基于知識圖譜的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育在“材料科學(xué)基礎(chǔ)”中的教學(xué)實(shí)踐

摘 要 在國家創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育政策的推動下，五邑大學(xué)積極改革專業(yè)課程的教學(xué)內(nèi)容和方法，致力于培養(yǎng)面向地方產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用型卓越人才。文章針對“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程中存在的知識點(diǎn)多而雜、內(nèi)容抽象等問題，基于知識圖譜，分割知識點(diǎn)并用創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)案例關(guān)聯(lián)每個知識點(diǎn)，旨在通過引入產(chǎn)業(yè)案例和科研案例，使學(xué)生能在學(xué)習(xí)過程中直觀地理解材料科學(xué)知識的實(shí)際應(yīng)用。知識圖譜的應(yīng)用為學(xué)生提供了一個結(jié)構(gòu)化的知識框架，有助于他們構(gòu)建系統(tǒng)化的知識體系。通過“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程改革實(shí)踐，不僅提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)新能力，還為學(xué)生提供了一個將理論知識與實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合的平臺，培養(yǎng)了學(xué)生的工程實(shí)踐能力和解決復(fù)雜問題的能力。

關(guān)鍵詞 材料科學(xué)基礎(chǔ)；知識圖譜；創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力；案例分析

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.27.032

Teaching Practice of Innovation and Entrepreneurship Education Based on Knowledge Graph in "Fundamentals of Materials Science"

ZHANG Chi， YU Ting， SONG Weidong

（School of Applied Physics and Materials， Wuyi University， Jiangmen， Guangdong 529020）

Abstract Under the promotion of national innovation and entrepreneurship education policies， Wuyi University actively reforms the teaching content and methods of professional courses， and is committed to cultivating outstanding applied talents for local industries. The article aims to address the problems of multiple and complex knowledge points， as well as abstract content in the course of "Fundamentals of Materials Science". Based on the knowledge graph， the knowledge points are segmented and linked with innovation and entrepreneurship cases to enable students to intuitively understand the practical application of materials science knowledge through the introduction of industry and research cases. The application of "knowledge graph provides students with a structured knowledge framework， which helps them build a systematic knowledge system. Through the reform practice of the course "Fundamentals of Materials Science"， not only has it enhanced students' learning enthusiasm and innovation ability， but it has also provided a platform for students to combine theoretical knowledge with practical application， cultivating their engineering practice ability and ability to solve complex problems.

Keywords Fundamentals of Materials Science; knowledge graph; innovation and entrepreneurship ability; case analysis

“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程作為材料科學(xué)與工程專業(yè)的核心必修課，其重要性不言而喻。本課程旨在為學(xué)生提供材料的組成、結(jié)構(gòu)、性能及其加工工藝等方面的基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和工程實(shí)踐能力。然而，由于其內(nèi)容的抽象性和復(fù)雜性，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中常感困難，加之傳統(tǒng)教學(xué)模式的局限性，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)新能力未能得到充分激發(fā)。

在當(dāng)前國家大力提倡創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的背景下，五邑大學(xué)作為一所以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為主的地方性大學(xué)，致力于將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育融入專業(yè)課程教學(xué)。通過改革教學(xué)內(nèi)容和方法，強(qiáng)化學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)業(yè)能力。國內(nèi)外許多高校已經(jīng)在“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)改革方面作出了有益嘗試。例如，通過引入案例教學(xué)、項(xiàng)目驅(qū)動、翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)模式，增強(qiáng)了課程的實(shí)踐性和互動性，提高了學(xué)生的參與度和學(xué)習(xí)效果。盡管取得了一定的成效，但在教學(xué)改革深入實(shí)施的過程中，仍面臨著一些亟待解決的問題。例如，如何將教學(xué)內(nèi)容與材料科學(xué)的最新發(fā)展緊密結(jié)合，如何構(gòu)建科學(xué)合理的評價體系以全面評價學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐技能，以及如何為學(xué)生提供充足的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)資源和平臺等。

針對這些問題，本課程基于知識圖譜，探索知識圖譜在“材料科學(xué)基礎(chǔ)”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用。知識圖譜能夠?qū)⒄n程知識進(jìn)行結(jié)構(gòu)化表示，幫助學(xué)生構(gòu)建知識體系，促進(jìn)學(xué)生對知識的深入理解和掌握。通過知識圖譜，教師可以更直觀地展示課程知識結(jié)構(gòu)，更有效地組織教學(xué)內(nèi)容，同時，學(xué)生也可以通過知識圖譜進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)效率。

具體來說，本課程的教學(xué)改革將采取以下措施：首先，提煉重要知識點(diǎn)，構(gòu)建模塊化的教學(xué)內(nèi)容體系，并引入材料科學(xué)的最新研究成果和發(fā)展動態(tài)；其次，改革教學(xué)方法，采用案例教學(xué)、項(xiàng)目驅(qū)動、翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)模式，提高學(xué)生的參與度和學(xué)習(xí)效果；再次，加強(qiáng)與產(chǎn)業(yè)的結(jié)合，為學(xué)生提供產(chǎn)業(yè)案例，增強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力；最后，構(gòu)建科學(xué)合理的評價體系，全面評價學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐技能。

