機(jī)械類專業(yè)科教產(chǎn)融合知識(shí)圖譜實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)

摘 要 在科教產(chǎn)深度融合背景下，機(jī)械類專業(yè)人才培養(yǎng)面臨知識(shí)體系復(fù)雜、實(shí)踐需求高等挑戰(zhàn)。文章構(gòu)建了融合系統(tǒng)化知識(shí)圖譜、任務(wù)驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)模式和虛擬仿真實(shí)訓(xùn)模塊的機(jī)械類專業(yè)數(shù)字化實(shí)踐平臺(tái)。平臺(tái)的應(yīng)用結(jié)果表明，其通過(guò)直觀的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)展示和真實(shí)工程案例應(yīng)用，幫助學(xué)生構(gòu)建了系統(tǒng)的知識(shí)框架，強(qiáng)化了學(xué)生的實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)。此外，文章還分析了現(xiàn)有平臺(tái)在界面設(shè)計(jì)、案例覆蓋、資源整合和評(píng)價(jià)體系方面的不足，從界面優(yōu)化、案例擴(kuò)展、資源整合、功能升級(jí)、評(píng)價(jià)體系改進(jìn)等方面提出了針對(duì)性的優(yōu)化改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞 科教產(chǎn)融合；知識(shí)圖譜；數(shù)字化實(shí)踐；機(jī)械類專業(yè)

中圖分類號(hào)：G642 " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A " " DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2025.05.004

Construction of a Practical Platform for the Knowledge Graph of the Integration of Science， Education and Industry in Mechanical Majors

DU Jin， LYU Yuexia， XU Chonghai

（Faculty of Mechanical Engineering， Qilu University of Technology （Shandong Academy of Sciences）， Jinan， Shandong 250351）

Abstract In the context of the deep integration of science， education and industry， the cultivation of mechanical professionals faces challenges such as a complex knowledge system and high practical requirements. This paper constructs a digital practical platform for mechanical majors， which integrates a systematic knowledge graph， a task-driven learning mode， and a virtual simulation training module. The application results of the platform show that through the intuitive display of the knowledge network and the application of real-world engineering cases， it helps students build a systematic knowledge framework and strengthens their practical abilities and comprehensive qualities. In addition， the paper analyzes the deficiencies of the existing platform in terms of interface design， case coverage， resource integration， and evaluation system， and puts forward targeted optimization and improvement measures from aspects such as interface optimization， case expansion， resource integration， function upgrading， and improvement of the evaluation system.

Keywords integration of science， education and industry; knowledge graph; digital practice; mechanical majors

隨著工業(yè)4.0和智能制造的深入推進(jìn)，機(jī)械類專業(yè)作為工程教育的重要領(lǐng)域，其人才培養(yǎng)模式正面臨新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。一方面，產(chǎn)業(yè)升級(jí)對(duì)高等教育提出了更加嚴(yán)格的要求，要求畢業(yè)生不僅掌握扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，還需具備較強(qiáng)的實(shí)踐能力、創(chuàng)新思維和跨學(xué)科解決問(wèn)題的能力。另一方面，科教產(chǎn)深度融合的教育改革背景為高校提供了豐富的教學(xué)資源與合作契機(jī)，推動(dòng)了科教產(chǎn)協(xié)同育人模式的發(fā)展。目前，傳統(tǒng)機(jī)械類專業(yè)教學(xué)模式普遍存在理論教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)脫節(jié)、知識(shí)體系碎片化、實(shí)踐資源不足等問(wèn)題，難以滿足新興產(chǎn)業(yè)對(duì)高質(zhì)量應(yīng)用型人才的需求。

知識(shí)圖譜作為一種結(jié)構(gòu)化呈現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)及其關(guān)系的工具，具有直觀性和系統(tǒng)性的特點(diǎn)，可為教育教學(xué)提供一種全新的組織與表達(dá)方式。基于知識(shí)圖譜構(gòu)建數(shù)字化實(shí)踐平臺(tái)，可以將機(jī)械類專業(yè)的復(fù)雜知識(shí)點(diǎn)梳理為系統(tǒng)化的學(xué)習(xí)模塊，并結(jié)合企業(yè)實(shí)際案例和虛擬仿真實(shí)訓(xùn)，將理論教學(xué)、實(shí)踐操作和創(chuàng)新能力培養(yǎng)有機(jī)結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化、教學(xué)方式的數(shù)字化和教學(xué)成果的實(shí)用化。

齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）依托科教融合體制優(yōu)勢(shì)，結(jié)合機(jī)械類專業(yè)協(xié)同育人聯(lián)盟資源，近年來(lái)先后圍繞科教產(chǎn)深度融合背景下的專業(yè)認(rèn)證內(nèi)部評(píng)價(jià)機(jī)制[1]、協(xié)同育人教學(xué)體系[2]、機(jī)械類專業(yè)課程教學(xué)模式[3-4]和線上思政教學(xué)實(shí)施路徑 [5]等方面開(kāi)展了一系列的教學(xué)改革探索與實(shí)踐。此外，機(jī)械工程學(xué)院還基于知識(shí)圖譜構(gòu)建了機(jī)械類專業(yè)數(shù)字化實(shí)踐平臺(tái)，以企業(yè)真實(shí)工程案例為切入點(diǎn)，整合多元化教學(xué)資源，搭建虛擬仿真實(shí)訓(xùn)環(huán)境，形成了理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合的教學(xué)體系。本文主要探討平臺(tái)在機(jī)械類專業(yè)教學(xué)中的構(gòu)建成效，并針對(duì)存在的問(wèn)題提出改進(jìn)優(yōu)化措施，為推進(jìn)科教產(chǎn)融合背景下的機(jī)械類專業(yè)教學(xué)改革提供參考。

1" 基于知識(shí)圖譜的數(shù)字化實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)與實(shí)踐

1.1" 知識(shí)圖譜模塊的構(gòu)建與應(yīng)用

知識(shí)圖譜模塊是機(jī)械類專業(yè)數(shù)字化實(shí)踐平臺(tái)的核心組成部分，旨在通過(guò)系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化的方式梳理專業(yè)知識(shí)點(diǎn)，將抽象的理論知識(shí)直觀化、網(wǎng)絡(luò)化，以實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)復(fù)雜知識(shí)體系的全面掌握。知識(shí)圖譜的設(shè)計(jì)遵循“分層級(jí)、強(qiáng)關(guān)聯(lián)”的原則，構(gòu)建以專業(yè)課程為主線、實(shí)際工程案例為支撐的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，依據(jù)機(jī)械類專業(yè)課程大綱及行業(yè)核心技術(shù)需求，將知識(shí)點(diǎn)按照基礎(chǔ)理論、專業(yè)技能和綜合應(yīng)用三個(gè)層次進(jìn)行分類。例如，在“液體裝料機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”案例中，知識(shí)圖譜的一級(jí)節(jié)點(diǎn)包括設(shè)備概述、結(jié)構(gòu)原理、關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、三維建模方法等內(nèi)容；二級(jí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步細(xì)化為彈簧閥門設(shè)計(jì)、滑道式瓶子升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、定量灌裝機(jī)構(gòu)等具體模塊。各節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)邏輯線條建立關(guān)聯(lián)，清晰呈現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)之間的依賴關(guān)系與相互聯(lián)系。

為增強(qiáng)學(xué)習(xí)資源的豐富性和針對(duì)性，知識(shí)圖譜支持專業(yè)文檔、視頻教程、交互動(dòng)畫、案例數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)軟件的使用手冊(cè)等多種類型資源的嵌入。以“葉片泵的工作原理”為例，圖譜節(jié)點(diǎn)中嵌入了泵的三維結(jié)構(gòu)模型、運(yùn)行原理動(dòng)畫、典型故障案例分析等學(xué)習(xí)資源，幫助學(xué)生在可視化場(chǎng)景中加深理解。此外，知識(shí)圖譜模塊提供動(dòng)態(tài)編輯和版本管理功能，教師可以根據(jù)課程調(diào)整或行業(yè)動(dòng)態(tài)需求靈活更新知識(shí)點(diǎn)結(jié)構(gòu)和內(nèi)容，確保其與時(shí)俱進(jìn)。此外，知識(shí)圖譜模塊也是任務(wù)驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)模塊的基礎(chǔ)。

1.2" 任務(wù)驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)的設(shè)計(jì)與實(shí)施

