基于“知识图谱+可视化任务驱动地图”的《运筹学》课程建设路径探索

秦文钊 沈宇凯

摘要：在新时代背景下，提升本科教育质量、推进国际化认证和全球一流大学建设成为了教育改革的重要方向。本文针对当前教学中存在的问题，提出了基于“知识图谱+可视化任务驱动地图”的《运筹学》课程建设路径。通过构建“三层”循序渐进的任务链并利用知识图谱进行可视化处理，旨在降低学生的学习认知负荷，提升自主学习能力和学习效率，使得教学更加高效、直观。

关键词：课程建设；任务链；可视化任务驱动地图；知识图谱；教学改革

引言

在新时代国家振兴本科教育的背景下，提高本科教育质量、推进国际化认证和全球一流大学建设成为了教育改革的重要方向。《运筹学》作为我校工程造价专业的专业核心课程，其教学质量直接关系到学生的专业素养和未来的职业发展。然而，当前《运筹学》课程教学中存在诸多问题，如课程过分强调理论推导、轻视实践应用，人才培养目标与社会实际需求脱节，师资缺乏工程实践经验，学生缺乏学习动力等^[1]。因此，探索新的课程建设路径，解决这些问题，提升《运筹学》课程的教学质量，具有重要的现实意义和应用价值。

对照CEEAA制定的国家工程专业认证通用标准，与《运筹学》课程对应的主要毕业要求包括问题分析能力、问题研究能力和团队合作能力^[2-3]。这些要求促使了《运筹学》课程的重新建设与教学改革。然而，传统的教学方法往往难以有效满足这些要求。因此，本研究提出基于“知识图谱+可视化任务驱动地图”的课程建设路径，旨在通过任务驱动和可视化设计的方式，提高学生的学习兴趣和参与度，促进理论与实践的结合，培养学生的综合能力和素养。

一、国内外研究现状

国外对任务驱动教学法的研究起步较早，该教学法主要基于建构主义理论，强调在“做中学”，即让学生在完成任务的过程中进行学习。从杜威的实用主义教育理念开始，这种教学方法逐渐在语言教学中得到应用^[4]。然而，尽管国外对任务驱动教学法的研究较为活跃，但将其应用于理工科课程教学的研究仍相对较少。特别是在课程建设中，从学生视角出发，将课程中的任务进行可视化设计，形成一个符合学生认知过程的系统结构的相关研究更是罕见。

知识图谱的国内外研究现状呈现出日益活跃和深入的趋势。在国外，特别是在欧美地区，知识图谱的研究已经取得了显著的成果^[5]，其应用领域涵盖了智能搜索、智能问答、推荐系统、自然语言处理等多个领域。许多知名的科技公司和研究机构都在积极投入知识图谱的研究和应用。这些研究不仅推动了知识图谱技术的发展，也进一步提升了人工智能的智能化水平^[6]。

国内对任务驱动教学法的研究始于20世纪90年代，主要集中在一线教育工作者中，研究领域以外语教学和信息技术教学为主。不同学者在任务驱动教学的具体操作过程上存在差异，但都普遍认为该教学法以学生为中心，强调任务情境的创设和小组协作，新知识隐含在具有代表性的任务中^[7]。然而，与国外研究相似，国内研究也主要集中在單一教学环节的任务驱动应用^[8]，很少有教师能将整个课程的所有知识，纳入一条“任务链”中，从易到难，从外围到核心，形成一套系统的模式。并且针对课程任务，也没有进行“可视化”的设计，让学生了解每个阶段的任务、需要解决的问题、需要学习的概念，需要达成的目标。

在国内，知识图谱的研究也得到了广泛的关注和支持。许多高校和研究机构都在积极开展知识图谱的相关研究，涵盖了知识表示、知识推理、知识获取等多个方面^[9]。同时，一些国内的大型科技公司也在积极探索知识图谱在商业化应用中的可能性^[10]。

对于可视化任务驱动地图的《运筹学》课程建设路径探索来说，知识图谱的研究现状提供了有力的支持和启示。首先，知识图谱的可视化技术可以为《运筹学》课程中的任务链提供直观、清晰的展示方式，帮助学生更好地理解和把握课程的结构和脉络。其次，知识图谱的推理和关联分析技术也可以为《运筹学》课程中的任务设计和优化提供帮助。此外，随着知识图谱技术的不断发展和完善，其在《运筹学》课程中的应用也将更加广泛和深入。未来，我们可以期待看到更多基于知识图谱的智能化教学工具和方法出现，为《运筹学》课程的教学提供更加高效、便捷和个性化的支持。

