知識(shí)圖譜賦能的研究生專業(yè)課混合式教學(xué)探索

摘要：文章針對(duì)當(dāng)前研究生專業(yè)課混合式教學(xué)中存在的不足，如缺乏知識(shí)點(diǎn)的整體性框架引導(dǎo)、缺少個(gè)性化導(dǎo)向的學(xué)習(xí)路徑、忽略對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)等問(wèn)題，提出以課程知識(shí)圖譜為基礎(chǔ)的智能化混合式教學(xué)模式。首先通過(guò)知識(shí)點(diǎn)提取、關(guān)聯(lián)關(guān)系挖掘、多模態(tài)教學(xué)資源鏈接等步驟構(gòu)建了研究生專業(yè)課電子材料信息科學(xué)與技術(shù)課程的知識(shí)圖譜，在此基礎(chǔ)上，提出“SCIENCE”混合式教學(xué)方法，將課程知識(shí)圖譜應(yīng)用于課前、課中和課后教學(xué)全過(guò)程，并建立多維度教學(xué)評(píng)價(jià)方案。該研究可為基于人工智能的研究生教育提供新的發(fā)展思路與教學(xué)范式，進(jìn)而可從知識(shí)、能力、素質(zhì)三個(gè)方面對(duì)現(xiàn)代研究生教育進(jìn)行優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：研究生專業(yè)課；課程知識(shí)圖譜；混合式教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2025）20-0127-03

0引言

近年來(lái)，隨著以大數(shù)據(jù)、人工智能為代表的計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代高等教育對(duì)數(shù)字化學(xué)習(xí)、個(gè)性化學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)提出了更高的要求。然而，現(xiàn)有的研究生專業(yè)課混合式教學(xué)存在一些問(wèn)題：1）缺乏知識(shí)體系的整體性。現(xiàn)有線上教學(xué)資源往往只針對(duì)單一的知識(shí)單元，缺乏對(duì)各類知識(shí)進(jìn)行整體的框架引導(dǎo)，難以明確各知識(shí)點(diǎn)間的內(nèi)在邏輯關(guān)聯(lián)，造成學(xué)生“只見(jiàn)樹(shù)木，不見(jiàn)森林”，進(jìn)而形成“知識(shí)孤島”，最終導(dǎo)致無(wú)法對(duì)知識(shí)進(jìn)行活學(xué)活用；2）缺乏個(gè)性化的學(xué)習(xí)路徑推薦。由于不同研究生本科階段所學(xué)專業(yè)及個(gè)人學(xué)習(xí)習(xí)慣的差異，造成不同學(xué)生對(duì)同一課程的學(xué)習(xí)路徑依賴有所不同，現(xiàn)有教學(xué)方法無(wú)法滿足學(xué)生個(gè)性化的學(xué)習(xí)需求；3）缺乏對(duì)學(xué)習(xí)效果進(jìn)行全面性評(píng)估的方法。傳統(tǒng)的教學(xué)模式以課程期末考試成績(jī)?yōu)橹饕疾橹笜?biāo)，忽略了對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程的多維度觀測(cè)和對(duì)階段學(xué)習(xí)效果的精準(zhǔn)把控，導(dǎo)致容易培養(yǎng)出解題技巧強(qiáng)而工程實(shí)踐能力弱的學(xué)生。以上問(wèn)題將影響研究生整體的專業(yè)水平、實(shí)踐技能與創(chuàng)新思維。

