 內(nèi)蒙古大學化學化工學院，呼和浩特 010021

8 云南大學化學科學與工程學院，昆明 650091

9 吉林大學化學學院，長春 130012

10 高等教育出版社，北京 100120

1 引言

知識圖譜(Knowledge Graph)是指一種結(jié)構(gòu)化的語義知識庫[1]，這一概念在2012年提出，是人工智能的重要分支技術(shù)。在知識圖譜中，“節(jié)點”表示知識單元、知識點等，用“關(guān)系”連接這些“節(jié)點”，進而組成了圖網(wǎng)絡(luò)。課程知識圖譜屬于專業(yè)性領(lǐng)域知識圖譜，通過專業(yè)知識體系構(gòu)建，形成知識領(lǐng)域、知識單元、知識點的層級嵌套與網(wǎng)狀知識組織結(jié)構(gòu)，能夠為人才培養(yǎng)和教學活動提供全方位的支持[2]，是進一步推進教育數(shù)字化的重要抓手。

有機化學課程虛擬教研室由大連理工大學、天津大學、華東理工大學、華南理工大學、中南大學、中國海洋大學、北京化工大學、中國石油大學(華東)、南京理工大學、新疆大學、云南大學、內(nèi)蒙古大學、西北大學等高校和高等教育出版社組成(成員單位排名不分先后)，基本涵蓋中、東、西部各區(qū)域，于2022年初獲批教育部首批虛擬教研室建設(shè)試點[3]，現(xiàn)有來自33所高校的100余名有機化學一線教師成員。試點建設(shè)的主要任務包括創(chuàng)新教研形態(tài)、加強教學研究、共建優(yōu)質(zhì)資源、開展教師培訓等，知識圖譜的建設(shè)是虛擬教研室的重要工作之一，依托釘釘平臺，成員協(xié)作探索建設(shè)有機化學課程知識圖譜。

2 有機化學課程知識圖譜的建設(shè)探索

2.1 “節(jié)點”——知識單元、知識點

有機化學是研究有機化合物的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、制備和應用，闡明有機化合物官能團結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間關(guān)系的一門自然科學類課程。作為化學學科的重要分支，有機化學一直是占據(jù)基礎(chǔ)學科中心地位的核心基礎(chǔ)課程之一，是高等學校應用化學、制藥工程、化學工程與工藝、環(huán)境工程等相關(guān)專業(yè)的核心課程?；诖筮B理工大學有機化學教研室高占先主編的“十二五”普通高等教育本科國家級規(guī)劃教材《有機化學(第三版)》[4]的知識體系，進行知識單元、知識點的層級建設(shè)。教材中的章、節(jié)、目對應的就是由知識單元到知識點的整體與部分的關(guān)系，例如，在第九章“醇、酚、醚”部分，每一類化合物都可以按照分類、結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)、化學性質(zhì)幾個部分進行介紹，“物理性質(zhì)”作為知識單元又包含沸點、密度、光譜等知識點。較大或者較為重要的知識單元下可以包含次級知識單元，例如，“醇的化學性質(zhì)”包含羥基的取代反應、脫水反應等幾大類反應，“脫水反應”又具體分為“醇分子間脫水”“醇分子內(nèi)脫水”“頻哪醇的脫水及頻哪醇重排”等三個重要的知識點(圖1)。知識點是知識圖譜中的核心節(jié)點，后續(xù)的“關(guān)系”建設(shè)與資源綁定都是以它為中心。知識圖譜“節(jié)點”的建設(shè)有助于梳理知識層次，對于每一個部分的內(nèi)容有清楚的了解，可以作為教研室青年教師培訓的一個環(huán)節(jié)。

圖1 有機化學知識圖譜的層級結(jié)構(gòu)

