基于知识图谱的混合式教学模式研究——以“电路”课程为例

徐 星，鄢睿丞，柳 懿

（1.海军工程大学 电气工程学院，湖北 武汉 430033；2.国防科技大学 信息通信学院，湖北 武汉 430035）

引言

混合式教学，来源于“混合学习”的概念，由何克抗教授于2003年首次提出［1］。同年，祝智庭等［2］系统定义了混合式教学。随着信息技术的发展，混合式教学越来越受到重视。对于混合式教学模式的研究，其广度和深度都在不断增强［3-4］。“电路”课程是电类专业重要的专业背景课，开展混合式教学可为课程教学提供新的思路和方向［5-6］。然而，目前混合式教学也存在着一定的问题，主要体现在：一是自主学习时侧重点往往聚焦单个知识单元，缺乏对某类知识的整体架构引导和内在逻辑关系表示，难以形成整体概念；二是由于学员个体存在差异，自主学习的学习质量难以把控，导致影响整体教学效果；三是线上学习资源数量庞大，难以形成有效的导向性的学习路径支持，无法满足不同学员个性化的学习需求。

因此，如何进一步提升混合式教学的教学效果是教育工作者面临的新挑战，采用新技术手段与混合式教学相结合的增强型教学是应对这一挑战的新思路。利用知识图谱等技术，能有效提升混合式教学中学员自主学习效果，具有广阔的应用潜力［7］。例如：南京大学史宇坤等［8］在教学中，通过驱动学员归纳知识点并自主构建知识图谱，促进了学员整体知识体系的形成。但这种学员自主构建图谱的方式，无法充分发挥知识图谱知识导航等方面的应用优势。

鉴于此，本文为适应以学员为中心的教学改革需求，结合混合式教学模式，充分发挥知识图谱技术优势，通过预先构建课程跨学科多模态知识图谱的方式，为学员推荐迭代式的、精准化的课程学习路径，并以知识图谱技术为支撑，研究“电路”课程混合式教学模式及其教学实施方案。

一、基于知识图谱的混合式教学模式的构建

本文基于知识图谱技术，瞄准“电路”课程教学改革，设计了以线下为主体、以线上为辅助的混合式教学模式。在教学实施中，有效融合个体的个性化学习和团队的小组合作学习。线上辅助教学突出学员个体发挥主观能动性的自主学习；线下教学则根据学生不同的认知能力进行异质分组，让学员在合作中发挥自己的优势，达到共同提升的目的。

1.构建完善的“电路”课程跨学科多模态知识图谱。本文结合“电路”课程领域知识从横向和纵向两个方向建构知识图谱。主要包括：将课程相关知识实体与多模态教学资源实体以规范化、形式化方法进行链接（典型例题、考试题、裁剪和链接一门慕课资源、应用案例资源等）；梳理先行课程中与“电路”课程相关的知识实体；形成跨学科多模态“电路”课程知识图谱，为进一步开展基于知识图谱的混合式教学奠定技术基础。

2.开展基于知识图谱的混合式教学模式研究。梳理国内外混合式教学的研究现状和相关理论，并分析混合式教学模式的特点。而后，在参考各类课程混合式教学模式研究成果和知识图谱在教育领域运用成果的基础上，探索提出基于知识图谱的混合式教学模式。目前，基于知识图谱的混合式教学模式，主要包括教学准备、教学方案实施（课前学习、课堂学习、课后实践和教学评价）和课程考核等三个环节。基于知识图谱的电路课程混合式教学模式框架如图1所示。

图1 基于知识图谱的混合式教学框架

3.基于知识图谱的“电路”课程混合式教学实施。在构建“电路”课程知识图谱的基础之上，优化教学设计，丰富教学案例、微课及前测测试题、后测测试题等课程资源。充分发挥智慧教学平台学习过程记录优势，选取教学改革试验班次进行实践。

4.教学总结及反思。设置满意度、平均成绩、及格率等指标，分析改革班次与普通班次的相关要素以验证教学模式改革成效；对好的地方进行总结，不足的地方进行反思，迭代提升教学的效果。

二、基于知识图谱的混合式教学模式的实施方案

（一）教学准备

教学准备阶段，首先分析学生的专业背景、教育经历等基本情况与课程教学的基本特征，进一步明确课程总体教学目标，并细分至单次课程。其次，根据学情分析结果，完成课程教学资料的制作和整理，确定混合式教学的具体组织流程及各阶段教学内容等。

1.明确课程教学目标。根据教学目标制定教学任务是整个教学活动设计的基础。为提升教学效果，教学任务必须以独立的知识单元为单位。为此，需要根据知识图谱构建的特点，将整个课程按照知识结构组织为若干模块，并细化为层次性的各知识单元。基于上述思想，“电路”课程内容可划分为电阻电路分析方法、正弦稳态交流电路和动态电路三个大模块，每个模块由一系列子知识模块（单元）构成，每个知识单元教学目标也可进一步细分为知识、能力和素质三个层次，如图2所示。

