知識圖譜在信號與系統(tǒng)課程教學(xué)中的應(yīng)用探討

一、引言

“信號與系統(tǒng)”課程是電子信息類專業(yè)的核心課程。該課程賦予學(xué)生一種系統(tǒng)級思考方式，能夠幫助學(xué)生將復(fù)雜問題拆解為信號流，促使學(xué)生在頻域中尋找規(guī)律，在時域中驗證效果。這種思維模式將在人工智能、智能制造等新一代技術(shù)浪潮中，成為學(xué)生的核心競爭力。

經(jīng)過多年的建設(shè)，我校該門課程在信息化技術(shù)融入、課程思政建設(shè)等方面已取得了一定的成效。通過學(xué)情分析，課程教學(xué)團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，在教學(xué)中仍存在一些亟待解決的痛點： ① 該課程為專業(yè)基礎(chǔ)課。學(xué)生對該門課程知識的掌握程度參差不齊，不易實現(xiàn)個性化培養(yǎng)。 ② 該課程內(nèi)容知識點繁多且復(fù)雜，涉及信號和系統(tǒng)的時域、頻域和復(fù)頻域分析等內(nèi)容。大部分內(nèi)容抽象難懂，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不易發(fā)現(xiàn)其中的內(nèi)在邏輯。這就要求學(xué)生及時進(jìn)行歸納、梳理。 ③ 該課程內(nèi)容涉及大量復(fù)雜公式，理論抽象，學(xué)生理解起來存在難度。對于該課程與前續(xù)、后續(xù)課程的關(guān)聯(lián)更是難以把握。

近年來，知識圖譜在教育教學(xué)中已展現(xiàn)顯著優(yōu)勢，其技術(shù)特性直接支撐“信號與系統(tǒng)”課程的教學(xué)改革需求。知識圖譜將碎片化的知識點轉(zhuǎn)化為關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；可依據(jù)學(xué)生畫像動態(tài)推送相關(guān)學(xué)習(xí)資源；還可通過知識圖譜記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)行為，生成多維度的評價報告，并推薦關(guān)聯(lián)習(xí)題與拓展文獻(xiàn)。

二、教學(xué)改革措施

針對上述教學(xué)過程中存在的這些痛點，“信號與系統(tǒng)”課程教學(xué)團(tuán)隊一方面對教學(xué)邏輯進(jìn)行重新梳理，另一方面繪制課程知識圖譜，構(gòu)建線上線下混合式教學(xué)模式，針對教學(xué)痛點精準(zhǔn)制策，各個擊破。

（一）構(gòu)建課程知識圖譜

1.明確構(gòu)建的目標(biāo)和范圍

建立知識圖譜旨在幫助學(xué)生理解“信號與系統(tǒng)”課程中的知識點及其關(guān)聯(lián)，提高學(xué)習(xí)效率。因此，內(nèi)容范圍要涵蓋課程的所有核心知識點。

2.知識點提取

對教材進(jìn)行詳細(xì)研讀，提取主要的知識點。教師應(yīng)查閱相關(guān)的學(xué)術(shù)論文、技術(shù)報告等，了解信號與系統(tǒng)領(lǐng)域的前沿知識和研究成果。同時，教師應(yīng)與信號與系統(tǒng)領(lǐng)域的專家進(jìn)行交流，獲取他們對知識點的理解和看法，以補(bǔ)充教材和文獻(xiàn)中未涵蓋的知識點。

3.知識點的關(guān)系表示

教師應(yīng)確定知識點之間的前后置關(guān)系，建立知識點與應(yīng)用場景之間的關(guān)系，找出具有相似概念或方法的知識點之間的關(guān)系。

4.繪制知識圖譜

在知識圖譜工具中創(chuàng)建實體，并為每個實體添加屬性，如實體的名稱、描述、標(biāo)簽等。根據(jù)確定好的關(guān)系，在實體之間建立連接，形成知識圖譜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。圖1為課程第一章第1節(jié)“信號”課程的知識圖譜雛形。

（二）建設(shè)與知識圖譜高度融合的課程知識庫

依托AI教學(xué)平臺，打造內(nèi)容豐富、基礎(chǔ)扎實的課程知識庫，實現(xiàn)啟迪學(xué)生思考與實現(xiàn)“師－生－平臺”高效協(xié)作的先決條件。首先，將開展混合式教學(xué)使用的視頻資源和學(xué)習(xí)資料關(guān)聯(lián)至知識庫中。其次，將課程教材、課件、歷年作業(yè)、習(xí)題試卷、相關(guān)論文等資料進(jìn)行整合，輸入知識庫。最后，將這些教學(xué)資源定位到圖譜中的相關(guān)知識點，點擊知識點便可以看到所有相關(guān)資源，

圖1第一章第1節(jié)信號知識圖譜

圖2知識圖譜關(guān)聯(lián)教學(xué)資源

圖4教學(xué)設(shè)計

（三）構(gòu)建教師-AI平臺－學(xué)生相互協(xié)作的教學(xué)模式

“教師精準(zhǔn)定制圖譜-AI平臺智慧啟發(fā)-學(xué)生高效協(xié)作”的教學(xué)模式如圖3所示。貫穿課前、課中、課后，針對教學(xué)痛點，精準(zhǔn)制策，各個擊破。

針對“教學(xué)痛點1”，24小時AI助教能根據(jù)學(xué)生上傳的知識點或者提出的問題，參考學(xué)生要求的難度，向?qū)W生反饋難易程度相當(dāng)?shù)恼n后習(xí)題，供學(xué)生反復(fù)練習(xí)，幫助學(xué)生攻克學(xué)習(xí)難關(guān)。

