基于虛擬教研室平臺(tái)的有機(jī)化學(xué)課程知識(shí)圖譜建設(shè)探索

白偉，于麗梅，宋汪澤，趙軍龍，陳寧，姜翠玉，伍新燕，朱桂茹，陳樹峰，姚赟，盧然，翟怡0，張秀紅，劉迪，姜文鳳,＊

1 大連理工大學(xué)化學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116024

2 西北大學(xué)醫(yī)學(xué)院，西安 710069

3 北京化工大學(xué)化學(xué)學(xué)院，北京 100029

4 中國(guó)石油大學(xué)(華東)化學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266580

5 華東理工大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，上海 200237

6 中國(guó)海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266100

7 內(nèi)蒙古大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，呼和浩特 010021

8 云南大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院，昆明 650091

9 吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)春 130012

10 高等教育出版社，北京 100120

1 引言

知識(shí)圖譜(Knowledge Graph)是指一種結(jié)構(gòu)化的語(yǔ)義知識(shí)庫(kù)[1]，這一概念在2012年提出，是人工智能的重要分支技術(shù)。在知識(shí)圖譜中，“節(jié)點(diǎn)”表示知識(shí)單元、知識(shí)點(diǎn)等，用“關(guān)系”連接這些“節(jié)點(diǎn)”，進(jìn)而組成了圖網(wǎng)絡(luò)。課程知識(shí)圖譜屬于專業(yè)性領(lǐng)域知識(shí)圖譜，通過(guò)專業(yè)知識(shí)體系構(gòu)建，形成知識(shí)領(lǐng)域、知識(shí)單元、知識(shí)點(diǎn)的層級(jí)嵌套與網(wǎng)狀知識(shí)組織結(jié)構(gòu)，能夠?yàn)槿瞬排囵B(yǎng)和教學(xué)活動(dòng)提供全方位的支持[2]，是進(jìn)一步推進(jìn)教育數(shù)字化的重要抓手。

有機(jī)化學(xué)課程虛擬教研室由大連理工大學(xué)、天津大學(xué)、華東理工大學(xué)、華南理工大學(xué)、中南大學(xué)、中國(guó)海洋大學(xué)、北京化工大學(xué)、中國(guó)石油大學(xué)(華東)、南京理工大學(xué)、新疆大學(xué)、云南大學(xué)、內(nèi)蒙古大學(xué)、西北大學(xué)等高校和高等教育出版社組成(成員單位排名不分先后)，基本涵蓋中、東、西部各區(qū)域，于2022年初獲批教育部首批虛擬教研室建設(shè)試點(diǎn)[3]，現(xiàn)有來(lái)自33所高校的100余名有機(jī)化學(xué)一線教師成員。試點(diǎn)建設(shè)的主要任務(wù)包括創(chuàng)新教研形態(tài)、加強(qiáng)教學(xué)研究、共建優(yōu)質(zhì)資源、開展教師培訓(xùn)等，知識(shí)圖譜的建設(shè)是虛擬教研室的重要工作之一，依托釘釘平臺(tái)，成員協(xié)作探索建設(shè)有機(jī)化學(xué)課程知識(shí)圖譜。

2 有機(jī)化學(xué)課程知識(shí)圖譜的建設(shè)探索

2.1 “節(jié)點(diǎn)”——知識(shí)單元、知識(shí)點(diǎn)

