ChatGPT背景下基于知識圖譜理念的課程教學改革實踐

0 引言

隨著人工智能技術(shù)與高等教育的深度融合，基于知識圖譜理念的智慧教育應(yīng)運而生。知識圖譜是一種結(jié)構(gòu)化的知識表示方法，能夠清晰地展現(xiàn)知識之間的關(guān)聯(lián)和邏輯關(guān)系，為教學改革提供了新的思路。施江勇等[1提出基于知識圖譜構(gòu)建的新型課程教學資源建設(shè)方法，以知識樹和知識圖譜的建設(shè)為核心，以群體智慧和機器智能為驅(qū)動，完成教學資源的共建共享；劉鳳娟等[2]從動機激發(fā)、知識建構(gòu)、意志提升、能力增強四個維度出發(fā)，構(gòu)建基于知識圖譜的個性化學習“四位一體”協(xié)同支持機制，設(shè)計了基于知識圖譜的個性化學習系統(tǒng)原型；史宇坤等[3分析混合式學習模式的優(yōu)缺點，建議引入知識圖譜作為新的教學元素以引導和加強學生的自主學習，并構(gòu)建了基于知識圖譜的增強型混合式學習模式；尹建鑫等[4]在知識圖譜的指引下，重構(gòu)教學中存在的很多問題，包括課程內(nèi)容、先后修順序、課程間銜接等，為其他學科更新構(gòu)建知識體系與能力體系提供了思路；楊文霞等[5通過實踐教學發(fā)現(xiàn)，知識圖譜賦能智慧教育可以有效幫助學生制定學習方案和提升學習心智，教師可以通過提取學生的多維度過程化學習特征進行學習評價和教學調(diào)整，最終促進人才培養(yǎng)。綜上所述，知識圖譜應(yīng)用于教學已經(jīng)成為熱點。

數(shù)字電子技術(shù)課程作為高等院校電子信息工程專業(yè)的專業(yè)核心課程，工程實踐性比較強[。信息技術(shù)的發(fā)展，尤其是生成式人工智能工具ChatGPT的推出為以知識圖譜理念組織教學資源帶來了新機遇[7]，研究在應(yīng)用型高校該課程的教學中如何妥善把握人工智能技術(shù)與教育融合發(fā)展的方向和限度，基于知識圖譜理念改革教學模式和方法，促進教學相長，是一項具有重要意義的工作。

1用ChatGPT等智能工具輔助構(gòu)建知識圖譜

構(gòu)建課程的知識圖譜可以知識點為核心組織教學資源，如圖1所示。一方面，利用ChatGPT等智能工具可以挖掘知識點之間的關(guān)聯(lián)，在教師組織知識點與設(shè)計課程方面給予建議，重構(gòu)教師端各知識點知識圖譜，同時，教師也可以利用知識圖譜改善ChatGPT等智能工具生成內(nèi)容，提高教學效率與教學質(zhì)量；另一方面，ChatGPT等智能工具可以為學生提供有針對性的學習服務(wù)，幫助學生構(gòu)建個性化知識圖譜，使學習過程變得更加智能化和個性化。

1.1教師基于ChatGPT構(gòu)建知識點知識圖譜

教師基于知識圖譜開展教學，關(guān)鍵在以知識點為核心，借助ChatGPT等智能工具優(yōu)化教學內(nèi)容和教案、高效整合多樣化的教學資源等。具體包括以下內(nèi)容。

1）利用ChatGPT等智能工具挖掘知識點之間的關(guān)聯(lián)，將相關(guān)的知識點整合形成完整的知識體系。例如，輸入“‘最小項的性質(zhì)’相關(guān)的知識點有哪些？”，智能工具會生成最小項的定義、性質(zhì)、編號與表示、示例等內(nèi)容，其中示例會包含各種邏輯函數(shù)，從而將最小項的性質(zhì)這一知識點與邏輯函數(shù)等知識點關(guān)聯(lián)起來。

圖1用ChatGPT等智能工具輔助構(gòu)建知識圖譜

2）利用ChatGPT等智能工具快速檢索或生成相關(guān)的教學資源，如一流課程視頻、課件、教案、試題等，提高教學資源整合效率，這些教學資源為線上課程建設(shè)奠定了堅實基礎(chǔ)。