針對“教學(xué)痛點2”，學(xué)生可以從知識圖譜看到課程知識的完整邏輯關(guān)系，并可使用24小時AI助教，實現(xiàn)自主學(xué)習(xí)或查缺補(bǔ)漏，如圖4所示。

針對“教學(xué)痛點3”，系統(tǒng)可基于AI技術(shù)的資源檢索功能，為學(xué)生推薦論文和文獻(xiàn)資料，幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)中不斷探索、由淺入深。另外，學(xué)生可以通過使用知識圖譜，一步定位自身的薄弱環(huán)節(jié)，學(xué)習(xí)與之關(guān)聯(lián)的視頻、例題、文獻(xiàn)和案例，實現(xiàn)更深度更立體的自主探究式學(xué)習(xí)。

圖3教學(xué)模式

（四）優(yōu)化教學(xué)設(shè)計，使知識圖譜有效融入課程教學(xué)各環(huán)節(jié)

教師在課程教學(xué)的第一課時將該知識圖譜框架展示、分解給學(xué)生，讓學(xué)生對課程內(nèi)容及其涉及的知識、知識點間的聯(lián)系有總體的認(rèn)識，以幫助學(xué)生理清知識間的邏輯關(guān)系。

理論課程組織實施原則是通過多種教學(xué)活動豐富課堂教學(xué)，將知識圖譜及相關(guān)教學(xué)資源有機(jī)融合到教學(xué)課理論教學(xué) 梳理課程 提前3天推 提前1天收 課堂講授重 作業(yè)、測試知識脈絡(luò) 送預(yù)習(xí)任務(wù) 集難點問題 難點知識 孕討?zhàn)仭鯇嵺`教學(xué) 設(shè)置實踐 學(xué)生分組選 解讀實踐項 按理課進(jìn)型 按組分析實教學(xué)內(nèi)容 題 目流程 實驗交叉進(jìn)行 驗結(jié)果

堂。教師可以通過知識圖譜設(shè)置預(yù)習(xí)任務(wù)、選取預(yù)習(xí)資源，并通過平臺至少提前3天將預(yù)習(xí)任務(wù)推送給學(xué)生，以促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)；提前1天收集學(xué)生的預(yù)習(xí)情況。針對重點、難點知識進(jìn)行線下講授，并結(jié)合圖譜設(shè)計互動問題；在課堂中，教師可以通過組織學(xué)生進(jìn)行小組討論，幫助學(xué)生實現(xiàn)知識拓展及延伸學(xué)習(xí)；課外，教師可以通過作業(yè)、線上交流掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。總之，教師可以通過以上四種教學(xué)活動讓學(xué)生動起來，讓課堂活起來。

實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的應(yīng)用以“問題驅(qū)動－知識關(guān)聯(lián)－工程落地”為主線，基于圖譜設(shè)計實驗任務(wù)，通過圖譜的動態(tài)關(guān)聯(lián)能力與可視化優(yōu)勢，強(qiáng)化學(xué)生對理論方法的工程化遷移能力。

三、教學(xué)改革的意義

（一）提升教學(xué)系統(tǒng)性與連貫性

知識圖譜為教師提供教學(xué)的“知識地圖”，依據(jù)知識圖譜系統(tǒng)梳理教學(xué)內(nèi)容，明確教學(xué)目標(biāo)和重難點，確保教學(xué)內(nèi)容的連貫性和深度。學(xué)生也能夠通過知識圖譜清晰地看到知識的走向和發(fā)展脈絡(luò)，從而更好地理解和記憶知識點。

（二）促進(jìn)教學(xué)方法與手段的創(chuàng)新

線上學(xué)習(xí)可以依據(jù)知識圖譜設(shè)置學(xué)習(xí)路徑和資源，為學(xué)生提供豐富的學(xué)習(xí)材料。線下課堂有助于深化學(xué)生對知識點的理解和應(yīng)用。線上線下相結(jié)合的方式，可以充分發(fā)揮線上線下的優(yōu)勢，提高教學(xué)效果。

知識圖譜可以作為教學(xué)互動的橋梁。教師可以將課程學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)為游戲闖關(guān)模式，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)生的課堂參與度。通過圖譜的反饋機(jī)制，教師可以針對問題及時調(diào)整教學(xué)方法和手段，實現(xiàn)教與學(xué)的及時互動和反饋。

（三）優(yōu)化教學(xué)評估與反饋機(jī)制

教師可以通過分析學(xué)生在圖譜上的學(xué)習(xí)軌跡和成績分布，及時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)展和存在的問題。同時，學(xué)生也能夠及時發(fā)現(xiàn)自己的不足，調(diào)整學(xué)習(xí)策略；教師可以根據(jù)評價結(jié)果，優(yōu)化教學(xué)策略。

（四）促進(jìn)學(xué)科交叉與融合

知識圖譜能夠?qū)⒉煌I(lǐng)域的知識和信息整合到一起，形成知識網(wǎng)絡(luò)。教師可以利用知識圖譜開展跨學(xué)科教學(xué)，將不同學(xué)科的知識進(jìn)行融合和貫通，以培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。這些能力對于學(xué)生未來的職業(yè)生涯發(fā)展具有重要意義。

四、結(jié)束語

本文對“信號與系統(tǒng)”課程的教學(xué)改革進(jìn)行了初步探索。在大班教學(xué)的環(huán)境下，將傳統(tǒng)教育與新興互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，開展基于知識圖譜的線上線下教學(xué)，能夠?qū)崿F(xiàn)“規(guī)模化”與“個性化”的統(tǒng)一，讓個性化教學(xué)真正落地。同時，其能夠有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓寬教學(xué)的廣度，探索教學(xué)的深度。

作者單位：肖寧 陳思慧 莫竹林張澤南寧理工學(xué)院

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