有機(jī)化學(xué)是研究有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、制備和應(yīng)用，闡明有機(jī)化合物官能團(tuán)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間關(guān)系的一門自然科學(xué)類課程。作為化學(xué)學(xué)科的重要分支，有機(jī)化學(xué)一直是占據(jù)基礎(chǔ)學(xué)科中心地位的核心基礎(chǔ)課程之一，是高等學(xué)校應(yīng)用化學(xué)、制藥工程、化學(xué)工程與工藝、環(huán)境工程等相關(guān)專業(yè)的核心課程。基于大連理工大學(xué)有機(jī)化學(xué)教研室高占先主編的“十二五”普通高等教育本科國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材《有機(jī)化學(xué)(第三版)》[4]的知識(shí)體系，進(jìn)行知識(shí)單元、知識(shí)點(diǎn)的層級(jí)建設(shè)。教材中的章、節(jié)、目對(duì)應(yīng)的就是由知識(shí)單元到知識(shí)點(diǎn)的整體與部分的關(guān)系，例如，在第九章“醇、酚、醚”部分，每一類化合物都可以按照分類、結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)幾個(gè)部分進(jìn)行介紹，“物理性質(zhì)”作為知識(shí)單元又包含沸點(diǎn)、密度、光譜等知識(shí)點(diǎn)。較大或者較為重要的知識(shí)單元下可以包含次級(jí)知識(shí)單元，例如，“醇的化學(xué)性質(zhì)”包含羥基的取代反應(yīng)、脫水反應(yīng)等幾大類反應(yīng)，“脫水反應(yīng)”又具體分為“醇分子間脫水”“醇分子內(nèi)脫水”“頻哪醇的脫水及頻哪醇重排”等三個(gè)重要的知識(shí)點(diǎn)(圖1)。知識(shí)點(diǎn)是知識(shí)圖譜中的核心節(jié)點(diǎn)，后續(xù)的“關(guān)系”建設(shè)與資源綁定都是以它為中心。知識(shí)圖譜“節(jié)點(diǎn)”的建設(shè)有助于梳理知識(shí)層次，對(duì)于每一個(gè)部分的內(nèi)容有清楚的了解，可以作為教研室青年教師培訓(xùn)的一個(gè)環(huán)節(jié)。

圖1 有機(jī)化學(xué)知識(shí)圖譜的層級(jí)結(jié)構(gòu)

大連理工大學(xué)有機(jī)化學(xué)課程是首批國(guó)家精品課程、首批國(guó)家雙語(yǔ)示范課程、首批國(guó)家精品資源共享課程、首批國(guó)家級(jí)線上一流課程，有著豐富的課程資源。有機(jī)化學(xué)中、英文課程上線中國(guó)大學(xué)MOOC、學(xué)習(xí)強(qiáng)國(guó)等平臺(tái)，累計(jì)選課近17萬(wàn)人。虛擬教研室其他成員單位包括北京化工大學(xué)、中國(guó)石油大學(xué)(華東）、南京理工大學(xué)等校的有機(jī)化學(xué)一流課程都有各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。在知識(shí)圖譜的建設(shè)中，我們將線上課程的相關(guān)內(nèi)容(包括教學(xué)視頻、機(jī)理動(dòng)畫、例題解析、章節(jié)練習(xí)等)通過(guò)“描述”與知識(shí)單元、知識(shí)點(diǎn)等“節(jié)點(diǎn)”聯(lián)系起來(lái)，有助于教師備課、幫助學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中進(jìn)一步了解知識(shí)內(nèi)容。例如，將中國(guó)大學(xué)MOOC平臺(tái)“有機(jī)化學(xué)(下)”的教學(xué)視頻鏈接置入“醇的化學(xué)性質(zhì)”——“羥基的取代反應(yīng)”的描述中，直接點(diǎn)擊即可打開、進(jìn)行線上學(xué)習(xí)。后期，結(jié)合其他成員高校的優(yōu)質(zhì)線上資源，繼續(xù)對(duì)知識(shí)圖譜進(jìn)行充實(shí)、完善，優(yōu)中選優(yōu)。

2.2 “關(guān)系”——節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系

課程內(nèi)容的講授有先后順序，知識(shí)單元、知識(shí)點(diǎn)這些“節(jié)點(diǎn)”除了層級(jí)關(guān)系外，不同的知識(shí)單元、不同知識(shí)單元下的知識(shí)點(diǎn)之間也有關(guān)聯(lián)，經(jīng)過(guò)知識(shí)圖譜中“關(guān)聯(lián)”或“后序”的關(guān)系連接，“節(jié)點(diǎn)”間就形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將課程內(nèi)容前后緊密地聯(lián)系起來(lái)。