任務(wù)驅(qū)動(dòng)模塊由教師創(chuàng)建具體學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生通過(guò)平臺(tái)選擇具體的知識(shí)圖譜任務(wù)，根據(jù)學(xué)習(xí)需求快速跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)開(kāi)展學(xué)習(xí)，形成“目標(biāo)導(dǎo)向―任務(wù)完成―反饋改進(jìn)”的閉環(huán)教學(xué)流程。在任務(wù)設(shè)計(jì)上，教師根據(jù)知識(shí)圖譜的內(nèi)容和案例實(shí)際需求制定任務(wù)，并明確任務(wù)背景、操作要求、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及完成時(shí)限。任務(wù)內(nèi)容設(shè)計(jì)注重工程實(shí)際問(wèn)題的導(dǎo)入，以提升學(xué)生的實(shí)踐能力。例如，在“液體裝料機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”任務(wù)中，學(xué)生需根據(jù)知識(shí)圖譜中的彈簧閥門設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)，完成關(guān)鍵零部件的三維建模任務(wù)，并分析其裝配后的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。

任務(wù)完成后，學(xué)生通過(guò)平臺(tái)提交文檔、模型文件、仿真視頻等任務(wù)成果，教師可以在線查看并進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)體系以“四級(jí)評(píng)分+文本反饋”為核心，包括“優(yōu)秀”“良好”“及格”“較差”四個(gè)等級(jí)，同時(shí)教師可以通過(guò)文字形式詳細(xì)指出任務(wù)完成情況的亮點(diǎn)與不足，幫助學(xué)生明確改進(jìn)的方向。此模塊還具備任務(wù)提醒功能，確保學(xué)生按時(shí)完成任務(wù)，提高任務(wù)完成率。任務(wù)驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)將知識(shí)點(diǎn)與實(shí)際任務(wù)相結(jié)合，使學(xué)習(xí)過(guò)程更加目標(biāo)化和應(yīng)用化。學(xué)生不僅能夠理解知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，還能在完成任務(wù)的過(guò)程中提升綜合能力，包括分析問(wèn)題、設(shè)計(jì)解決方案和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力。

1.3" 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)模塊的開(kāi)發(fā)與實(shí)踐

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)模塊是平臺(tái)的實(shí)踐核心，其通過(guò)先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)和數(shù)字孿生技術(shù)，模擬企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)場(chǎng)景，為學(xué)生提供沉浸式的工程訓(xùn)練環(huán)境。相比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室訓(xùn)練，虛擬仿真實(shí)訓(xùn)在資源利用、訓(xùn)練場(chǎng)景拓展、操作安全性等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，成為培養(yǎng)機(jī)械類專業(yè)學(xué)生實(shí)踐能力的重要手段。虛擬仿真實(shí)訓(xùn)模塊的開(kāi)發(fā)基于真實(shí)工程案例，將實(shí)際生產(chǎn)工藝與設(shè)備運(yùn)行過(guò)程轉(zhuǎn)化為數(shù)字化虛擬場(chǎng)景。例如，在“葉片泵工作原理”的仿真實(shí)訓(xùn)中，學(xué)生可以通過(guò)虛擬場(chǎng)景詳細(xì)觀察設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)，模擬泵的裝配、運(yùn)行和維護(hù)過(guò)程。該模塊通過(guò)人機(jī)交互技術(shù)引導(dǎo)學(xué)生按照標(biāo)準(zhǔn)化操作流程進(jìn)行實(shí)踐，內(nèi)容涵蓋葉片泵的零部件組裝、系統(tǒng)調(diào)試、運(yùn)行性能分析以及故障診斷等全流程任務(wù)。在“液體裝料機(jī)”案例中，仿真實(shí)訓(xùn)還集成了動(dòng)態(tài)參數(shù)調(diào)節(jié)功能，學(xué)生可通過(guò)調(diào)整設(shè)備的裝料速度、液體流量等關(guān)鍵參數(shù)，觀察各參數(shù)對(duì)整體性能的影響，從而深入理解設(shè)備的設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用場(chǎng)景。