3）利用ChatGPT等智能工具的創(chuàng)意創(chuàng)新能力，生成與知識點相關(guān)的各種形式的教學資源，如可視化的電路圖和工程案例等，幫助學生更好地實現(xiàn)對知識點的理解和應(yīng)用。

4）借助ChatGPT等智能工具生成開放性問題、故事和游戲等，用于設(shè)計課堂互動環(huán)節(jié)，打破沉悶的課堂氛圍。

1.2學生基于ChatGPT構(gòu)建個性化知識圖譜

學生基于知識圖譜開展學習，可以利用ChatGPT等智能工具推薦與知識點相關(guān)的教學資源、提供交互式的學習體驗等，更好地理解和掌握知識點。具體包括以下內(nèi)容。

1）利用ChatGPT等智能工具推薦適合學生學情和興趣的個性化學習資源和路徑，幫助學生更好地理解和掌握知識點。例如，數(shù)字電子技術(shù)課程的時序邏輯電路知識點是難點，學生可以利用ChatGPT等智能工具推薦更多的相關(guān)案例，通過課外閱讀、趣味實驗、工程案例等深入學習這一知識點。

2）借助ChatGPT等智能工具的思維鏈能力，深度挖掘知識點的脈絡(luò)，引導學生漸進式地學習和思考。例如，遇到不會解決的難題，ChatGPT等智能工具會生成詳細的解題過程，幫助學生厘清知識點脈絡(luò)。

3）ChatGPT等智能工具可以為學生提供沉浸式學習體驗，如進行角色扮演、情境對話等，以增強學生的學習興趣和參與度。

4）使用ChatGPT等智能工具生成各類課程設(shè)計報告或小論文等，學生可以通過提出問題和發(fā)現(xiàn)文本中的偏差來激發(fā)批判性思維，同時探索不同的思路和角度。

綜上所述，利用ChatGPT等智能工具和知識圖譜技術(shù)，可以系統(tǒng)地整理和構(gòu)建數(shù)字電子技術(shù)課程的知識體系，包括基本概念、原理、電路設(shè)計、實驗技能等。知識圖譜能夠清晰地展示各個知識點之間的關(guān)聯(lián)和層次關(guān)系，幫助學生更好地理解和記憶;同時，結(jié)合知識圖譜，ChatGPT可以更加準確地理解學生的問題，為學生提供個性化的學習路徑，幫助學生解決學習過程中遇到的難題，提高學習效果。

2基于ChatGPT等智能工具和知識圖譜的教學改革

利用ChatGPT等智能工具和知識圖譜技術(shù)，圍繞數(shù)字電子技術(shù)課程目標，筆者設(shè)計了“一體三翼”的課程內(nèi)容體系：將數(shù)字電子技術(shù)基本理論和電路基本設(shè)計方法組成基礎(chǔ)知識翼，工程案例分析和設(shè)計組成應(yīng)用能力翼，新技術(shù)、新研究組成創(chuàng)新研究翼，“三翼”全程融入思政教育，實現(xiàn)知識、能力、素質(zhì)的有機融合。主要采用混合式教學模式、“三驅(qū)動”教學方法等，同時深入挖掘教學過程中的思政元素。

2.1混合式教學模式

基于ChatGPT等智能工具和知識圖譜的混合式教學模式通過整合不同教學資源與手段實現(xiàn)優(yōu)勢互補，為學生提供更加個性化、多樣化的學習體驗。

數(shù)字電子技術(shù)課程線上部分依托擁有海量資源的超星爾雅平臺，為了滿足學生自主學習、個性化學習、隨時隨地學習的需求，借助ChatGPT等智能工具完成課程線上教學平臺資源構(gòu)建，主要包括省一流MOOC視頻、實踐視頻、相關(guān)實驗案例和PPT等，針對每個知識點有相應(yīng)的測試題和擴充題庫，并且區(qū)分題目的難易程度，所有的教學資源形成知識圖譜。以線上教學平臺上的組合邏輯電路為例，其知識圖譜如圖2所示。學生能查看與學習教師發(fā)布的所有教學內(nèi)容，共享線上資源和教師授課資料，獲取知識圖譜，參與互動討論投票等。