1 改革舉措

1.1 課程目標(biāo)重新定位

基于雙創(chuàng)理念重新定位課程教學(xué)目標(biāo)。在過去的教學(xué)實(shí)踐中，“材料科學(xué)基礎(chǔ)”的課程目標(biāo)偏基礎(chǔ)、重理論、輕實(shí)踐。結(jié)合學(xué)校的人才培養(yǎng)定位以及學(xué)院的專業(yè)發(fā)展特點(diǎn)，在教學(xué)改革過程中要重新梳理和定位課程目標(biāo)。將培養(yǎng)學(xué)生雙創(chuàng)能力，學(xué)生運(yùn)用知識分析和解決實(shí)際問題的能力放在更加重要的位置上。將雙創(chuàng)能力具體化，與相應(yīng)的知識點(diǎn)相結(jié)合，并細(xì)化到教學(xué)和考核環(huán)節(jié)中。經(jīng)過改革，課程目標(biāo)擬定義為：①理解并復(fù)述材料科學(xué)基礎(chǔ)的基本概念，能夠利用其說明材料的結(jié)構(gòu)和性能，可通過基本概念的發(fā)現(xiàn)過程理解創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)思路；②使用數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、工程基礎(chǔ)知識，以及材料科學(xué)相關(guān)專業(yè)知識，并結(jié)合文獻(xiàn)分析和評估材料與器件中的組織結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、加工工藝和性能優(yōu)化等復(fù)雜工程問題，并將其用于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和分析；③應(yīng)用材料科學(xué)基本原理和方法，結(jié)合工程專業(yè)基礎(chǔ)知識，在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動中建立研究模型，對實(shí)驗(yàn)中涉及的材料成分－結(jié)構(gòu)－性能之間的關(guān)系進(jìn)行合理的分析和判斷，進(jìn)一步提升學(xué)生的雙創(chuàng)意識和能力。

1.2 知識點(diǎn)提煉

首先由授課教師根據(jù)自己講授章節(jié)的特點(diǎn)，將章節(jié)內(nèi)容細(xì)化出一些典型知識點(diǎn)?；谥R點(diǎn)制作在線教學(xué)視頻，結(jié)合課件、課外擴(kuò)展知識、練習(xí)題等內(nèi)容將知識點(diǎn)擴(kuò)展為知識圖譜在智慧樹平臺上線。如表1所示，以“晶體缺陷”這一章為例，課程組提煉出了8個重要知識點(diǎn)作為主要的知識節(jié)點(diǎn)，并以此為中心，繼續(xù)細(xì)化知識，明確知識點(diǎn)之間的關(guān)系。以晶體缺陷中的點(diǎn)缺陷知識為例，課程組按照屬種關(guān)系，將其分為點(diǎn)缺陷的定義、點(diǎn)缺陷的平衡濃度和點(diǎn)缺陷的分類三個子知識點(diǎn)。目前共總結(jié)了173個知識點(diǎn)，并確定它們之間的知識關(guān)系，通過屬種關(guān)系、依賴關(guān)系、遞進(jìn)關(guān)系等將知識點(diǎn)分類。

1.3 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)案例引入

作為一所致力于培養(yǎng)應(yīng)用型人才的本科大學(xué)，我們始終把培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力放在首位，特別是針對服務(wù)地方產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用型人才培養(yǎng)。在“材料科學(xué)基礎(chǔ)”的教學(xué)中，特別強(qiáng)調(diào)理論與應(yīng)用的結(jié)合。因此課程組在講授每個知識點(diǎn)時都會融入與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)相關(guān)的案例，讓學(xué)生通過這些案例加深對知識的理解，并根據(jù)不同案例的特點(diǎn)采取相應(yīng)的學(xué)習(xí)方法。如表1所示，在“晶體缺陷”這一章節(jié)，我們針對每一個知識點(diǎn)都設(shè)置了相關(guān)案例，這些案例來自科技前沿或者產(chǎn)業(yè)，可以幫助學(xué)生充分理解所學(xué)知識，并明白基礎(chǔ)知識如何在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)揮作用。

