知識圖譜在物理類專業(yè)高質(zhì)量人才培養(yǎng)中的應(yīng)用探究*

【摘" 要】 物理類專業(yè)學(xué)習(xí)顯著強調(diào)邏輯思維與物理概念間聯(lián)系與差異的把握，而知識圖譜在這一領(lǐng)域展現(xiàn)出其卓越能力，尤其擅長于挖掘相關(guān)知識點之間的內(nèi)在聯(lián)系。文章基于知識圖譜的基本概念及其表現(xiàn)形式，構(gòu)建了一個知識圖譜模型，該模型旨在將物理學(xué)中某一專業(yè)基礎(chǔ)或?qū)I(yè)課程的知識內(nèi)容系統(tǒng)性地關(guān)聯(lián)起來。通過深入分析這一模型在物理類專業(yè)教學(xué)實踐中的具體應(yīng)用，旨在提升教學(xué)效果、促進學(xué)生深入學(xué)習(xí)與知識整合的能力，同時為教師與學(xué)生提供一種更為清晰且系統(tǒng)化的學(xué)習(xí)框架，也為教育領(lǐng)域的教學(xué)方法和策略提供了有益的參考與啟示。

【關(guān)鍵詞】 知識圖譜;物理類專業(yè);教學(xué)改革;人才培養(yǎng)

物理學(xué)作為自然科學(xué)的關(guān)鍵構(gòu)成部分，涵蓋了力、熱、光、電等基礎(chǔ)門類以及原子物理、固體物理、量子力學(xué)等廣泛課程。在物理類專業(yè)的教育進程中，學(xué)生需具備相應(yīng)的知識儲備與實踐能力，以有效應(yīng)對課堂中的各類問題與挑戰(zhàn)。然而，傳統(tǒng)教育模式常遇到學(xué)習(xí)效率不高、課程內(nèi)容單一及知識碎片化等難題。為有效應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，本文引入知識圖譜作為輔助教學(xué)工具，對課堂結(jié)構(gòu)與教學(xué)方法進行必要的調(diào)整與優(yōu)化。具體而言，通過將物理學(xué)知識系統(tǒng)化地構(gòu)建成知識體系，并利用知識圖譜促進學(xué)生建立知識點間的邏輯聯(lián)系，從而深化其對知識的理解和記憶。此外，知識圖譜還輔助教師進行分類教學(xué)，針對不同學(xué)生層次設(shè)計個性化的教學(xué)策略。

一、知識圖譜在物理類專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用探索

（一）知識圖譜的概念

知識圖譜（Knowledge Graph）是谷歌公司于2012年引入的一項重要人工智能技術(shù)，它作為一種結(jié)構(gòu)化的語義知識庫，旨在通過符號化手段展現(xiàn)物理概念及其相互間的內(nèi)在聯(lián)系。構(gòu)建一個全面的知識圖譜平臺，能夠使用戶快速訪問該平臺上的信息，以解答各類問題。此舉不僅顯著提高了查詢效率，還減少了用戶在尋找答案過程中的冗余搜索。在高校教學(xué)環(huán)境中，教師可依據(jù)課程特性及學(xué)生需求，構(gòu)建符合課堂教學(xué)目標(biāo)的知識結(jié)構(gòu)，進而有效提升教學(xué)質(zhì)量與成果。知識圖譜的創(chuàng)建旨在廣泛收集學(xué)科信息，包括關(guān)鍵知識點的基礎(chǔ)內(nèi)容及其相互間的交叉關(guān)聯(lián)。在知識傳播過程中，知識圖譜扮演著核心角色，它涵蓋了知識的起源、提煉及邏輯推理等環(huán)節(jié)。通過引入知識圖譜理論，可以激發(fā)學(xué)生對學(xué)科知識的興趣，并提升學(xué)習(xí)效率。從知識體系、知識領(lǐng)域、知識單元至知識點，這四個層面由上至下逐級構(gòu)建了課程的知識圖譜，最終形成了一個系統(tǒng)化的知識結(jié)構(gòu)。

（二）知識圖譜的構(gòu)建形式

在構(gòu)建知識圖譜的過程中，首要步驟是根據(jù)教學(xué)大綱詳盡梳理課程涉及的所有知識點。隨后，依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，將課程內(nèi)容按照不同維度進行科學(xué)分類，此過程需緊密遵循BOPPPS教學(xué)模式，強調(diào)“參與式學(xué)習(xí)”的核心價值，此舉既有助于教師優(yōu)化課程設(shè)計、提升課堂教學(xué)質(zhì)量，又能促進學(xué)生積極參與課堂互動，煥發(fā)課堂生機。

為進一步確保每個知識點都能得到有效學(xué)習(xí)，需依據(jù)知識點間的邏輯關(guān)系進行重要性分級，引導(dǎo)學(xué)生把握每節(jié)內(nèi)容的精髓。從知識結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，整合不同知識單元（如章節(jié)、小節(jié)），并對各層次知識點（如一級、二級）進行細致剖析，實現(xiàn)知識點的“顆粒度”精細化，即細化處理至最小可理解單元。