該課程線下部分由“傳統(tǒng)課堂 + 超星爾雅”的形式構(gòu)成，結(jié)合線上資源，基于知識圖譜理念，采用“三驅(qū)動”教學方法，引入案例和工程項目，適時選用翻轉(zhuǎn)課堂，將實踐教學貫穿整個教學環(huán)節(jié)。為提高課堂授課效果和學習成效，線上教學平臺的建設(shè)以學生預習，隨堂測試，鞏固理論，學生自主獲取實驗技能、提高學習興趣、增強學習互動為主線；學生利用MOOC進行預習或鞏固，自主學習實踐視頻和獲取相關(guān)實驗案例，利用口袋實驗室和FPGA進行實驗驗證，通過課前預習、課后習題布置、主題討論等活動增強學習的互動性。圖3為線上線下混合式教學模式課堂功能模塊分配。

圖2組合邏輯電路的知識圖譜

將ChatGPT等智能工具和知識圖譜相結(jié)合應(yīng)用于混合式教學中，可以發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，實現(xiàn)以下教學目標。

1）提高教學互動性：ChatGPT等智能工具的實時交互功能使得教學更加生動有趣，能夠激發(fā)學生的學習興趣和參與度；知識圖譜的圖形化展示方式有助于學生更好地理解和掌握知識點。

2）實現(xiàn)個性化教學ChatGPT等智能工具的個性化輔導功能使得教學更加符合學生的個性化需求；知識圖譜的智能推薦功能則可以根據(jù)學生的學習情況和學習進度提供個性化的學習資源和學習路徑。

3）提升教學效果和學習體驗：通過整合ChatGPT等智能工具和知識圖譜的優(yōu)勢資源，混合式教學模式能夠為學生提供更加豐富、多元的學習體驗，也有助于提高教師的教學效果和學生的學習質(zhì)量。

2.2 “三驅(qū)動”教學方法

在數(shù)字電子技術(shù)教學中，為了培養(yǎng)學生的工程應(yīng)用能力，根據(jù)課程教學目標，圍繞教學內(nèi)容和教學資源，實施“三驅(qū)動”教學方法，即問題驅(qū)動、能力驅(qū)動和實踐驅(qū)動。在數(shù)字電子技術(shù)課程中，問題驅(qū)動、能力驅(qū)動和實踐驅(qū)動的教學方法可以相互結(jié)合，共同提升學生的學習效果，這種綜合應(yīng)用的方式能夠全面提升學生的綜合素質(zhì)和學習能力。

1）問題驅(qū)動：ChatGPT等智能工具可以根據(jù)課程內(nèi)容自動生成或引導出與知識點相關(guān)的問題，這些問題既可以是對基礎(chǔ)概念的理解，也可以是對復雜電路的分析。教師可以通過設(shè)置問題情境、提出問題，激發(fā)學生的學習興趣，也可以將工程問題引入教學內(nèi)容，激發(fā)學生的學習動力和潛能，進而探討工程問題的解決方法，培養(yǎng)學生分析問題的能力。

2）能力驅(qū)動：以解決工程問題的電路設(shè)計為重點進行分析和討論，通過設(shè)計能力訓練項目、實施項目教學來培養(yǎng)學生的各種能力。課后利用口袋實驗室完成電路的設(shè)計調(diào)試，提升學生的實踐水平。整個過程中可以借助ChatGPT等智能工具提出創(chuàng)新性想法和解決方案的建議，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和解決問題的能力。

3）實踐驅(qū)動：通過搭建實驗平臺、組織實踐活動加強學生的實踐操作能力和問題解決能力；以項目為驅(qū)動開展小組創(chuàng)新實驗，訓練學生解決實際問題的能力和團隊協(xié)作精神，ChatGPT等智能工具可以協(xié)助學生進行項目設(shè)計，并提供項目評估服務(wù)。以電子設(shè)計競賽、藍橋杯大賽（電子類）、挑戰(zhàn)杯競賽、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目和教師的科研項目等多元驅(qū)動開展創(chuàng)新實踐，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

在整個教學過程中，通過知識圖譜，學生可以更快地定位到問題所在的知識點；厘清數(shù)字電子技術(shù)課程與其他學科的關(guān)聯(lián)關(guān)系，拓展視野，培養(yǎng)跨學科思維和解決問題的能力；分析實踐案例中的知識點和邏輯關(guān)系，從而加深對實踐內(nèi)容的理解和掌握。

綜上所述，ChatGPT等智能工具和知識圖譜可為數(shù)字電子技術(shù)課程的“三驅(qū)動”教學提供必要的資源支持，它們相互補充、相互促進，共同提升課程教學質(zhì)量。