二、知识图谱+可视化任务驱动地图在《运筹学》课程建设中的应用

针对《运筹学》课程教学中存在的问题和国内外研究现状，本研究提出基于“知识图谱+可视化任务驱动地图”的课程建设路径。

“可视化任务驱动地图”的设计分为两个阶段：第一阶段，将任务分解为三层渐进的“任务链”。第一层为“单元驱动”，包含运筹学的理论知识，为模块任务铺平道路；第二层为“模块驱动”，它是对上一层理论知识的整合与简单应用；第三层为“课程驱动”，解决工程行业中的实际问题，为未来岗位做好准备。第二阶段，遵循布鲁姆提出的六个认知层次，设计“可视化任务驱动地图”使每个模块任务的结果“透明化”，即以图表和地图的形式记录每个阶段工作的结果，帮助学生了解每个阶段的任务、需要解决的问题、需要学习的概念，从而有效提高学习效率，同时对行业流程有一个透彻的了解。同时驱动地图符合工科生的学习和思考习惯。

（一）构建“三层”循序渐进的任务链

根据《运筹学》课程的知识体系和教学目标，设计“三层”循序渐进的任务链，见图1。第一层为基础任务层，旨在帮助学生掌握基本概念和原理；第二层为“模块驱动”任务层，通过实际案例分析，培养学生解决问题的能力；第三层为“课程驱动”创新任务层，引导学生开展创新性研究和探索。每个层次的任务都紧密围绕课程目标，形成一个有机整体。

（二）任务的可视化设计

随着信息技术的快速发展，知识图谱作为一种有效的知识表示和可视化工具，逐渐在教育领域得到广泛应用。在理工科课程教学中，任务链作为一种重要的教学组织方式，对于引导学生逐步深入学习和理解课程内容具有重要意义。然而，传统的任务链展示方式往往较为抽象和复杂，不利于学生的理解和应用。因此，我们提出利用知识图谱实现任务链的可视化过程，以期提高教学效果和学生的学习体验。

1.知识图谱与任务链的结合

知识图谱是一种基于图的数据结构，用于表示实体、概念及其之间的关系。我们需要确定任务链中的关键节点和关系。这包括识别出每个任务的主要概念、知识点以及它们之间的逻辑关系，如因果关系、包含关系、并列关系等。这些节点和关系将构成知识图谱的基础。通过将任务链中的任务、概念等实体以及它们之间的逻辑关系进行图形化表示，可以形成任务链的知识图谱，有助于学生更好地理解任务链的构成和逻辑关系。

2.任务链知识图谱的构建

构建任务链知识图谱是一个系统且精细的过程，它要求深入研究任务链的结构与内涵，并准确地将其转化为可视化的图形表示。以下是构建任务链知识图谱的主要步骤：

首先，进行任务链分析。这一步骤至关重要，需要对任务链进行全面而深入的分析，明确任务链的总体目标、各个任务之间的逻辑关系以及每个任务的具体要求和特点，为后续的知识图谱构建提供坚实的基础。

接下来，进行实体与关系的抽取。从任务链中识别并提取出关键的实体和关系，这些实体包括具体的任务、涉及的概念、知识点等，而关系则反映了这些实体之间的依赖、关联、先后顺序等逻辑联系。这一过程需要运用领域知识和文本处理技术，确保提取的实体和关系准确、全面。

随后，进入图谱绘制阶段。利用专业的知识图谱绘制工具，将提取出的实体和关系进行图形化表示，形成直观、清晰的任务链知识图谱。在绘制过程中，需要注重图谱的布局、节点的设计以及关系的可视化表达，使图谱既能够准确反映任务链的结构和内容，又具有良好的可读性和美观性。

最后，进行优化与调整。根据实际需求和学习者的反馈，对构建好的任务链知识图谱进行优化和调整。这包括对图谱的结构进行调整、对节点的信息进行补充或修正、对关系的表达进行完善等。通过不断地优化和调整，可以使任务链知识图谱更加符合学习者的认知规律和学习需求，提高其实用性和有效性。

通过以上步骤，可以构建出一个完整、准确、实用的任务链知识图谱，为《运筹学》等理工科课程的教学与学习提供有力的支持。这一知识图谱不仅有助于学生准确地理解和把握任务链的整体结构和逻辑关系，还能够为教师的教学设计和学习评估提供有益的参考。

3.知识图谱的交互功能的实现以及学习平台的嵌入

为了进一步提升学生的学习体验和学习效果，可以利用知识图谱的交互功能，并将其嵌入到在线学习平台中。

首先，为知识图谱中的每个节点添加丰富的交互元素。点击节点时，学生可以查看详细的任务描述、学习资料或相关案例，帮助他们深入理解任务要求和背景知识。此外，还提供了缩放、拖拽、搜索等交互操作，使学生能够根据自己的需求灵活浏览和探索图谱，快速定位感兴趣的知识点或任务。