接下來，基于課程內(nèi)容構(gòu)建知識圖譜，利用每個知識點對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)圖示強化其間的內(nèi)在聯(lián)系。進入實施第二階段時，需清晰界定每個知識點的目標(biāo)與方向，深入探索學(xué)科間的交叉融合及學(xué)科內(nèi)部獨特而豐富的知識結(jié)構(gòu)，為學(xué)習(xí)全過程提供堅實的指導(dǎo)框架。知識圖譜旨在為學(xué)生提供對知識的深刻洞察與詳盡闡釋，結(jié)合課程的獨特性，它從知識、能力及思政教育三個維度出發(fā)，明確每個知識點的教學(xué)與學(xué)習(xí)導(dǎo)向。

為實現(xiàn)這一目標(biāo)，在第三步中，必須清晰界定各知識點間的相互關(guān)聯(lián)。通過系統(tǒng)梳理與總結(jié)教材，揭示知識點間的內(nèi)在邏輯，如共生、遞進、依賴等關(guān)系，緊密聯(lián)結(jié)不同知識點，從而構(gòu)建一個全面、連貫的知識結(jié)構(gòu)體系。

二、知識圖譜的具體應(yīng)用實踐：以“原子結(jié)構(gòu)模型的演變”課程為例

以“原子物理學(xué)”的教學(xué)活動為例，采用知識圖譜作為教學(xué)工具，以原子結(jié)構(gòu)模型的演變?yōu)楹诵?，全面覆蓋原子模型發(fā)展的所有關(guān)鍵知識點，并以知識圖譜的方式展現(xiàn)原子結(jié)構(gòu)探索的歷史進程?！霸游锢韺W(xué)”的知識內(nèi)容可以通過知識圖譜的方式被細化為知識領(lǐng)域、知識單元和知識點。這種方法以知識單元和知識點為基礎(chǔ)，建立知識領(lǐng)域內(nèi)的知識體系，從而實現(xiàn)課程間“知識點”與“知識單元”的層次性關(guān)聯(lián)，并最終形成一個完整的專業(yè)知識體系知識圖譜。這樣的教學(xué)方法有助于學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中塑造學(xué)術(shù)思維模式，為他們未來的科研活動打下堅實的基礎(chǔ)，并提升他們的科學(xué)修養(yǎng)與興趣。

在對物質(zhì)內(nèi)部構(gòu)造的研究中，按照歷史發(fā)展順序逐一羅列科學(xué)歷史上涌現(xiàn)出的眾多與原子結(jié)構(gòu)相關(guān)的理論和模型。湯姆生的“梅子布丁”模型、盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型以及玻爾的定態(tài)躍遷原子模型無疑是最具影響力的。原子結(jié)構(gòu)模型的誕生、演進和變化，在揭示物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的深奧之處、研究微觀世界的固有規(guī)律以及建立科學(xué)的原子結(jié)構(gòu)理論方面，都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在確保邏輯連貫性和實用性的基礎(chǔ)上，引用了一個層次結(jié)構(gòu)，即：古代原子模型→道爾頓模型→湯姆生梅子布丁模型→盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型→玻爾模型→薛定諤電子云模型，不僅可以成功地確定了原子結(jié)構(gòu)變化過程中的知識體系，而且建立了關(guān)鍵演變模型之間的框架體系。

在構(gòu)建知識圖譜的過程中，可以采用任務(wù)線、物理史線、問題線以及探究線，具體細節(jié)可參見圖1。早在古希臘時期德謨克里特提出：物質(zhì)是由極小的、不可分割的被稱為“原子”的微粒構(gòu)成，但是其觀點是哲學(xué)思維而缺乏科學(xué)實證，進而引出思考、評價與交流。接著，道爾頓根據(jù)實驗結(jié)果，提出了原子論，他認為原子是一個堅硬的實心小球，使得原子的發(fā)展從哲學(xué)走向科學(xué)，因此被稱為近代化學(xué)之父。引導(dǎo)學(xué)生思考原子論提出有哪些重要意義？接著到19世紀的尾聲，科學(xué)家們在X射線及電子領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)預(yù)示著原子物理學(xué)的迅猛發(fā)展。1898年，湯姆生展示了一個與原子結(jié)構(gòu)模型相關(guān)的“梅子布丁模型”。這個模型描述了原子中存在的正電性部分，它呈現(xiàn)出一個與原子體積相近且?guī)в袕椥缘膬瞿z球狀結(jié)構(gòu)。在該球形結(jié)構(gòu)中，正電束在內(nèi)部或頂部呈現(xiàn)出均勻的分散特征，同時負電子也被固定并插入其中。通過詳細的模型解釋，帶領(lǐng)學(xué)生思考該模型解決了哪些疑問，又存在什么樣的挑戰(zhàn)。