图2 混合式教学模式下“电路”课程教学目标层次关系

2.教学资源准备。为支撑基于知识图谱的混合式教学，其教学准备资源主要包含课程知识图谱、微课资源、MOOC平台资源、课件资源、虚拟仿真资源、课程测试资源：（1）课程知识图谱。根据上述单次课程教学目标构建课程知识图谱。本文的课程知识图谱的建构从横向和纵向两个方向进行组织，纵向组织按照章节顺序排列，目的是构建整本教材的知识脉络，提供完整的知识专题模块，展现知识实体的位置，帮助学员更快更高效地找到知识所在的位置，明确知识导航的路径。（2）微课资源。针对错误率、疑问率高的问题，不再占用宝贵的课堂时间进行分析和讲解，而是录制成微课视频，供有需要的学员自主学习，实现精细化的学习指导。为了集中学习资源，为学员提供导向性学习，将微课视频以二维码的形式链接到单次课程的知识图谱中，并将微课视频上传在线教学平台推送给学员。（3）MOOC平台资源。本课程组自建的“舰艇电工电子技术”已上线学堂在线，可供学员自行学习。可将“舰艇电工电子技术”和清华大学“电路原理”慕课按照知识单元进行裁剪，以二维码的形式链接到知识图谱相应的知识节点处，并同样可以放入在线教学平台推送给学员。（4）课件资源。将课程课件资源根据基于知识图谱的混合式教学计划进行相应的调整和裁剪，形成与知识图谱和MOOC相对应的补充学习资源。（5）虚拟仿真资源。为达成“电路”课程教学的能力目标，利用Mutisim软件设计电路仿真案例、电路搭建和电路调试等内容，不断完善课程的虚拟仿真案例资源库，实现“理”到“实”的融合一体。（6）课程测试资源。系统化设计“电路”课程测试资源，形成课前测试、课中测试、课后拓展和阶段测试等四类测试资源体系。其中，课前测试一般用于学生提前进行课程相关知识点的预习，侧重于基础知识、概念、原理等方面。课中测试则用于巩固学生所学知识，通过设置算例、布置仿真设计小组任务等，实现对理论知识的深化理解。课后拓展，则可以通过报告、实训等方式，驱动学生对前期所学知识进行归纳、小结和系统性运用，提升学生基于知识解决问题的能力。阶段性测验是对阶段学习情况进行检查的重要过程，目的是检验学员对所学知识的掌握情况，评估学生能否顺利进行下一阶段学习，发现学习过程中存在的问题并及时采取应对措施。

（二）教学实施方案

为让学员更好地掌握电路的理论及相关知识，为后续专业课程打下牢固的基础，本文在此前教学资源的基础上，进一步充分发挥知识图谱技术优势，通过课前学习、课中教学和课后巩固，进行基于知识图谱的混合式教学实施。通过线上满足学员自主式学习需求和线下进行协作式、启发式的学习，全面提高学员解决问题和分析问题的能力。

1.课前学习。课前，教员准备好本次课程的在线学习资源，主要是包含本次课程知识图谱、微课、MOOC、典型习题、考题、测试题（含课前测试、课堂测试、课后拓展提高和阶段测试）等，并将微课、MOOC、典型习题、考题链接至知识图谱，示例如图1所示。教员提前一周从本次课教学目标出发，抽取出课程知识图谱，将其对应的在线学习资源上传至学习平台，并发布课程学习任务清单，布置个人和小组学习任务。

2.课中教学。课堂教学环节中应以学员为主体，并实施基于知识图谱的混合式教学。教员根据学员线上学习测试情况及学员交互的反馈信息确定课堂教学重点，实施混合式课堂的教学内容。课堂教学主要按照课前学习效果检测、知识点梳理、课堂讨论、小组竞赛、本周学习反馈的顺序完成。首先教员总结讲授前期线上学习的出错率较高的疑点问题，并使用知识图谱展开的方式梳理知识点间的关系，着重讲解其中的重点、难点，并用2～3个典型例题进行巩固练习；然后进行小型仿真设计类小组任务的交流讨论，并进行小组汇报竞赛；最后教员对学员表述不完整、不准确的地方进行补充、总结，并对学员的表现进行评价。整个过程采用形式多样的方法，如讨论、探究、质疑等，给学员充分发挥、表述的机会，教员的任务是负责主持、引导课堂内容逐项进行。

3.课后巩固。课后巩固环节，根据课堂内容推送课后学习任务单，布置个人拓展提高项目，如电路典型问题仿真探究的拓展选做作业；解答课堂遗留问题和课堂“学习反馈”问题；补充课外知识点超链接拓展内容。并以“电路”课程模块为单位，在各单元后以阶段测试的方式做复习总结。通过帮助学员形成适合自己的混合式课程学习节奏，养成自学、讨论、总结、反思的科学思维。教员根据学员反馈，进一步完善和调整教学资源与教学手段。

（三）考核方式

本课程考核方式分为形成性考核和终结性考核，其中终结性考核占40%，形成性考核占60%。形成性考核需要综合考查学员平时的学习表现和学习效果，并采用“在线学习—线下学习表现—阶段测试”的分阶段、过程化的考核方案评定。形成性考核成绩由线上成绩、课程阶段测试、课前+课中+课后作业成绩和实验仿真成绩组成，其中线上成绩占10%（含MOOC的单元测试，在线期末考试成绩和在线讨论等），课程阶段测试占20%（三次阶段测试），课前+课中+课后作业成绩占20%（含个人成绩和小组成绩），实验仿真成绩占10%（含实验仿真报告和实验操作）。

结语

混合式教学是当前教育的改革研究热点，如何更好地通过混合式教学改革，因地制宜、因条件制宜、因课程特点制宜，解决传统课程教学中面临的各类矛盾问题，是新时代给予每一名教育工作者的挑战。本文通过将知识领域中的知识图谱技术与混合式教学相结合的方式，一方面可以有效发挥混合式教学的优势；另一方面可以帮助学员快速构建课程知识体系，厘清知识内在逻辑关系，形成有效的具有导向性的学习方式。基于知识图谱的“电路”课程混合式教学模式可为其他课程教学改革提供借鉴。