針對(duì)以上問(wèn)題，在當(dāng)下的研究生教育教學(xué)中，提出一種新的教學(xué)手段，使其能夠?qū)χR(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行框架化表達(dá)、對(duì)學(xué)習(xí)路徑進(jìn)行個(gè)性化推薦、對(duì)學(xué)習(xí)效果進(jìn)行全面性評(píng)估，成為一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。因此，國(guó)家在《中國(guó)教育現(xiàn)代化2035》中明確強(qiáng)調(diào)須加速推進(jìn)教育智能化發(fā)展[1]，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)也于2023年頒布了《信息技術(shù)知識(shí)圖譜技術(shù)規(guī)范》，這無(wú)疑代表著智能化混合式教學(xué)模式將成為未來(lái)高等教育發(fā)展的新趨勢(shì)[2]。在此背景下，課程知識(shí)圖譜應(yīng)運(yùn)而生，這種高效的知識(shí)表達(dá)模型能夠通過(guò)智能推理為不同知識(shí)背景的學(xué)習(xí)者推薦合適的學(xué)習(xí)路徑，幫助學(xué)習(xí)者快速獲取所需知識(shí)間的邏輯關(guān)聯(lián)，并為學(xué)習(xí)效果的全面評(píng)估提供數(shù)據(jù)支持。本文通過(guò)自上而下的方法建立了電子材料信息科學(xué)與技術(shù)課程知識(shí)圖譜，進(jìn)而通過(guò)“SCIENCE”混合式教學(xué)方法將課程知識(shí)圖譜應(yīng)用于研究生課程教學(xué)的全過(guò)程，最終提出能夠全面反映學(xué)習(xí)過(guò)程與學(xué)習(xí)效果的多維度教學(xué)評(píng)價(jià)方法。

1知識(shí)圖譜概念與基本特征

2012年，谷歌公司首次將知識(shí)圖譜定義為一種能夠?qū)⒖陀^世界中的知識(shí)實(shí)體進(jìn)行結(jié)構(gòu)化表達(dá)，并明確各實(shí)體之間關(guān)系的知識(shí)模型。通過(guò)將海量信息組織為更易于人類認(rèn)知的形式，知識(shí)圖譜很快成為一種便利地處理和理解互聯(lián)網(wǎng)信息的工具[3]。

在邏輯結(jié)構(gòu)上，知識(shí)圖譜包括模式層和數(shù)據(jù)層兩個(gè)層次。模式層決定了圖譜中知識(shí)的結(jié)構(gòu)框架與邊界，其基本單元為“實(shí)體—關(guān)系—實(shí)體”或“實(shí)體—屬性—值”三元組；數(shù)據(jù)層則包含具體的知識(shí)內(nèi)容，各知識(shí)實(shí)體間通過(guò)語(yǔ)義關(guān)系進(jìn)行連接，從而形成由節(jié)點(diǎn)和邊組成的基礎(chǔ)單元，這是對(duì)模式層的概念和關(guān)系具象化后的直觀體現(xiàn)。模式層是建立數(shù)據(jù)層的基礎(chǔ)，用以規(guī)范數(shù)據(jù)層的一系列事實(shí)表述；模式層同時(shí)也是數(shù)據(jù)層的約束，在一定程度上起到規(guī)范化語(yǔ)義描述的作用，使得數(shù)據(jù)能夠更好地被計(jì)算機(jī)理解與計(jì)算。另外，按照類型的不同，知識(shí)圖譜可被分為兩類：第一類知識(shí)圖譜通常用于描述常識(shí)性的知識(shí)，稱為通用知識(shí)圖譜，這類圖譜注重于知識(shí)表達(dá)的廣泛程度；第二類知識(shí)圖譜則用于描述某些具體領(lǐng)域的知識(shí)，稱為領(lǐng)域知識(shí)圖譜。可見(jiàn)，通用知識(shí)圖譜可被看作一個(gè)面向通用領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)化百科知識(shí)庫(kù)，而領(lǐng)域知識(shí)圖譜是針對(duì)特定行業(yè)或領(lǐng)域的需求而定制的垂直知識(shí)圖譜。將知識(shí)圖譜應(yīng)用于教育領(lǐng)域中即形成了教育知識(shí)圖譜，相較于通用知識(shí)圖譜，這類知識(shí)圖譜更加聚焦于知識(shí)表示的深度。教育知識(shí)圖譜有幾個(gè)比較顯著的特點(diǎn)：1）組成圖譜節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容多種多樣。由于教育資源、教育形式、教育方法的多樣性，教育知識(shí)圖譜節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容將包括但不限于定義、概念、術(shù)語(yǔ)、公式、論點(diǎn)等；2）圖譜節(jié)點(diǎn)關(guān)系較為復(fù)雜。教育知識(shí)圖譜更加強(qiáng)調(diào)內(nèi)容之間的邏輯性關(guān)聯(lián)，不同知識(shí)點(diǎn)、不同課程、不同學(xué)科之間的關(guān)系復(fù)雜多樣，如主從關(guān)系、并列關(guān)系、前后關(guān)系、關(guān)聯(lián)關(guān)系等；3）圖譜節(jié)點(diǎn)的屬性描述較為靈活。

