知識圖譜賦能機械設計基礎課程混合式教學模式改革的探索

摘 要：隨著教育數(shù)字化轉型的深入推進，傳統(tǒng)教學模式已難以適應現(xiàn)代教育需求。文章以機械設計基礎課程為例，探究知識圖譜在混合式教學模式改革中的應用實踐。借助智慧樹知識圖譜技術全面構建課程可視化知識圖譜，賦能課程教學模式創(chuàng)新、學生個性化學習路徑規(guī)劃和教師高效精準教學實施，為課程的教學改革提供了知識基礎和實踐參考。

關鍵詞：知識圖譜 機械設計基礎 混合式教學模式

2022年，教育部全面實施教育數(shù)字化戰(zhàn)略行動。黨的二十大將“推進教育數(shù)字化”寫入報告。應深入實施國家教育數(shù)字化戰(zhàn)略，擴大優(yōu)質教育資源受益面，更好地服務于立德樹人為根本任務。數(shù)字教育將推動教育理念、方法和模式的系統(tǒng)性變革，重塑學校教學形態(tài)，賦能學習者更好應對未來挑戰(zhàn)、更好包容社會發(fā)展。

在國家實施教育數(shù)字化轉型的背景下，教育資源的數(shù)字化和智能化已成為教育改革的重要方向。隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等技術引入教育領域，課程教學正逐步從傳統(tǒng)的單向知識傳授向個性化、智能化的模式轉變。然而，面對海量的教學資源和復雜的學習需求，如何高效地組織和利用資源，提升學生的學習效率，成為課程教學模式改革的重要議題。課程知識圖譜為這一問題提供了新的解決思路。知識圖譜是一種用于描述和組織知識的圖形化表示形式，可以構建視覺化、形象化的知識框架[1]。通過構建知識間的語義網(wǎng)絡，不僅能夠清晰地展示知識體系的內在聯(lián)系，還能為學習者提供個性化的學習路徑推薦，也能為教師提供精準的教學支持。吳安杰等利用知識圖譜優(yōu)勢在橋梁工程課程中構建了清晰的知識體系，促進師生數(shù)字化素養(yǎng)提升和學生個性化學習，并為后續(xù)改革實踐提出方向[2]。王輝等基于知識圖譜進行自動控制理論課程知識體系構建、知識點關聯(lián)與拓展、互動式學習平臺開發(fā)以及實踐教學環(huán)節(jié)設計，有效提升學生創(chuàng)新能力和課程教學效果[3]。謝幼如等利用知識圖譜在高校課程“教-學-評”一體化中的賦能作用，通過構建語義網(wǎng)絡，實現(xiàn)了知識體系的系統(tǒng)梳理，為師生提供了教和學的有力工具[4]。

文章以華北水利水電大學機械學院機械設計基礎課程為例，剖析傳統(tǒng)教學模式的不足，積極探索知識圖譜賦能課程混合式教學模式的實施辦法，構建可視化知識體系，豐富教學資源，優(yōu)化教學設計，促進學生個性化學習和教師精準化教學，激發(fā)學生參與課堂的積極性，實現(xiàn)知識、能力、素質和價值觀的全面協(xié)調發(fā)展。探索知識圖譜在該課程混合式教學模式中的應用，對推動教學質量的進一步提升具有重要意義。

1 機械設計基礎課程教學現(xiàn)狀

1.1 課程簡介

機械設計基礎作為華北水利水電大學機械學院車輛工程專業(yè)的核心專業(yè)基礎課程，具有培養(yǎng)學生專業(yè)理論素養(yǎng)與工程實踐綜合能力的重要作用。教學內容涵蓋機械原理和機械設計核心知識模塊，主要講授常用機構和通用零件的工作原理、結構特點、基本設計理論和計算方法[5]。

1.2 教學現(xiàn)狀

目前，該課程為56＋8學時（理論＋實驗），主要開設于大三上學期。課程是從理論性、邏輯性強的基礎課向實踐性、綜合性強的專業(yè)課過渡的重要橋梁，概念多，公式多，與工程實際聯(lián)系緊密，不僅要求學生在數(shù)理邏輯、分析計算和形體構思等方面具有扎實的基礎，還需要學生具備較強的自主學習和實踐能力。