化學(xué)反應(yīng)是有機(jī)化學(xué)最重要的部分，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)可以完成不同官能團(tuán)化合物之間的轉(zhuǎn)化，因此化學(xué)反應(yīng)就成為了有機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)中連接前后知識(shí)單元、知識(shí)點(diǎn)的紐帶，在知識(shí)圖譜中呈現(xiàn)為“節(jié)點(diǎn)”與“節(jié)點(diǎn)”的“關(guān)系”(圖2)。例如，在“醇、酚、醚”部分，醇的分子間脫水反應(yīng)生成醚，而醚鍵斷裂會(huì)得到醇；醇的分子內(nèi)脫水反應(yīng)生成烯烴，而烯烴與水的加成反應(yīng)較難發(fā)生。這些關(guān)聯(lián)與區(qū)別是有機(jī)化學(xué)的重點(diǎn)、難點(diǎn)，在知識(shí)圖譜中可以清晰地展現(xiàn)出來(lái)，一目了然。知識(shí)圖譜能夠幫助學(xué)生在有機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)中熟悉這些“關(guān)系”，“節(jié)點(diǎn)”與“節(jié)點(diǎn)”不再是孤立的，而是變得可視化，對(duì)于知識(shí)的理解就會(huì)更加連貫、充分。教師備課過(guò)程中也可以充分掌握知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)，根據(jù)課程要求、授課對(duì)象等情況進(jìn)行授課內(nèi)容的準(zhǔn)備。

圖2 有機(jī)化學(xué)知識(shí)圖譜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

化合物的物理性質(zhì)、波譜特征是教學(xué)過(guò)程中不可缺少的，而這些內(nèi)容不論是化整為零地在各章節(jié)介紹，還是歸納在一起講解，效果上都會(huì)有所欠缺。將不同官能團(tuán)化合物的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)在知識(shí)圖譜中關(guān)聯(lián)起來(lái)，有助于學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中隨時(shí)地聯(lián)系比較、加強(qiáng)理解。

2.3 虛擬教研室教學(xué)資源的綁定

共建共享優(yōu)質(zhì)資源是有機(jī)化學(xué)課程虛擬教研室建設(shè)的一項(xiàng)重要工作，核心成員25人分三個(gè)小組開展教研工作，包括：有機(jī)化學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法研究組；課程思政案例建設(shè)與應(yīng)用研究組；教學(xué)大綱、教學(xué)設(shè)計(jì)案例等一流課程資源建設(shè)組。經(jīng)過(guò)一年多的共同努力，教研室資源庫(kù)中已有200多項(xiàng)教學(xué)資源，包括了教學(xué)課件、教學(xué)設(shè)計(jì)、好題分享、演示動(dòng)畫、課程思政案例及素材等(圖3)。知識(shí)圖譜框架建設(shè)完成后，將這些優(yōu)質(zhì)資源與知識(shí)“節(jié)點(diǎn)”一一綁定，并不斷補(bǔ)充、更新，使得知識(shí)圖譜能夠?yàn)橛袡C(jī)化學(xué)課程的教學(xué)活動(dòng)提供全方位的支持。

圖3 有機(jī)化學(xué)課程虛擬教研室教學(xué)資源

3 結(jié)語(yǔ)

知識(shí)圖譜的建設(shè)是虛擬教研室建設(shè)試點(diǎn)的重要組成，相對(duì)于以往的知識(shí)樹等層級(jí)結(jié)構(gòu)，知識(shí)圖譜更加地立體和綜合。依托虛擬教研室平臺(tái)建設(shè)知識(shí)圖譜的過(guò)程，可以整合各類資源，促進(jìn)成員們對(duì)教學(xué)內(nèi)容、方法進(jìn)行全方位的討論、研究，提高教師教學(xué)能力。將建設(shè)完成的知識(shí)圖譜融入課程教學(xué)中、移植到其他智慧教學(xué)軟件使用，可以為教師備課提供豐富的資料，為學(xué)生學(xué)習(xí)提供充足的資源。利用知識(shí)圖譜可以進(jìn)行更加精準(zhǔn)的學(xué)情分析，達(dá)到個(gè)性化的教學(xué)、自學(xué)目的，為人才培養(yǎng)和教學(xué)活動(dòng)提供支持、為專業(yè)建設(shè)和課程建設(shè)提供助力。