工程認證背景下程序設計基礎課程混合式教學中知識圖譜的應用探析

關鍵詞：工程認證；混合式教學；知識圖譜；C程序設計

0 引言

工程認證要求工科類學生畢業時達到國際行業內認定的教育培養標準[1]，這需要對工科課程的教學內容和教學方式進行不斷的創新和優化。2018年，教育部正式發布《教育信息化2.0行動計劃》，為未來信息化教學發展奠定了總基調[2]。混合式教學作為一種新型的信息化教學模式[3-4]，通過整合線上線下教學和資源，為學生提供了更多的學習途徑，幫助他們更好地掌握學科知識和技能。混合式教學與工程教育認證之間存在緊密的聯系。兩者都強調以學生為中心的教育理念。工程教育認證強調工科專業人才培養質量，混合式教學以學生的需求和發展為核心，注重學生的主動性、創造性和實踐能力的培養。在工科課程中采用混合式教學能更好地培養具備工程能力和工程素質的學生，為工程認證提供有力的支持。

1 混合式教學下程序設計基礎課程的課程目標

程序設計基礎作為計算機學科的核心課程，該課程涉及基礎語法、程序結構、程序設計，編碼調試、工程倫理等大量知識點，為后續數據結構、算法設計等相關專業課程的學習提供了應用編程語言進行程序設計的必要知識和技能，在專業培養目標中占有重要的地位。該課程目標是強化學生對程序設計基礎理論知識的學習和對知識的應用能力，培養學生的創新思維和實踐能力。為了適應信息化教學的發展趨勢，達到工程認證的要求，采用線上線下混合式教學是必然的發展趨勢。

課程的知識目標：學生能夠列舉程序設計的基本概念；描述C程序三種程序結構的不同特點；繪制程序的流程圖。

課程的能力目標：學生能夠總結歸納結構化編程的基本方法和編程技巧；熟練運用編譯軟件進行程序的編碼和調試；具有獨立設計程序特定模塊的實踐能力；展現出溝通交流能力和團隊合作能力。

課程的價值目標：學生能夠具備人文素養、工程知識素養，社會責任感，形成正確的軟件工程倫理觀，展現科技報國的態度，塑造大國工匠精神。

2 混合式教學存在問題

程序設計基礎課程采用混合式教學，充分結合了傳統面授教學和網絡教學的優勢，打破時間和空間對課堂的限制，為學生的自主學習和拓展學習提供了條件，在一定程度上提升了學生的實踐能力和解決問題的能力，但與此同時，在混合式教學的實施過程中，出現了一些值得注意的問題，這些問題可能影響到教學的質量和效果。

1） 線上線下教學融合難度大。混合式教學要求將線上教學與線下教學有機結合起來，需要精心設計課程教學流程。由于線上內容教學目標設置不清晰，造成線上和線下的教學內容可能出現重復或關聯性不強的情況，學生學習后，不能構建出該課程完整的知識體系，影響教學效果。

2） 課程設計和資源整合問題。為了克服混合式教學所帶來的空間、知識的離散效應[5]，混合式教學需要合理整合線上和線下的教學資源。然而由于課程設計不合理、線上資源的設置通常是以章為單位來設置，強調知識之間的線性關系，沒有考慮知識之間的內在聯系，學生難以從大量的學習資料中找到真正需要的內容，影響學生的學習效果，不能滿足不同學生的個性化學習需求。

3） 評價反饋機制不健全。混合式教學需要建立完善的評價和反饋機制，掌握學生的學習情況，解決學生學習難題。由于反饋不及時，無法準確了解學生的學習動態，教師不能及時調整教學策略，造成教學效果不佳。

3 程序設計基礎課程知識圖譜的應用

近年來，知識圖譜在教育領域的應用備受關注，其強大的語義關聯和邏輯推理能力為課程改革提供了新的思路。在程序設計基礎課程建設中，采用混合式教學與知識圖譜相結合的方式，可以幫助教師更好地組織和呈現知識，使學生能夠形成完整的課程知識體系。通過教師的引導，激發學生的主動性和創造性，為學生提供更加精準的學習路徑，為學生專業課程學習提供多樣化、個性化的學習體驗。

3.1 課程知識圖譜的構建

本課程的知識圖譜構建從課程、模塊、知識單元、知識點四個層次出發，采用自頂向下的方式分五步構建課程的知識圖譜，如圖1所示。

1） 數據獲取。在構建知識圖譜前，需要對本課程涉及的知識點進行梳理。圍繞專業培養，立足課程目標，從本課程的教學大綱、教材、百度百科中提取課程知識點。本課程知識圖譜的構造使用學習通課程平臺中的知識圖譜。通過“智能導入”導入了課程的教學大綱、導入了程序設計基礎《C語言程序設計問題解答和實例解析方法》教材，通過模板導入了百度百科中的課程術語詞條，共獲取相關知識點1 036個。通過分析發現在獲取到的數據中存在大量的冗余數據和無效數據，并且提取到的數據信息過短，不能完整表達知識點的信息。

2） 知識抽取。通過以上方式導入的數據多數是從教材目錄出發，按照“章-節-知識點”的層級結構進行組織知識點，造成知識點提取過多和重復提取的情況發生。為了合理組織知識點。本課程的知識圖譜按照“課程-模塊-知識單元-知識點”的層級結構組織知識點，如圖2所示。這種結構有助于學生更好地理解課程的整體框架和知識點之間的邏輯關系，便于學生將知識點更好地組織起來。