大連理工大學有機化學課程是首批國家精品課程、首批國家雙語示范課程、首批國家精品資源共享課程、首批國家級線上一流課程，有著豐富的課程資源。有機化學中、英文課程上線中國大學MOOC、學習強國等平臺，累計選課近17萬人。虛擬教研室其他成員單位包括北京化工大學、中國石油大學(華東）、南京理工大學等校的有機化學一流課程都有各自的特點和優(yōu)勢。在知識圖譜的建設(shè)中，我們將線上課程的相關(guān)內(nèi)容(包括教學視頻、機理動畫、例題解析、章節(jié)練習等)通過“描述”與知識單元、知識點等“節(jié)點”聯(lián)系起來，有助于教師備課、幫助學生學習過程中進一步了解知識內(nèi)容。例如，將中國大學MOOC平臺“有機化學(下)”的教學視頻鏈接置入“醇的化學性質(zhì)”——“羥基的取代反應”的描述中，直接點擊即可打開、進行線上學習。后期，結(jié)合其他成員高校的優(yōu)質(zhì)線上資源，繼續(xù)對知識圖譜進行充實、完善，優(yōu)中選優(yōu)。

2.2 “關(guān)系”——節(jié)點之間的聯(lián)系

課程內(nèi)容的講授有先后順序，知識單元、知識點這些“節(jié)點”除了層級關(guān)系外，不同的知識單元、不同知識單元下的知識點之間也有關(guān)聯(lián)，經(jīng)過知識圖譜中“關(guān)聯(lián)”或“后序”的關(guān)系連接，“節(jié)點”間就形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將課程內(nèi)容前后緊密地聯(lián)系起來。

化學反應是有機化學最重要的部分，通過化學反應可以完成不同官能團化合物之間的轉(zhuǎn)化，因此化學反應就成為了有機化學學習中連接前后知識單元、知識點的紐帶，在知識圖譜中呈現(xiàn)為“節(jié)點”與“節(jié)點”的“關(guān)系”(圖2)。例如，在“醇、酚、醚”部分，醇的分子間脫水反應生成醚，而醚鍵斷裂會得到醇；醇的分子內(nèi)脫水反應生成烯烴，而烯烴與水的加成反應較難發(fā)生。這些關(guān)聯(lián)與區(qū)別是有機化學的重點、難點，在知識圖譜中可以清晰地展現(xiàn)出來，一目了然。知識圖譜能夠幫助學生在有機化學學習中熟悉這些“關(guān)系”，“節(jié)點”與“節(jié)點”不再是孤立的，而是變得可視化，對于知識的理解就會更加連貫、充分。教師備課過程中也可以充分掌握知識點之間的關(guān)聯(lián)，根據(jù)課程要求、授課對象等情況進行授課內(nèi)容的準備。

圖2 有機化學知識圖譜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

化合物的物理性質(zhì)、波譜特征是教學過程中不可缺少的，而這些內(nèi)容不論是化整為零地在各章節(jié)介紹，還是歸納在一起講解，效果上都會有所欠缺。將不同官能團化合物的相關(guān)知識點在知識圖譜中關(guān)聯(lián)起來，有助于學生學習過程中隨時地聯(lián)系比較、加強理解。

2.3 虛擬教研室教學資源的綁定

共建共享優(yōu)質(zhì)資源是有機化學課程虛擬教研室建設(shè)的一項重要工作，核心成員25人分三個小組開展教研工作，包括：有機化學內(nèi)容與教學方法研究組；課程思政案例建設(shè)與應用研究組；教學大綱、教學設(shè)計案例等一流課程資源建設(shè)組。經(jīng)過一年多的共同努力，教研室資源庫中已有200多項教學資源，包括了教學課件、教學設(shè)計、好題分享、演示動畫、課程思政案例及素材等(圖3)。知識圖譜框架建設(shè)完成后，將這些優(yōu)質(zhì)資源與知識“節(jié)點”一一綁定，并不斷補充、更新，使得知識圖譜能夠為有機化學課程的教學活動提供全方位的支持。

圖3 有機化學課程虛擬教研室教學資源

3 結(jié)語

知識圖譜的建設(shè)是虛擬教研室建設(shè)試點的重要組成，相對于以往的知識樹等層級結(jié)構(gòu)，知識圖譜更加地立體和綜合。依托虛擬教研室平臺建設(shè)知識圖譜的過程，可以整合各類資源，促進成員們對教學內(nèi)容、方法進行全方位的討論、研究，提高教師教學能力。將建設(shè)完成的知識圖譜融入課程教學中、移植到其他智慧教學軟件使用，可以為教師備課提供豐富的資料，為學生學習提供充足的資源。利用知識圖譜可以進行更加精準的學情分析，達到個性化的教學、自學目的，為人才培養(yǎng)和教學活動提供支持、為專業(yè)建設(shè)和課程建設(shè)提供助力。