2.3思政元素的挖掘和融入

在數(shù)字電子技術(shù)課程中挖掘思政元素，并借助知識圖譜和ChatGPT等智能工具，實現(xiàn)教學內(nèi)容的豐富與深化，同時促進思政教育與專業(yè)知識教育的有機融合。

1）利用知識圖譜技術(shù)，將數(shù)字電子技術(shù)課程中的各個知識點與相關(guān)的思政元素（如科學精神、工匠精神、社會責任感、愛國情懷等）進行關(guān)聯(lián)，形成一張全面的知識網(wǎng)絡(luò)。這有助于教師清晰地看到哪些知識點可以融入哪些思政元素，從而在教學設(shè)計中實現(xiàn)無縫對接。通過知識圖譜，可以追溯數(shù)字電子技術(shù)發(fā)展歷程中的重要人物、事件和成果，挖掘它們背后的思政元素，如科學家的奮斗精神、團隊合作的重要性、科技創(chuàng)新對社會的貢獻等。例如：在講解布爾代數(shù)時，可以構(gòu)建以喬治·布爾和克勞德·香農(nóng)為核心的知識圖譜，展示他們的生平事跡、科學貢獻和背后的科學精神，激勵學生樹立遠大理想，刻苦鉆研；通過知識圖譜展示我國集成電路的發(fā)展歷程，增強學生的民族自豪感和愛國情懷，同時引導學生思考科技進步與社會發(fā)展的關(guān)系。

2）利用ChatGPT等智能工具的智能問答和生成能力，根據(jù)學生的學習特點和需求，生成個性化的思政教學案例和習題。例如，ChatGPT等智能工具可以根據(jù)學生的專業(yè)背景和學習進度，推薦與數(shù)字電子技術(shù)相關(guān)的思政閱讀材料或討論話題。利用ChatGPT的生成能力，開發(fā)基于情境模擬的思政教學案例。例如，設(shè)計一個關(guān)于數(shù)字電路設(shè)計的項目，其中融入團隊合作、創(chuàng)新思維、社會責任感等思政元素，讓學生在完成項目的過程中受到思政教育。

3）在教學過程中強調(diào)探究式學習方法，培養(yǎng)學生的邏輯思維，并結(jié)合超星爾雅平臺開展有效的多維互動。在學生小組展示環(huán)節(jié)，有效融入表達溝通能力和團結(jié)協(xié)作精神的培養(yǎng)；在課堂討論環(huán)節(jié)，適當設(shè)置懸念和疑問，培養(yǎng)學生的批判性思維。

2.4評價體系改革

構(gòu)建基于知識圖譜的智能評價系統(tǒng)，對學生的學習過程和成果進行全面評估。同時，利用ChatGPT等智能工具的即時反饋功能，為學生提供個性化的學習建議和改進方向。在考核與評價方式方面，遵循“理論和實踐相結(jié)合，提高學生參與度”的學習策略。課程總評成績 Σ=Σ 期末考試成績 ×60%+ 線上平時成績 ×30%+ 課堂表現(xiàn) ×10% 。其中，線上平時成績包括預習進度、知識點完成度、課后作業(yè)（包括書面作業(yè)和實踐作業(yè)）和測驗等；課堂表現(xiàn)主要是課堂平時成績，包括考勤、小組討論、回答問題等。

3結(jié)論

ChatGPT背景下基于知識圖譜理念的教學改革通過豐富教學資源、重構(gòu)知識體系、優(yōu)化教學模式和方法、挖掘思政元素、改革評價體系等手段，使數(shù)字電子技術(shù)課程基本實現(xiàn)了從理論灌輸?shù)焦こ虒嵺`能力提升、從單一知識點到形成知識網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、從人工評估到智能評估的改變，有效激發(fā)了學生自主、合作、探究學習的積極性。依托豐富多樣的教學資源和教學方法，營造了良好的課堂氛圍，學生課堂滿意度超過 90% ，專業(yè)學生近兩年在省級以上電子類學科競賽中獲獎超20人次。ChatGPT背景下基于知識圖譜理念的數(shù)字電子技術(shù)課程教學改革具有重要的實踐意義和應(yīng)用價值，通過不斷探索和實踐，有望為理工科課程教學改革提供新的路徑和啟示。

4參考文獻

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