教育知識(shí)圖譜節(jié)點(diǎn)屬性的定義可依據(jù)教育者的教學(xué)目的而靈活設(shè)定，可以是重點(diǎn)、難點(diǎn)、考點(diǎn)，也可以是音視頻資源、思政案例等。在教育知識(shí)圖譜的幫助下，教師可以較為輕松地對(duì)大量學(xué)習(xí)資源進(jìn)行有邏輯、有組織地構(gòu)建與鏈接，從而既可以適應(yīng)群體化協(xié)同學(xué)習(xí)的需要，也能適應(yīng)個(gè)性化學(xué)習(xí)的需求。

2研究生專業(yè)課電子材料信息科學(xué)與技術(shù)知識(shí)圖譜構(gòu)建

電子材料信息科學(xué)與技術(shù)是西安電子科技大學(xué)材料類專業(yè)碩士研究生的一門(mén)專業(yè)課。課程基于信息科學(xué)發(fā)展的歷史規(guī)律與未來(lái)趨勢(shì)，結(jié)合電子材料專業(yè)特色，從材料視角為學(xué)生搭建電子電路技術(shù)框架，使學(xué)生具備綜合分析電子材料、器件及電路工程問(wèn)題的能力，進(jìn)而為深入理解現(xiàn)代信息系統(tǒng)、應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

本課程知識(shí)圖譜的構(gòu)建采用自頂向下的方式進(jìn)行，需要完成三個(gè)方面的工作，即構(gòu)建知識(shí)體系框架、進(jìn)行知識(shí)抽取以及利用知識(shí)提供服務(wù)。搭建課程底層知識(shí)邏輯框架是建立知識(shí)圖譜的首要任務(wù)。通過(guò)對(duì)課程大綱及教材內(nèi)容的梳理，將課程內(nèi)容分為電路基礎(chǔ)、數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)三個(gè)部分，并將各部分所涉及的知識(shí)模塊進(jìn)行提煉與歸納，形成如圖1所示的課程整體框架。

知識(shí)抽取是指從數(shù)據(jù)集、數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，將其處理為結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行知識(shí)存儲(chǔ)的過(guò)程。在本課程知識(shí)圖譜建設(shè)中，它主要包含實(shí)體識(shí)別、關(guān)系抽取、屬性抽取等幾個(gè)方面。實(shí)體識(shí)別通過(guò)利用自然語(yǔ)言處理方法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)從文本信息中識(shí)別出命名實(shí)體，關(guān)系抽取則是利用機(jī)器學(xué)習(xí)與規(guī)則方法從文本信息中抽取出實(shí)體之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，屬性抽取將實(shí)體屬性劃分為概念原理、方法技術(shù)和實(shí)例應(yīng)用三類，并結(jié)合專家驗(yàn)證同步進(jìn)行。實(shí)體識(shí)別經(jīng)常是在異質(zhì)的信息載體中展開(kāi)，數(shù)據(jù)來(lái)源于表格、數(shù)據(jù)庫(kù)、聲音、純文本等，此時(shí)需要注意各數(shù)據(jù)來(lái)源下不同數(shù)據(jù)之間是否存在對(duì)同一知識(shí)點(diǎn)的重復(fù)描述、描述是否存在差別與歧義等問(wèn)題，必要時(shí)可通過(guò)知識(shí)融合來(lái)形成結(jié)構(gòu)相同、內(nèi)容不重復(fù)、格式正確的知識(shí)內(nèi)容[4]。另外，該階段知識(shí)圖譜模型無(wú)法直接使用這些數(shù)據(jù)，還必須要建立知識(shí)之間的相關(guān)性，即通過(guò)關(guān)系抽取來(lái)完成“實(shí)體—關(guān)系—實(shí)體”基本單元。本課程知識(shí)圖譜中各知識(shí)點(diǎn)之間在內(nèi)容方面存在邏輯上的層次關(guān)系，如包含關(guān)系、屬于關(guān)系等，同時(shí)在前后關(guān)聯(lián)上也存在邏輯順序，如前導(dǎo)關(guān)系、后繼關(guān)系等。各種關(guān)系的具體釋義如表1所示。