本課程共劃分了“C語言基礎”“設計結構”“高級應用”三個模塊，每個模塊聚焦一個相對獨立又與整體課程緊密相連的主題，確保知識點之間的連貫性和完整性。在模塊內部進一步梳理具體的知識點，能更好地提取出模塊的核心內容和關鍵知識點。通過對提取到的知識點的增、刪、改等操作，以及對其層級的調整，本課程知識圖譜中共創建了127個知識點。

對確定好的知識點進一步對其屬性進行設置。按照布魯姆教育目標分類法為知識點設置“記憶”“理解”“應用”“分析”“評價”“創造”等6種認知維度。按照知識點的難易程度和思政元素，為其添加“重點”“難點”“考點”“思政知識點”等標簽。同時每個知識點的教學目標也進行了詳細描述，這樣有效地把教學目標，學生工程能力培養、課程思政融入知識點中。

3） 關系描述。按模塊確定好課程的知識點后，知識點之間已經具備了初步的層級結構。如圖3所示。還需要進一步通過關系設置確定知識點之間的內在聯系和相互依賴關系，本課程知識點之間設置了“前置”“后置”“關聯”三種關系。如在“while語句”這個知識點，設置了前置知識點“表達式”，只有在掌握“表達式”的使用后，才能理解“while語句”的執行過程，寫出正確的“while語句”。“while語句”的后置知識點為“循環嵌套”。“while語句”的關聯知識點為“空語句”“死循環”“轉移語句”，這些知識點之間存在密切的關聯性，只有通過完整地學習以上知識點才能形成完成的有關“while語句”的知識網絡。

4） 資源掛接。課程的知識圖譜構建完成后如圖4 所示，該圖譜包括概念、原理、應用等多個維度，形成一個相互關聯、層次分明的有關C語言程序設計的知識網絡。為了進一步為學生提供更為便捷和高效的學習體驗。立足工程認證和畢業要求，將優質學習資源與知識圖譜中的實體進行深度整合。在知識點上可以掛接相關的微課視頻、課件、題庫、課程資料、試題、思政資料等。有效組合信息化資源，學生通過知識圖譜學習，不僅可以了解實體和關系，還可以直接訪問相關的學習資源，進一步深入學習和探索。同時在資源掛接上，為了開闊學生的科學視野，進一步提升課程內容的高階性，有選擇性地設置了前沿技術資料和ACM競賽題目，以滿足不同學生的學習需求。

5） 持續優化。為了確保知識圖譜的準確性、完整性和時效性，需要對知識圖譜持續優化。不斷收集有關行業的最新信息和學科發展動態，對數據進行獲取和更新，為實際應用提供更加準確、全面的支持。同時對已識別的知識點和關系進行驗證和修正，保證其準確性和一致性。

3.2 知識圖譜在教學上的應用

1） 教學內容的重構。在教學內容方面，結合知識圖譜，重構了傳統的程序設計語言課程內容。在新的課程體系更加注重知識點學習的系統性、連貫性和拓展性，使線上線下教學更有針對性。線上教學內容的設置上注重學生對基礎知識點的學習，通過視頻和課件，學生能夠對基礎知識點進行記憶和理解。通過知識圖譜，學生還可以高效地獲取其他學習資源輔助學習，保證了線上學習的有效進行。

線下教學內容側重講授于核心知識點，在授課中融入最新的編程技術和實踐案例，強化學生對核心知識點識進行應用、分析和創造，解決了課程內容多，重理論輕實踐的問題。

2） 教學形式的多樣化。在線上學習中，通過每次課前發布任務點，學生必須在規定時間內完成規定任務。在完成基本學習任務后，可以根據自己的學習進度、能力和興趣，通過知識圖譜自主選擇學習相關知識點和學習資料，知識圖譜的應用為學生提供了個性化的學習資源和路徑。在線下課堂教學中，注重課堂的針對性和高效性。教師通過測試和翻轉課堂的形式了解學生對基礎知識點的掌握程度；通過引導、討論和實踐等形式，加深學生對核心知識點的理解和應用，重點培養學生的編程思維。同時教師可以通過數據分析，了解知識點的平均掌握率和平均完成率，以便及時調整教學內容，也可以根據學生的學習數據，為他們提供有針對性的指導和反饋，促進教學質量的持續提升。

3） 教學評價的有效性。建立基于知識圖譜的教學評價體系有助于混合式教學的評價反饋機制的進一步完善。對知識圖譜相關聯的知識點掌握情況、學生任務點的完成情況、知識點的完成率和掌握率、課程資料閱讀數等數據分析，及時了解學生的學習路徑，構建學生的學習畫像，為學生的學習過程性評價提供客觀、全面的評估依據。

3.3 應用效果分析

經過課程改革實踐發現把知識圖譜應用于混合式教學有效地提升了教學效果。通過知識圖譜，學生對于該課程有了較深刻的認識，知道了該學什么，該怎么學。學生在線上學習中能高質量完成相關任務，并主動去學習關聯知識點；在線下學習中，學生能更好地投入課堂學習中，學生的程序設計能力和創新能力得到了有效培養。

4 結論

混合式教學與知識圖譜的結合為程序設計基礎課程的教學改革提供了新的思路。知識圖譜的應用能有效解決目前混合式教學中存在的一些問題，讓原本復雜的專業課程的知識體系系統化和可視化，把知識點與課程資源結合，為課程的學習構建了一個動態的學習知識網絡，滿足了學生的個性化學習需求，幫助他們更好地掌握編程技能并解決實際問題。未來我們將繼續深入研究知識圖譜在專業課程群的應用潛力，進一步拓展專業課程群知識圖譜，挖掘專業課程之間知識點的內在聯系，培養學生的綜合能力和創新思維。進一步完善和優化專業課程改革方案，以期更好地滿足學生的學習需求和發展需要。