基于知识图谱的“材料科学基础”课程混合式教学模式创新实践

摘 要 文章以五邑大学的“材料科学基础”课程为研究对象，依托知识图谱的构建，提出“多层级任务引领全过程学习”的混合式教学模式。该模式致力于解决传统教学中知识更新缓慢、教学互动性不足和个性化教学缺乏等问题，采用自上而下策略，结合模块化设计原则，构建一个结构化且能动态更新的课程知识体系。通过线上自主学习与线下实践应用有机结合，该模式显著提升了学生对材料科学概念的深刻理解，促进了理论与实践的紧密结合，能为材料科学与工程专业人才培养提供有益借鉴。

关键词 新工科教育；混合式教学；知识图谱

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.28.036

Innovative Practice of Blended Teaching Mode for "Fundamentals of Materials Science" Course Based on Knowledge Graph

HE Xin， ZHANG Chi， YU Ting

（School of Applied Physics and Materials， Wuyi University， Jiangmen， Guangdong 529020）

Abstract The article takes the "Fundamentals of Materials Science" course at Wuyi University as the research object， and based on the construction of a knowledge graph， proposes a hybrid teaching mode of "multi-level task led whole process learning". This model is committed to solving the problems of slow knowledge updating， insufficient teaching interactivity， and lack of personalized teaching in traditional teaching. It adopts a top-down strategy and combines modular design principles to construct a structured and dynamically updated curriculum knowledge system. Through the organic combination of online self-learning and offline practical application， this model significantly enhances students' profound understanding of material science concepts， promotes the close integration of theory and practice， and can provide useful references for the cultivation of materials science and engineering professionals.

Keywords new engineering education; blended learning; knowledge graph

全球经济与科技变革推动新工科教育兴起，不仅强调工程教育与新兴科技的融合，更倡导跨学科的综合学习、创新思维的培养，以及解决复杂工程问题的能力的提升[1-2]。“材料科学基础”作为材料科学与工程专业的核心课程，是培养学生系统掌握材料科学核心知识、提升工程实践能力的重要环节。然而，面对新工科教育对创新性和实践性的高要求，现有教学模式在知识更新速度、教学互动性以及个性化教学等方面显现出不足。

知识图谱的构建为混合式教学模式注入了结构化的课程知识体系，同时保证了内容的系统性和动态更新[3-4]。这一框架不仅促进了学生的线上自主探索，还强化了他们对概念间联系的理解，并有助于教师在线下课堂中指导学生更深入地参与讨论和实践。知识图谱与混合式教学模式相结合，实现了线上自主学习与线下互动的有效衔接，增强了教学的个性化和互动性[5]。本文以五邑大学“材料科学基础”课程的教学模式创新为例，通过分析传统教学模式的局限性，提出基于知识图谱的混合式教学模式，并讨论其构建的必要性与实施策略，为新工科教育下材料科学与工程专业人才的培养提供新的思路和实践案例。

1 课程学情分析

“材料科学基础”是面向材料科学与工程专业大二学生，于第四学期开设的一门专业基础课程。本课程采用线上线下相结合的混合式教学模式，总计64学时，其中线上学习占16学时，线下学习占48学时。课程内容既包含科学原理的阐述，又包含工程应用的探讨，是连接基础科学理论与实际工程技术不可或缺的桥梁。

然而，在实施混合式教学模式的过程中，也面临一些亟待解决的问题。首先，知识点的零散分布导致学生难以把握材料科学的整体架构，缺乏系统性的整合使得学生在理解复杂概念时遇到障碍。其次，由于缺乏对学生个性化学习需求的关注，教学内容和方法未能充分适应不同学生的学习风格和节奏。最后，教学互动性的不足也影响了学生的学习动力，传统的单向讲授方式难以持续激发学生的学习兴趣和参与热情。为了解决这些问题，需要对现有的教学模式进行创新。

2 知识图谱构建的必要性分析

在认知心理学和教育学理论的基础上，知识图谱作为一种语义网络，利用图论的原理将概念、实体和它们之间的关系可视化。在“材料科学基础”课程的实践中，知识图谱的构建带来了多方面的显著益处。首先，它支持个性化学习路径的设计，可以根据学生的学习行为和偏好定制学习内容，使学生能够按照自己的节奏和兴趣进行深入探索，这不仅提升了学生的学习效率，也增强了其学习动机。其次，知识图谱通过其结构化表示，清晰展示了材料科学概念之间的联系，促进了学生对复杂理论的系统性理解，帮助他们形成全面的知识视角，为解决跨学科问题奠定了基础。再次，知识图谱的动态更新特性确保了课程内容的前沿性，可以及时融入最新的科研发现和工业应用，这有助于激发学生的创新思维，鼓励他们将理论知识应用于实践，从而提高他们的应用与创新能力。最后，知识图谱还可以作为评估学生学习成效的工具，通过跟踪学生的学习轨迹和互动情况，教师可以获得实时反馈，了解学生的知识掌握和能力发展情况，以便进行针对性的教学调整和个性化指导。综上所述，知识图谱的构建极大地促进了“材料科学基础”课程教学质量的提升。

3 知识图谱构建的实施策略

知识图谱的构建应以“材料科学基础”课程大纲为理论基础和实践指导，遵循模块化设计原则，将课程内容划分为一系列层级化的模块和子模块，每个模块集中于特定的知识单元，包括主题、概念、原理及其应用场景。这种模块化的知识表示方法不仅可以促进学生对教学内容的递进式掌握，还能增强知识图谱的可扩展性和可维护性。尤为重要的是，层级化结构的设计允许学生在认知构建过程中逐步深入，从而实现对复杂科学概念的深层次理解。