在以上操作的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將課程知識(shí)實(shí)體與多模態(tài)教學(xué)資源進(jìn)行匹配與鏈接，主要包括：1）文字類資源：包含教材、課件、課程標(biāo)準(zhǔn)、授課計(jì)劃、授課教案、習(xí)題、案例庫(kù)、期刊論文、相關(guān)書(shū)籍等；2）其他模態(tài)資源：包含圖片、音視頻、微課、上課實(shí)錄視頻、動(dòng)畫(huà)、虛擬仿真等資源。將多模態(tài)資源鏈接到知識(shí)圖譜對(duì)應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)目錄下。同時(shí)，系統(tǒng)梳理先行課程與后繼課程中與本課程相關(guān)的知識(shí)實(shí)體，如本課程的先行課程為大學(xué)物理，后繼課程為高頻電子線路、微處理器與接口等，將先行課程與后繼課程中相關(guān)知識(shí)點(diǎn)與本課程知識(shí)點(diǎn)形成鏈接，從而形成具有跨學(xué)科多模態(tài)特點(diǎn)的電子材料信息科學(xué)與技術(shù)課程知識(shí)圖譜（圖譜局部展示如圖2所示），為進(jìn)一步研究由知識(shí)圖譜賦能的研究生專業(yè)課混合式教學(xué)模式奠定基礎(chǔ)。

3基于知識(shí)圖譜的電子材料信息科學(xué)與技術(shù)課程混合式教學(xué)模式探索

“新工科”背景下的研究生課程教育應(yīng)以知識(shí)圖譜為抓手，以學(xué)生為中心，以知識(shí)—能力—素質(zhì)三個(gè)維度的提升為目標(biāo)來(lái)展開(kāi)。在此要求下，本文采用“SCIENCE”教學(xué)方法[5]來(lái)構(gòu)建基于知識(shí)圖譜的課程混合式教學(xué)模式。

3.1S：信息檢索（Seekinformation）

課前要求學(xué)生通過(guò)前置課程知識(shí)與具體的工程問(wèn)題，查找本節(jié)課程知識(shí)點(diǎn)的相關(guān)信息，通過(guò)文獻(xiàn)閱讀及知識(shí)圖譜中的慕課視頻了解相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的形成背景與應(yīng)用情況，例如在學(xué)習(xí)半導(dǎo)體晶體管一節(jié)內(nèi)容前，要求學(xué)生通過(guò)觀看知識(shí)圖譜中的微視頻“光刻戰(zhàn)爭(zhēng)”來(lái)了解光刻工藝對(duì)器件發(fā)展的影響。

3.2C：核心問(wèn)題測(cè)試（Core-test）

課前通過(guò)“學(xué)在西電”課程平臺(tái)發(fā)布測(cè)試問(wèn)題，掌握學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)與自學(xué)效果，通過(guò)將答題成績(jī)分為優(yōu)、良、中、差四個(gè)區(qū)間，為不同學(xué)生推薦相應(yīng)的學(xué)習(xí)路徑。

3.3I：互動(dòng)討論（Interactivediscussion）

線下課堂教學(xué)中，針對(duì)問(wèn)題圖譜中的具體科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行拆解、分析，例如提出問(wèn)題圖譜“同步時(shí)序電路與異步時(shí)序電路在設(shè)計(jì)步驟上有什么異同？”，通過(guò)將學(xué)生劃分為不同小組進(jìn)行討論，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考，實(shí)現(xiàn)教學(xué)相長(zhǎng)。

3.4E：實(shí)驗(yàn)演示（Experimentaldisplay）

為加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的認(rèn)識(shí)深度，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)操讓學(xué)生掌握分析電子元器件與電路性能的儀器設(shè)備；通過(guò)Multisim電路仿真平臺(tái)為學(xué)生演示電路虛擬仿真分析方法，例如通過(guò)仿真平臺(tái)為學(xué)生演示多級(jí)放大電路的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)分析。