傳統(tǒng)教學模式多以教師傳授為主，統(tǒng)一的教學進度缺乏針對性的學習路徑指導，難以適應學生的需求差異。目前課程的主要教學過程是分章講授各種常用機構和通用零部件的基本原理及設計方法，章節(jié)之間的聯(lián)系性不強[6]，課程知識點呈現(xiàn)碎片化特征，缺乏系統(tǒng)整合，導致學生難以建立完整的知識框架，不能形成對復雜機械的系統(tǒng)認知。例如，傳統(tǒng)教學中滾動軸承和連接螺栓在不同章節(jié)分開講授，而在大型工程機械、風力發(fā)電機中廣泛應用的轉盤軸承里，連接螺栓固定軸承內外圈，其性能對軸承的壽命和穩(wěn)定性起到重要作用。而學生由于知識點斷聯(lián)，整體概念不足，難以考慮到復雜機械內各零部件間的相互影響。不僅如此，由于學時少而內容多，課堂上主要講授基礎理論知識，缺少理論與工程實際問題的關聯(lián)，教學內容更新滯后，數(shù)字化資源建設不足，教學方法單一，難以滿足學生個性化學習需求。我國工程機械、交通運輸、智能制造等領域的快速發(fā)展，急需一大批能夠解決實際問題的卓越工程師。所以，針對該課程傳統(tǒng)教學的局限，團隊系統(tǒng)整合課程核心知識點，強化各章節(jié)眾多知識點間內在聯(lián)系，同時開發(fā)數(shù)字化資源，加強理論與實踐結合，緊跟技術前沿動態(tài)，持續(xù)更新教學內容，創(chuàng)新教學模式，全面提升學生的工程實踐能力與創(chuàng)新思維，為培養(yǎng)緊密貼合機械行業(yè)需求、具備卓越才能的工程師奠定基礎。

2 機械設計基礎知識圖譜的構建

為改變課程“滿堂灌”傳統(tǒng)模式，探索信息技術與該課程深度融合的改革路徑，該課程基于智慧樹在線教育平臺構建課程知識圖譜，為教學模式改革提供知識基礎和技術支撐。

2.1 建設目標

該課程知識圖譜通過課程內容與智能AI技術的結合，構建層次分明、邏輯清晰的知識體系，將課程中眾多概念、原理、方法等元素及其相互關系進行圖形化、網(wǎng)絡化呈現(xiàn)，幫助學生建立課程完整的知識框架，并揭示知識點之間的內在聯(lián)系，促進知識的遷移和應用，為智能推薦、個性化學習等應用提供知識基礎。以知識圖譜為核心引擎，整合能力培養(yǎng)、問題引導、知識邏輯和資源支持，結合AI技術的實時互動和個性化服務，幫助教師優(yōu)化教學過程，提升學生學習效率，打造出創(chuàng)新高效的智慧教學模式。

2.2 建設過程

2.2.1 明確課程培養(yǎng)目標

基于車輛工程專業(yè)畢業(yè)要求和人才培養(yǎng)要求，以學生發(fā)展為中心，基于OBE理念完善課程教學大綱，明確課程培養(yǎng)目標。課程要求學生掌握機構和零部件的結構、原理、特點和設計方法，具有解決一般實際工程問題的能力，并能在分析和設計的過程中體現(xiàn)創(chuàng)新意識。

2.2.2 提取課程知識點

知識元素提取是知識圖譜構建的基礎環(huán)節(jié)，課程團隊根據(jù)教學大綱，模塊化課程內容，逐章逐節(jié)梳理細化課程知識點，明確每個知識點的教學目標和內容，通過教師自建、匯總、團隊討論、專家審核，確定覆蓋全課程的核心知識點。該課程所使用的教材內容包括緒論和14個主要章節(jié)，按照邏輯關系劃分為3個知識模塊，分別是平面機構的一般共性問題、常用機構的基本知識和機械零件設計，并確定131個知識點，建立課程的知識體系。

2.2.3 確定知識點屬性和關系

確定知識點屬性和關系是構建知識圖譜至關重要的一環(huán)。知識點可分類并以加標簽的形式進行標注，主要包括概念性、程序性、事實性和元認知四類知識，可標注重點、難點、考點、概述、練習、案例等標簽，若知識點蘊含思政元素，則為其添加“思政點”標簽。根據(jù)每個知識點的目標和內容確定其屬性，并基于教師積累對知識點間的邏輯關系進行關聯(lián)，如屬種、遞進、共生等。這樣不僅幫助學生理解知識點的基本概念，更有助于他們明確知識點之間邏輯關系和層級關系，形成系統(tǒng)的知識體系。學生可以沿著清晰的步驟循序漸進地學習各層級的知識，避免在傳統(tǒng)學習中常會出現(xiàn)的迷茫和混亂，從而提高學習效率。