為了進(jìn)一步提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，仿真實(shí)訓(xùn)模塊還嵌入了智能化評(píng)估功能。系統(tǒng)能夠根據(jù)學(xué)生的操作規(guī)范性、任務(wù)完成度、結(jié)果正確性等進(jìn)行自動(dòng)評(píng)分，并生成詳細(xì)的評(píng)估報(bào)告，供學(xué)生和教師參考。學(xué)生可以通過(guò)評(píng)估結(jié)果明確自己的薄弱環(huán)節(jié)，有針對(duì)性地進(jìn)行后續(xù)學(xué)習(xí)與訓(xùn)練。通過(guò)虛擬場(chǎng)景的實(shí)時(shí)交互，學(xué)生能夠在零風(fēng)險(xiǎn)的環(huán)境下模擬實(shí)際工程操作，培養(yǎng)創(chuàng)新能力和實(shí)踐思維。結(jié)合知識(shí)圖譜和任務(wù)驅(qū)動(dòng)模塊，虛擬仿真實(shí)訓(xùn)為學(xué)生搭建了理論與實(shí)踐無(wú)縫銜接的學(xué)習(xí)橋梁，為機(jī)械類專業(yè)的教學(xué)改革和學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)提供了有力支持。

2" 數(shù)字化實(shí)踐平臺(tái)存在的問(wèn)題及改進(jìn)措施

2.1" 存在的主要問(wèn)題

盡管基于知識(shí)圖譜的機(jī)械類專業(yè)數(shù)字化實(shí)踐平臺(tái)已在教學(xué)實(shí)踐中取得一定成效，但在長(zhǎng)期使用和反饋過(guò)程中，仍然暴露出一些不足之處。首先，平臺(tái)的用戶界面設(shè)計(jì)和交互邏輯仍需優(yōu)化。目前知識(shí)圖譜的界面以節(jié)點(diǎn)和關(guān)聯(lián)線為主，缺乏直觀的導(dǎo)航設(shè)計(jì)和人性化的交互方式，導(dǎo)致部分學(xué)生在使用過(guò)程中感到學(xué)習(xí)路徑不夠清晰，操作體驗(yàn)不夠流暢。此外，知識(shí)圖譜節(jié)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)性雖然已基本建立，但多圖譜間的跳轉(zhuǎn)功能尚不完善，不利于學(xué)生對(duì)跨知識(shí)模塊的綜合性學(xué)習(xí)。

其次，平臺(tái)提供的知識(shí)圖譜案例數(shù)量和覆蓋范圍仍顯不足。現(xiàn)有的八個(gè)案例主要集中在幾個(gè)機(jī)械類專業(yè)核心領(lǐng)域，對(duì)于智能制造、工業(yè)機(jī)器人等新興領(lǐng)域和交叉學(xué)科缺乏系統(tǒng)的知識(shí)圖譜和案例支持，未能完全滿足學(xué)生多元化的學(xué)習(xí)需求。此外，由于企業(yè)與高校之間在數(shù)據(jù)共享和資源整合方面存在一定障礙，部分企業(yè)案例中的實(shí)際數(shù)據(jù)無(wú)法完整用于圖譜構(gòu)建和實(shí)踐平臺(tái)的訓(xùn)練，影響了案例的真實(shí)性和教學(xué)價(jià)值。

最后，平臺(tái)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的利用不夠充分，資源整合效果不佳。雖然平臺(tái)已嵌入部分教學(xué)資源，但尚未實(shí)現(xiàn)與MOOC課程、專業(yè)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)等主流開(kāi)放教育資源的深度對(duì)接，未能充分發(fā)揮外部資源在拓寬學(xué)生視野和提升學(xué)習(xí)效果方面的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，平臺(tái)在評(píng)價(jià)體系和數(shù)據(jù)分析功能上相對(duì)薄弱，學(xué)生學(xué)習(xí)行為和任務(wù)完成效果的分析報(bào)告不夠細(xì)致，難以為教師提供精確的教學(xué)改進(jìn)依據(jù)。