在“材料科学基础”课程中，知识图谱的构建策略致力于整合多样化的教学资源，包括经典教材、前沿学术论文、互动在线课程、实验室指导手册及行业趋势报告等，共同构筑起一个全面且深入的材料科学知识库，为学生提供多角度的学科视角。同时，还要对每个知识点和资源项进行分类处理，以优化学生检索资源的过程，提高查找信息的速度和准确性，使知识图谱能够根据学生的学习目标和兴趣进行个性化的动态调整，从而为学生提供定制化的学习体验。其次，可引入在线讨论板、虚拟实验室和互动问答等工具增强知识图谱的互动性，激发学生的主动探索精神和协作学习能力。同时，还应在知识图谱中不断补充材料科学领域的最新进展，以确保教学内容的时效性和相关性，使教学始终与学科发展同步。最后，应完善基于知识图谱的评估和反馈机制，使教师能够实时监控学生的学习进度，并通过学生的互动和表现提供及时反馈，为教学方法和资源的不断优化提供依据。以上策略的实施，不仅可以丰富“材料科学基础”课程的教学资源，还能极大地促进了学生知识迁移能力和创新能力的发展。

4 基于知识图谱的混合式教学模式创新实践

4.1 混合式教学模式的层级化策略

在“材料科学基础”课程中，混合式教学模式的设计采用了创新性的“多层级任务引领全过程学习”方法。该方法将教学活动分为三个层级，每个层级都通过知识图谱进行支持和导航，确保学生在线上和线下的学习过程中都能获得连贯和深入的学习体验，具体实施如图1（p112）所示。层级1“线上知识点自主获取与初步建构”：学生通过线上平台接触课程内容，利用知识图谱导航，有针对性地浏览微课视频库和习题库，完成基础知识点的学习和初步测试。层级2“线下课堂知识应用与协作实践能力提升”：在线下课堂中，学生在已获得的基础知识之上，通过参与项目和案例分析等实际情境，结合互动式问答，提升知识应用和协作实践能力。层级3“课后知识总结、内化与拓展延伸”：课后，学生根据个人学习情况和兴趣，选择适合的学习资源和方式进行知识的个性化总结和反思，并通过撰写课程论文、参与学术竞赛等方式拓展知识。

4.2 知识图谱在混合式教学过程中的支撑

4.2.1 课程导航与框架建设

学生可以通过知识图谱理解课程结构，明确学习目标，并根据自己的学习进度和兴趣定制个性化的学习计划。这种导航系统的建立，为学生线上自主学习阶段提供了方向和框架。

4.2.2 实际应用与案例融合

通过将实际案例和最新科研进展嵌入知识图谱，学生在学习理论的同时，能够看到知识点在现实世界中的具体应用，从而加深对材料科学知识的理解。

4.2.3 在线互动与反馈机制

知识图谱平台的互动工具，如在线讨论区和实时反馈系统，为学生和教师之间的沟通搭建了桥梁。这些工具不仅增强了学生的参与感，还使教师能够及时获取学生的学习反馈，从而调整教学策略。

4.2.4 个性化学习路径

知识图谱通过记录学生的学习行为和成绩，为个性化学习提供了数据支持。教师可以根据学生的不同需求，通过知识图谱推荐系统为每位学生提供定制化的学习资源和任务，支持学生的自主学习和知识迁移。

4.2.5 评估和持续改进

知识图谱收集的学习数据为教学评估提供了丰富的信息源。教师可以利用这些数据进行综合性评估，及时调整教学内容和方法，确保教学活动始终符合学生的学习需求和课程教学目标。

5 结语

在新工科教育背景下，本教学团队对“材料科学基础”课程进行了混合式教学模式的创新实践，以应对传统教学模式存在的诸多局限，包括知识更新缓慢、教学互动性不足、个性化教学缺乏等，通过引入知识图谱，提升教学内容的系统性、互动性和个性化学习体验。本教学团队所建立的结构化和动态更新的课程知识体系，不仅促进了学生对材料科学概念的深入理解，而且加强了理论与实践的结合；依托知识图谱而提出的“多层级任务引领全过程学习”方法，实现了线上自主学习与线下互动教学的有效融合；通过层级学习任务，引导学生逐步深化对知识的理解与应用，促进学生从被动学习向主动知识建构的转变。展望未来，本文期望将这些实践经验扩展到更多课程中，并进一步探索与新兴教育技术的结合，如人工智能和虚拟现实，这将有助于创造一个更加丰富和互动的学习环境。同时，还可考虑将更多实际工程问题和案例融入课程教学，为培养适应未来挑战的材料科学与工程专业人才奠定坚实的基础。

*通信作者：何鑫

基金项目：广东省一流本科课程建设项目（粤教高函〔2022〕10号）；广东省教学质量与教学改革工程项目（GDJX2023018）。

参考文献

[1] 连晓庆，郭紫洁.新工科视域下应用型高校人才培养模式构建研究[J].天津中德应用技术大学学报，2024（1）：22-27.

[2] 刘秀清，葛文庆，李波.基于能力本位培养的新工科人才培养模式改革与实践[J].中国大学教学，2023（11）：30-37.

[3] 郑育声，廖承红，韦双双，等.知识图谱的发展及其在高校科研教学中的应用[J].中国多媒体与网络教学学报，2023（12）：69-72.

[4] 申恒伦，康馨，韩庆香.线上教学研究的热点及趋势——基于CiteSpace的知识图谱可视化分析[J].枣庄学院学报，2022，39（2）：119-126.

[5] 姚春序，朱亚梅.国内高等教育混合式教学研究述评与展望[J].高教学刊，2024，10（12）：91-95.