進(jìn)一步，我們將這些案例通過知識圖譜與知識點(diǎn)融合在一起。例如，在講解點(diǎn)缺陷時，我們在知識圖譜中引入了“鐵滲碳”的產(chǎn)業(yè)案例。鐵滲碳是鋼鐵生產(chǎn)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，通過這個案例，學(xué)生們能夠直觀地理解點(diǎn)缺陷在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用，并學(xué)習(xí)如何通過控制化學(xué)成分和熱處理工藝來改善鋼材的性能。除了產(chǎn)業(yè)相關(guān)的案例，為了幫助學(xué)生了解科研前沿，課程組還引入了一些科學(xué)研究案例。如在點(diǎn)缺陷這個知識點(diǎn)下面，師生還討論了太陽能電池相關(guān)的例子。在太陽能電池中，由于缺陷的存在，可導(dǎo)致太陽能電池中光生載流子復(fù)合率的增加，從而降低電池的轉(zhuǎn)換效率。因此課程組在點(diǎn)缺陷這部分知識中也引入了點(diǎn)缺陷對太陽能電池效率的影響這一案例，讓學(xué)生通過調(diào)研去充分理解在太陽能電池領(lǐng)域是如何分析和研究點(diǎn)缺陷這一問題的。

在這種教學(xué)模式下，在講授完相關(guān)知識后，學(xué)生通過知識圖譜關(guān)聯(lián)到相關(guān)案例，并在教師的指導(dǎo)下分組完成案例的分析。學(xué)生將所學(xué)的理論知識運(yùn)用到文獻(xiàn)調(diào)研、案例分析和結(jié)果討論中，不僅鍛煉了他們的實(shí)踐能力，還提高了解決復(fù)雜工程問題的能力。通過這種結(jié)合產(chǎn)業(yè)實(shí)際和科研前沿的教學(xué)方法，我們成功地將理論知識與實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合，為學(xué)生提供了一個鍛煉創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的平臺。

2 教學(xué)評價

在本課程中，課程組將案例學(xué)習(xí)融入知識圖譜，并以翻轉(zhuǎn)課堂和小組討論的形式提供給學(xué)生。這種教學(xué)模式旨在促進(jìn)學(xué)生的主動學(xué)習(xí)，提高他們的知識理解和應(yīng)用能力，并采用以下方法實(shí)現(xiàn)對學(xué)生完成情況的評價。

2.1 翻轉(zhuǎn)課堂任務(wù)

在翻轉(zhuǎn)課堂模式下，學(xué)生需要在線上通過知識圖譜系統(tǒng)學(xué)習(xí)相關(guān)的知識點(diǎn)和案例。系統(tǒng)提供了豐富的學(xué)習(xí)材料，包括教學(xué)視頻、文獻(xiàn)資料和互動問題，幫助學(xué)生構(gòu)建起對即將討論主題的初步理解。教師將綜合評估學(xué)生的知識理解、案例理解能力，以及他們利用知識分析案例的能力。

2.2 小組討論

學(xué)生被分成若干小組，每組針對特定的案例進(jìn)行深入分析。在知識圖譜的支持下，學(xué)生可以輕松訪問到與案例相關(guān)的所有知識點(diǎn)，這有助于他們構(gòu)建起案例與理論知識之間的聯(lián)系。教師將引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行有深度的討論，并根據(jù)學(xué)生的討論情況給出評價。

2.3 期中或期末匯報(bào)

對于綜合性較強(qiáng)的案例，還可采用期中或期末匯報(bào)的方式進(jìn)行評估。學(xué)生需要準(zhǔn)備PPT講解，展示他們對案例的深入理解，以及如何將理論知識應(yīng)用于實(shí)際問題的解決。此外，學(xué)生還需要提交論文闡述他們的分析過程和結(jié)論。教師將根據(jù)學(xué)生的PPT講解和論文完成情況評價他們的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

3 總結(jié)

本教學(xué)研究以“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程為載體，以提高學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力為目標(biāo)，研究知識圖譜在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中的應(yīng)用。研究的核心在于課程目標(biāo)的重新定位：將理論與實(shí)踐相結(jié)合，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)思維和能力?；诖?，課程組更新了教學(xué)內(nèi)容，引入材料科學(xué)的最新研究成果和產(chǎn)業(yè)發(fā)展前沿，采用案例教學(xué)、項(xiàng)目驅(qū)動等多元化教學(xué)方法，提高學(xué)生的參與度和學(xué)習(xí)效果。通過知識圖譜，建設(shè)結(jié)構(gòu)化的知識體系，促進(jìn)學(xué)生對知識系統(tǒng)的理解和掌握。根據(jù)每個知識點(diǎn)的特點(diǎn)，引入不同的案例或項(xiàng)目構(gòu)建創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)案例庫，幫助學(xué)生提高創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。通過這些改革措施，促進(jìn)學(xué)生對材料科學(xué)基本概念的理解，利用這些概念分析材料的結(jié)構(gòu)和性能，并將這些知識應(yīng)用于解決實(shí)際問題。我們相信，通過這些改革，可以為學(xué)生提供一個更加豐富、互動和實(shí)踐導(dǎo)向的學(xué)習(xí)環(huán)境，培養(yǎng)他們成為具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的專業(yè)人才。

*通信作者：張弛

基金項(xiàng)目：廣東省教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程項(xiàng)目（GDJX2021012，GDJX2023018）；廣東省一流本科課程建設(shè)項(xiàng)目（粵教高函〔2022〕10號）。

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