2.2.4 生成知識圖譜

基于知識圖譜模板將各級知識點和屬性標簽、知識點間關聯(lián)關系等內容導入知識圖譜模塊，實現(xiàn)課程知識脈絡的可視化。確定課程能力體系和問題體系，將課程能力培養(yǎng)目標、實際問題與知識點相結合，明確從能力到問題、問題到知識點的培養(yǎng)路徑。通過這種體系層級設置，教師可以定性考量學生能力達成情況，引導學生在解決實際問題的過程中達到多知識點的融會貫通，強化從能力到知識點的邏輯聯(lián)系。

2.2.5 豐富教學資源庫

基于課程前期積累，結合網(wǎng)絡資源和AI技術，將課程微課視頻、多媒體課件、優(yōu)質網(wǎng)絡視頻、作業(yè)、習題、測試、拓展項目、科技文獻等課程資源掛載于相關知識點，利用AI推薦資源功能，快速補充課程外延資源，擴大學生知識面。這樣有效整合課程知識資源，使學生學習更有針對性，提高學習效率。

要堅持不懈用習近平新時代中國特色社會主義思想鑄魂育人，注重運用新時代偉大變革成功案例，充分發(fā)揮紅色資源育人功能。該課程深入挖掘相關領域思政元素，探索與課程教學切入點，結合線上優(yōu)質共享資源，如央視“大國重器”“大國工匠”等紀錄片，關聯(lián)相關知識點，建設兼具系統(tǒng)性、針對性、多樣性的課程思政資源庫，將愛國情操、社會主義核心價值觀、工匠精神、家國情懷和社會責任等元素與教學內容隱性結合，使學生刻苦鉆研專業(yè)知識、熱愛機械行業(yè)的同時，擁有一顆熱烈的愛國之心，樹立為實現(xiàn)社會主義現(xiàn)代化奮斗終身的遠大理想并努力實踐。例如，知識點“機械設計基本過程”關聯(lián)的思政內容，是1956年新中國第一輛汽車——解放牌載貨汽車成功下線，結束了中國不能生產(chǎn)汽車的歷史，這一偉大成就，是無數(shù)機械設計者和制造者自力更生、艱苦奮斗的結果，體現(xiàn)了機械工程師的社會責任感和歷史使命感。該課程初步賦予15個思政點共近50個思政資源，在后續(xù)教學迭代中根據(jù)教學反饋，會對資源庫進行持續(xù)的優(yōu)化和更新，挖掘時代元素、中國元素、河南元素、身邊元素并及時融入課程，形成具有本專業(yè)特色的思政教學過程，實現(xiàn)課程的德育功能。

3 知識圖譜賦能課程教學實踐

該課程將信息技術、數(shù)字教學資源和教學實施過程有機融合，探索知識圖譜賦能“以學生為中心”的混合教學模式的方法，將課程眾多理論知識轉變成系統(tǒng)清晰的可視化知識脈絡，激發(fā)學生學習興趣，根據(jù)教學反饋和科技前沿及時更新教學內容，有效提升課程活力。

3.1 線上線下混合式教學

課程基于線上線下學習優(yōu)勢，立足“課前-課中-課后”三階段，實施“自學-自測-串講-后測-拓展”五步驟，有效利用知識圖譜線上學習，線下進行知識點串講和深入拓展，完善BOPPPS的混合模式，實現(xiàn)教學相長的良性循環(huán)。課前教師發(fā)布導學單，明確知識點及關聯(lián)的學習資源，包括課件、微視頻、課前測、思政內容等。課堂上，教師可利用知識圖譜進行知識點的串聯(lián)和深入拓展，幫助學生構建完整豐富的知識體系，還可展示知識圖譜，引導學生對知識點進行深入的討論和交流。學生可以通過知識圖譜的指引，提出自己在預習中遇到的問題和困惑，促進課堂互動。課后學生再次瀏覽知識圖譜，鞏固課程所學和各知識點間的邏輯關系，有針對性地選擇學習資源。