其次，注重知识图谱的动态更新和个性化推荐功能。根据学生的学习进度和反馈，知识图谱能够实时更新任务状态，显示已完成、进行中或待完成的任务。同时，基于学生的学习历史和兴趣偏好，知识图谱还能推荐相关的学习资源和拓展任务，帮助他们拓宽知识视野，提升学习效果。

最后，将绘制好的知识图谱无缝嵌入到在线学习平台中，如“学习通”等，为学生提供便捷的学习途径。学生只需登录学习平台，即可随时访问知识图谱，查看任务链的整体结构和每个任务的具体内容，见图2。

（三）实施与评估

将可视化任务驱动地图应用于《运筹学》课程教学中，通过对比实验组和对照组的学习效果，评估该方法的有效性。同时，收集学生的反馈意见，不断优化和完善可视化任务驱动地图的设计和实施。在实施过程中，注重学生的参与和互动，鼓励他们积极参与任务完成和讨论，提高自主学习能力和团队合作精神。

三、課程建设路径探索的意义

首先，有助于推动课程改革与创新。传统的《运筹学》教学往往侧重于理论知识的灌输，缺乏对学生实际能力的培养。本文提出的基于可视化任务驱动地图的《运筹学》课程建设路径，将任务驱动教学和可视化教学手段引入课程教学中，使课程内容更加贴近实际，教学方法更加灵活多样。这不仅能够激发学生的学习兴趣，提高他们的学习效果，还能够推动课程内容的更新和教学方法的创新，为理工科课程改革提供新的思路和方法。

其次，有助于培养符合社会需求的人才。通过本文的探索与实践，学生能够在完成任务的过程中，主动探索、积极思考、解决问题，从而培养他们的自主学习能力和创新精神。同时，通过可视化任务驱动地图的引导，学生能够更加清晰地了解课程结构和任务要求，更加有效地进行学习和实践，从而提高他们的问题解决能力。

最后，有助于促进教育信息化发展。教育信息化是当前教育发展的重要趋势，也是提高教育教学质量的有效途径。课程建设中充分利用现代信息技术手段，通过知识图谱的交互功能并将其嵌入到在线学习平台中，为学生提供了一个更加生动、有趣且高效的学习环境。这不仅能够激发学生的学习兴趣和积极性，还能帮助他们更好地理解和掌握《运筹学》等理工科课程的知识体系，提升学习效果和成绩。同时也推动了教育信息化的发展，为教育教学改革提供有力支持。

结语

基于知识图谱与可视化任务驱动地图的《运筹学》课程建设路径探索，具有深远的意义和价值。它不仅有助于推动课程改革与创新，培养符合社会需求的人才，还有助于促进教育信息化发展，为教育教学的深层次变革提供有力支持。

本文系1.山东省高等教育学会高等教育研究专项课题《基于“可视化任务驱动地图”的运筹学课程建设与改革研究》（课题编号：SDGJ212027）的研究成果；2.2023年山东省本科教学改革项目《“思政引领、创新驱动、教赛联合、混合教学”：基于一流课程的数学公共课“金课群”建设》（项目编号：M2023043）的阶段性成果。

参考文献：

[1]董银丽，任翠萍，薛盼.基于OBE和布卢姆法则的混合式教学设计.高教学刊，2021（18）：111-114.

[2]吴开信，成利刚，等.基于OBE理念的《运筹学》课程教学改革探索与实践.高教学刊，2019（02）：135-137.

[3]孙晶，张伟，任宗金，等.工程教育专业认证毕业要求达成度的成果导向评价[J].清华大学教育研究，2017（4）：117-124.

[4]曹礼，董艳玲，彭燕.项目导向任务驱动可视化口腔技能竞赛探索实践[J].中国高等医学教育，2023（09）：46-47.

[5]魏晔，崔贯勋.基于知识图谱的Python程序设计课程教学设想[J].计算机教育，2024（02）：51-54.

[6]颜慧.混合式教学中课程知识图谱的构建与应用研究[J].电脑知识与技术，2024，20（02）：175-177.

[7]谢艳娟.我国高等工程教育课程模式发展转向与课程管理变革[J].高等工程教育研究，2016（3）：131-136.

[8]申天恩，斯蒂文·洛克.论成果导向的教育理念[J].高校教育管理，2016， 10（5）：47-51.

[9]段雨希，邱芹军，田苗等.面向地质图的知识图谱构建及智能问答应用[J].地质科学，2024，59（02）：588-602.

[10]刘晓玲，王炜.基于知识图谱的课程教学改革[J].中国冶金教育，2024（01）：7-11.

（作者单位：1.聊城大学东昌学院数学与信息工程系 2.山东省聊城市第一中学数学组）

（责任编辑：豆瑞超）