2.2" 改進(jìn)優(yōu)化措施

為進(jìn)一步提升平臺(tái)的實(shí)用性和教學(xué)效果，可從界面優(yōu)化、案例擴(kuò)展、資源整合、功能升級(jí)、評(píng)價(jià)體系改進(jìn)等方面對(duì)平臺(tái)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。首先，對(duì)平臺(tái)界面設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，提升用戶體驗(yàn)。通過(guò)引入星型圖譜導(dǎo)航模式和更為直觀的圖形化展示方式，使知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)性更加清晰。多圖譜之間實(shí)現(xiàn)自由跳轉(zhuǎn)功能，方便學(xué)生跨模塊學(xué)習(xí)。此外，引入自定義學(xué)習(xí)路徑的功能，讓學(xué)生根據(jù)個(gè)人學(xué)習(xí)需求設(shè)置學(xué)習(xí)順序，提升學(xué)習(xí)的靈活性和針對(duì)性。

在案例擴(kuò)展方面，后續(xù)加大對(duì)新興領(lǐng)域和交叉學(xué)科知識(shí)圖譜的開(kāi)發(fā)力度。同時(shí)，進(jìn)一步深化與企業(yè)的合作，通過(guò)簽訂數(shù)據(jù)使用協(xié)議或聯(lián)合開(kāi)發(fā)項(xiàng)目案例等方式，獲取更多真實(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)和典型案例，增強(qiáng)平臺(tái)內(nèi)容的真實(shí)性和前沿性。在資源整合方面，加強(qiáng)平臺(tái)與外部教育資源的對(duì)接，通過(guò)與MOOC平臺(tái)、專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)及企業(yè)培訓(xùn)資源的聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)資源的共享和互補(bǔ)，基于學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和行為數(shù)據(jù)，智能推薦適配的學(xué)習(xí)資源，幫助學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化學(xué)習(xí)。

在功能升級(jí)方面，通過(guò)引入大數(shù)據(jù)分析工具，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)行為、任務(wù)完成效果和測(cè)試結(jié)果進(jìn)行多維度分析，生成詳細(xì)的學(xué)習(xí)分析報(bào)告，涵蓋學(xué)生的知識(shí)掌握程度、任務(wù)完成質(zhì)量、操作習(xí)慣和學(xué)習(xí)效率等指標(biāo)，為教師的教學(xué)改進(jìn)提供可靠依據(jù)。同時(shí)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)過(guò)程的可視化展示功能，使學(xué)生能夠直觀了解自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度和知識(shí)掌握情況，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。將任務(wù)完成質(zhì)量、學(xué)習(xí)行為表現(xiàn)和虛擬仿真實(shí)訓(xùn)操作效果以量化評(píng)分和定性評(píng)價(jià)相結(jié)合的形式納入評(píng)價(jià)范圍。通過(guò)以上改進(jìn)措施以完善平臺(tái)功能，為推進(jìn)科教產(chǎn)深度融合背景下的高等教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供新的思路和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

3" 結(jié)語(yǔ)

齊魯工業(yè)大學(xué)基于知識(shí)圖譜構(gòu)建了機(jī)械類專業(yè)數(shù)字化實(shí)踐平臺(tái)，通過(guò)系統(tǒng)化知識(shí)圖譜構(gòu)建、任務(wù)驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)和虛擬仿真實(shí)訓(xùn)，實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐教學(xué)的深度融合，有效解決了傳統(tǒng)教學(xué)中知識(shí)碎片化和實(shí)踐環(huán)節(jié)不足的問(wèn)題，為機(jī)械類專業(yè)人才培養(yǎng)提供了新的模式和思路。此外，針對(duì)目前平臺(tái)運(yùn)行中存在的問(wèn)題，從優(yōu)化界面交互、擴(kuò)展案例內(nèi)容、加強(qiáng)資源整合與共享、提升智能化功能等角度提出了改進(jìn)措施，以便進(jìn)一步提高平臺(tái)的教學(xué)效能和適用性。

通信作者：杜勁

基金項(xiàng)目：2021年山東省本科教學(xué)改革研究重點(diǎn)項(xiàng)目“科教融合、產(chǎn)教融合與工程教育專業(yè)認(rèn)證多元驅(qū)動(dòng)‘三鏈’銜接的機(jī)械類專業(yè)人才培養(yǎng)體系構(gòu)建與實(shí)踐”（Z2021142）；2023年山東省本科教學(xué)改革研究面上項(xiàng)目“面向國(guó)家一流專業(yè)的《熱工與流體力學(xué)》課程思政示范課程建設(shè)研究與實(shí)踐”（M2023246）。

參考文獻(xiàn)

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