3.2 學生個性化學習

知識圖譜是支持學生個性化學習的有力工具。收集學生的學習基礎、學習進度和學習行為的數(shù)據(jù)進行學習者畫像，據(jù)此可通過知識點間的關聯(lián)為其推薦個性化的學習路徑和資源；根據(jù)學生的學習進度和反饋，動態(tài)調整學習路徑和資源，確保學生的學習過程始終“與時俱進”，最大限度地提升學習效率。例如，對基礎薄弱的學生，可以推薦其先學習基礎知識點，再逐步學習進階知識點；對學有余力的學生，可向其推薦拓展知識，鼓勵深度學習。學習路徑、學習情況可視化，幫助學生精準掌握學習進度和薄弱環(huán)節(jié)，及時調整學習策略，最大化滿足個性化學習需求。

3.3 教師精準高效教學

知識圖譜能夠詳細記錄學生對知識點的學習進度與掌握程度，便于教師與學生精準定位薄弱點，從而進行有針對性的輔導和強化訓練，實現(xiàn)教師的“精準教”和學生的“精準學”[7]。知識圖譜通過整合各種優(yōu)質資源為教師提供豐富的教學材料，教師可快速查找和定位所需的教學資源，提高備課效率和質量。知識圖譜還結合AI技術賦能教學升級，AI課堂助手幫助教師在課堂中快捷引用知識圖譜，提升教學效率；AI助教包含AI推薦資源、AI問答、AI出題等功能，教師能快速補充課程外延資源，通過實時在線問答為教師和學生答疑解惑，還能根據(jù)知識點智能生成測評題目，精準評估教學效果。

4 總結

課程團隊基于專業(yè)培養(yǎng)方案、教學目標和課程特點，細致梳理課程知識點，初步建成課程知識圖譜，不僅涵蓋課程核心內容，還有機融入機械領域最新發(fā)展、工程實際案例和課程思政元素，為課程混合式教學模式改革奠定了堅實的基礎，也為學生個性化學習和教師高效精準教學提供有力的支持。實現(xiàn)了教學內容的針對性推送、學習路徑的智能規(guī)劃以及學習成效的即時反饋，有效解決了傳統(tǒng)教學模式中知識碎片化、形式單一及互動性差等問題，極大地提升了學生的學習興趣與參與度。知識圖譜在機械設計基礎課程的改革實踐中取得了初步成效，但仍面臨數(shù)據(jù)資源需快速更新維護、學生自主學習能力差異、信息技術融合深度等挑戰(zhàn)。未來，應不斷深化知識圖譜與人工智能技術的融合，進一步優(yōu)化教學策略，推動該課程的持續(xù)創(chuàng)新與發(fā)展。

基金項目：2024年度河南省高等教育教學改革研究與實踐項目“教育數(shù)字化轉型背景下機械設計基礎混合式教學模式的建設研究與實踐”（項目編號：2024SJGLX0341）；華北水利水電大學2024年教育教學研究與改革項目本科高等教育類青年項目“工匠精神下思政元素融入機械類課程教學改革創(chuàng)新研究”（項目編號：2024XJGXM111）；河南省研究性教學改革研究與實踐項目“數(shù)智驅動背景下研究性教學模式創(chuàng)新研究”；教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目“新工科背景下《工程制圖》課程體系及教學方法改革研究”（項目編號：231106298293652）。

參考文獻：

[1]趙萬祥，李滔，劉強，等.以活動為導向的有機化學知識圖譜構建與實踐[J].化學教育（中英文），2024，45（4）：113-120.

[2]吳安杰，武藝.基于知識圖譜的橋梁工程課程教學改革探討——以貴州理工學院為例[J].教育觀察，2024，12（30）：40-43.

[3]王輝，綦志剛，張昊.基于知識圖譜的自動控制理論新形態(tài)課程研究與實踐[J].黑龍江教育（高教研究與評估），2025（2）：67-70.

[4]謝幼如，陸怡，彭志揚，等.知識圖譜賦能高校課程“教-學-評”一體化的探究[J].中國電化教育，2024（12）：1-7.

[5]楊可楨，程光蘊，李仲生，等.機械設計基礎（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2020.

[6]鄭靜，龍湘云，武素珍.面向新工科人才培養(yǎng)的機械設計基礎課程教學改革[J].高教學刊，2023（5）：117-120.

[7]劉玉玲，連凱琪，張元臣，等.知識圖譜構建賦能課程教學數(shù)字化[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2024（12）：157-159.