通過小組討論交流可知，雖然這個模型能夠解釋原子穩(wěn)定性和電中性的復(fù)雜問題，但在探討原子的光譜特性及放射性特點時，模型確實遇到了諸多挑戰(zhàn)。在1909年，馬斯頓與蓋革合作進行“α粒子散射實驗”后，湯姆生提出的梅子布丁模型面臨著一個重大問題。該模型在解釋α粒子在目標(biāo)物質(zhì)“反彈”現(xiàn)象下的八千分之一的概率方面存在困難，這也構(gòu)成了該模型不夠合理的一個關(guān)鍵因素。1911年3月，英國物理學(xué)家盧瑟夫在曼徹斯特進行了深度的科學(xué)研究，他進一步提出了一個創(chuàng)新性的原子核式結(jié)構(gòu)理念。該理論的核心觀點是，在原子的中心存在一個帶有正電的原子核，這個原子核不僅占據(jù)了原子的大部分重量，而且其體積極為微小。當(dāng)一個電子在高速軌道上圍繞原子核移動時，原子的發(fā)光屬性實際上反映了電子的活躍頻率。核式結(jié)構(gòu)模型的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著原子結(jié)構(gòu)進入新的階段，但當(dāng)嘗試利用傳統(tǒng)物理理論來闡明原子的結(jié)構(gòu)以及其光譜特征時，卻面臨了難以克服的難題?；诮?jīng)典電磁學(xué)的觀點，電子旋轉(zhuǎn)其核心時，會釋放電磁波，形成連貫的光譜線。然而，當(dāng)電子喪失其能量，它將按照其螺旋狀路徑落入原子核里。這種場景與原子的線性光譜屬性和原子的穩(wěn)定性質(zhì)產(chǎn)生了沖突。引導(dǎo)學(xué)生思考這些新發(fā)現(xiàn)的問題該怎么樣解釋。1913年，一位僅28歲的丹麥科學(xué)家尼耳斯·玻爾，在普朗克能量子理論和愛因斯坦的光量子假設(shè)為基礎(chǔ)上，為了解決原子結(jié)構(gòu)帶來的問題，結(jié)合原子的穩(wěn)定性和原子光譜法提出了三項著名的理論假設(shè)，并據(jù)此構(gòu)建了原子的“玻爾模型”。在20世紀20年代，經(jīng)由德布羅意、薛定諤、玻恩等物理學(xué)家的集體努力，新的量子論——量子力學(xué)得以誕生。由于量子力學(xué)具有高度的抽象性、嚴密的邏輯性以及與其他學(xué)科之間廣泛而深刻的聯(lián)系。通過物理學(xué)的歷史軸來引出問題和進行探究活動，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下能夠自主地獲取科學(xué)知識、掌握科學(xué)探究的方法、培養(yǎng)科學(xué)思維。因此，近代原子模型的發(fā)展是最能加深學(xué)生對科學(xué)探究和科學(xué)本質(zhì)理解的部分，也成了這節(jié)課的學(xué)習(xí)核心。

利用知識圖譜作為教學(xué)工具來傳授“原子物理學(xué)”的知識，與傳統(tǒng)的課堂“灌輸式”教學(xué)方式相比，這種方式更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。本文基于對知識可視化這一概念及相關(guān)技術(shù)研究的基礎(chǔ)之上，提出了一種新的教學(xué)設(shè)計思路，即把微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)與宏觀物理過程相融合。通過形象化的方式展示那些在宏觀層次上難以觀察到的微觀世界，教學(xué)內(nèi)容將會更加生動形象，從而讓學(xué)生更容易理解和接受這門相對復(fù)雜抽象的課程。此外，通過對微觀領(lǐng)域中一些典型問題進行分析，能夠幫助學(xué)生深入地了解原子結(jié)構(gòu)及相互作用等基本物理概念。通過指導(dǎo)學(xué)生深入理解科學(xué)探索的過程，摒棄傳統(tǒng)的量子理論，從量子理論的視角去觀察微觀世界的變化，這將有助于促進學(xué)生在抽象思維方面的培養(yǎng)和提升。

三、結(jié)語

將知識圖譜理論融入物理類專業(yè)教學(xué)，能夠構(gòu)建出適配的知識結(jié)構(gòu)，進而拓展與物理教學(xué)相關(guān)的實際應(yīng)用案例，有效鍛煉學(xué)生的實操能力，深化他們對抽象物理知識的理解。盡管課程知識圖譜被視為一種創(chuàng)新教學(xué)資源，但其構(gòu)建過程中仍面臨諸多挑戰(zhàn)。具體而言，不同教師在知識點的理解程度，完整性與一致性上的差異，可能導(dǎo)致知識圖譜質(zhì)量參差不齊，難以標(biāo)準(zhǔn)化;同時，缺乏有效的管理與維護機制，限制了教師根據(jù)個人經(jīng)驗靈活組織知識圖譜內(nèi)容，降低了其實際應(yīng)用效果。此外，創(chuàng)建知識圖解與資源收集所需的時間成本高昂，難以滿足大規(guī)模資源加載的需求。加之知識圖譜的開放性特征，易受外界因素干擾，可能引入錯誤或偏差，影響其實際應(yīng)用價值。鑒于此，構(gòu)建更高品質(zhì)的教育知識圖譜尤為重要，能有效應(yīng)對上述挑戰(zhàn)。

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