3.5N：課堂小結(jié)（Notionsummary）

課堂教學(xué)結(jié)束前，以知識(shí)圖譜為工具引導(dǎo)學(xué)生完成課堂小結(jié)，制定課后復(fù)習(xí)計(jì)劃。鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合自身知識(shí)結(jié)構(gòu)與學(xué)習(xí)習(xí)慣，通過(guò)知識(shí)圖譜構(gòu)建適合個(gè)人的知識(shí)點(diǎn)復(fù)習(xí)路徑。

3.6C：核心能力共享（Core-sharing）

課后將學(xué)生分組，針對(duì)不同難點(diǎn)、重點(diǎn)問(wèn)題，指導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建目標(biāo)圖譜，將課程知識(shí)點(diǎn)與課程目標(biāo)緊密結(jié)合，從而進(jìn)一步完善課程知識(shí)圖譜，并總結(jié)、提煉各自的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，相互交流。

3.7E：加強(qiáng)反思（Enrichthinking）

課后引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)知識(shí)圖譜學(xué)習(xí)與課程知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的應(yīng)用案例與思政案例，例如在學(xué)習(xí)了三極管中載流子的輸運(yùn)過(guò)程后，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)圖譜中的思政案例“順勢(shì)而為，全力輸出——晶體管載流子的奇妙旅程帶來(lái)的人生啟發(fā)”，在加強(qiáng)思想引領(lǐng)的同時(shí)強(qiáng)化對(duì)理論知識(shí)的感性認(rèn)識(shí)與理解。

在“SCIENCE”混合式教學(xué)方法的指導(dǎo)下，研究者進(jìn)一步為電子信息科學(xué)與技術(shù)課程制定了更為細(xì)化的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。除期末考核外，將線上學(xué)時(shí)、課堂討論參與度、課后作業(yè)、知識(shí)圖譜利用率等指標(biāo)納入過(guò)程性評(píng)價(jià)，其中知識(shí)圖譜可記錄每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)行為，使得教學(xué)設(shè)計(jì)、效果評(píng)價(jià)、學(xué)習(xí)效果等有數(shù)據(jù)可依，再通過(guò)數(shù)據(jù)化的學(xué)情分析實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的學(xué)習(xí)效果評(píng)判；另外，將調(diào)研報(bào)告、實(shí)驗(yàn)實(shí)操、目標(biāo)圖譜構(gòu)建等歸為成果性評(píng)價(jià)。課程期末成績(jī)組成：過(guò)程性成績(jī)占20%；成果性成績(jī)占20%；期末考試成績(jī)占60%。通過(guò)這樣的綜合性考核形式，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況形成更加完整與多元的評(píng)價(jià)。

4結(jié)束語(yǔ)

隨著AI時(shí)代的到來(lái)，技術(shù)的突破為高等教育改革提供了全新的思維方式與教學(xué)手段，教育數(shù)字化與智能化成為主動(dòng)適應(yīng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的必然選擇。知識(shí)圖譜技術(shù)作為人工智能的基石，通過(guò)將知識(shí)的結(jié)構(gòu)、關(guān)系進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，便于實(shí)現(xiàn)智能化學(xué)習(xí)要求，大大提高了人們對(duì)知識(shí)的接受程度與利用效率。本文提出了以知識(shí)圖譜為基礎(chǔ)、以“SCIENCE”混合式教學(xué)模式為指導(dǎo)的“電子材料信息科學(xué)與技術(shù)”研究生課程混合式教學(xué)新范式，實(shí)現(xiàn)了思維顯化、資源智化、考核優(yōu)化等數(shù)智教學(xué)要求。后續(xù)該方法可推廣應(yīng)用于其他研究生專業(yè)課教育教學(xué)，并結(jié)合更加豐富的人工智能技術(shù)不斷升級(jí)迭代，以期為當(dāng)代研究生教育教學(xué)提供新的發(fā)展思路和實(shí)現(xiàn)路徑。

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