基于知识图谱的创新创业教育在“材料科学基础”中的教学实践

摘 要 在国家创新创业教育政策的推动下，五邑大学积极改革专业课程的教学内容和方法，致力于培养面向地方产业的应用型卓越人才。文章针对“材料科学基础”课程中存在的知识点多而杂、内容抽象等问题，基于知识图谱，分割知识点并用创新创业案例关联每个知识点，旨在通过引入产业案例和科研案例，使学生能在学习过程中直观地理解材料科学知识的实际应用。知识图谱的应用为学生提供了一个结构化的知识框架，有助于他们构建系统化的知识体系。通过“材料科学基础”课程改革实践，不仅提升了学生的学习积极性和创新能力，还为学生提供了一个将理论知识与实践应用相结合的平台，培养了学生的工程实践能力和解决复杂问题的能力。

关键词 材料科学基础；知识图谱；创新创业能力；案例分析

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.27.032

Teaching Practice of Innovation and Entrepreneurship Education Based on Knowledge Graph in "Fundamentals of Materials Science"

ZHANG Chi， YU Ting， SONG Weidong

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

Abstract Under the promotion of national innovation and entrepreneurship education policies， Wuyi University actively reforms the teaching content and methods of professional courses， and is committed to cultivating outstanding applied talents for local industries. The article aims to address the problems of multiple and complex knowledge points， as well as abstract content in the course of "Fundamentals of Materials Science". Based on the knowledge graph， the knowledge points are segmented and linked with innovation and entrepreneurship cases to enable students to intuitively understand the practical application of materials science knowledge through the introduction of industry and research cases. The application of "knowledge graph provides students with a structured knowledge framework， which helps them build a systematic knowledge system. Through the reform practice of the course "Fundamentals of Materials Science"， not only has it enhanced students' learning enthusiasm and innovation ability， but it has also provided a platform for students to combine theoretical knowledge with practical application， cultivating their engineering practice ability and ability to solve complex problems.

Keywords Fundamentals of Materials Science; knowledge graph; innovation and entrepreneurship ability; case analysis

“材料科学基础”课程作为材料科学与工程专业的核心必修课，其重要性不言而喻。本课程旨在为学生提供材料的组成、结构、性能及其加工工艺等方面的基础知识，培养学生的科学思维和工程实践能力。然而，由于其内容的抽象性和复杂性，学生在学习过程中常感困难，加之传统教学模式的局限性，学生的学习积极性和创新能力未能得到充分激发。

在当前国家大力提倡创新创业教育的背景下，五邑大学作为一所以培养应用型人才为主的地方性大学，致力于将创新创业教育融入专业课程教学。通过改革教学内容和方法，强化学生的创新意识和创业能力。国内外许多高校已经在“材料科学基础”课程的教学改革方面作出了有益尝试。例如，通过引入案例教学、项目驱动、翻转课堂等教学模式，增强了课程的实践性和互动性，提高了学生的参与度和学习效果。尽管取得了一定的成效，但在教学改革深入实施的过程中，仍面临着一些亟待解决的问题。例如，如何将教学内容与材料科学的最新发展紧密结合，如何构建科学合理的评价体系以全面评价学生的创新能力和实践技能，以及如何为学生提供充足的创新创业资源和平台等。

针对这些问题，本课程基于知识图谱，探索知识图谱在“材料科学基础”创新创业教学中的应用。知识图谱能够将课程知识进行结构化表示，帮助学生构建知识体系，促进学生对知识的深入理解和掌握。通过知识图谱，教师可以更直观地展示课程知识结构，更有效地组织教学内容，同时，学生也可以通过知识图谱进行自主学习，提高学习效率。

具体来说，本课程的教学改革将采取以下措施：首先，提炼重要知识点，构建模块化的教学内容体系，并引入材料科学的最新研究成果和发展动态；其次，改革教学方法，采用案例教学、项目驱动、翻转课堂等教学模式，提高学生的参与度和学习效果；再次，加强与产业的结合，为学生提供产业案例，增强学生的工程实践能力和创新能力；最后，构建科学合理的评价体系，全面评价学生的创新能力和实践技能。

1 改革举措

1.1 课程目标重新定位

基于双创理念重新定位课程教学目标。在过去的教学实践中，“材料科学基础”的课程目标偏基础、重理论、轻实践。结合学校的人才培养定位以及学院的专业发展特点，在教学改革过程中要重新梳理和定位课程目标。将培养学生双创能力，学生运用知识分析和解决实际问题的能力放在更加重要的位置上。将双创能力具体化，与相应的知识点相结合，并细化到教学和考核环节中。经过改革，课程目标拟定义为：①理解并复述材料科学基础的基本概念，能够利用其说明材料的结构和性能，可通过基本概念的发现过程理解创新创业思路；②使用数学、物理、化学、工程基础知识，以及材料科学相关专业知识，并结合文献分析和评估材料与器件中的组织结构、性质、加工工艺和性能优化等复杂工程问题，并将其用于创新创业实验的设计和分析；③应用材料科学基本原理和方法，结合工程专业基础知识，在创新创业活动中建立研究模型，对实验中涉及的材料成分－结构－性能之间的关系进行合理的分析和判断，进一步提升学生的双创意识和能力。

1.2 知识点提炼

首先由授课教师根据自己讲授章节的特点，将章节内容细化出一些典型知识点。基于知识点制作在线教学视频，结合课件、课外扩展知识、练习题等内容将知识点扩展为知识图谱在智慧树平台上线。如表1所示，以“晶体缺陷”这一章为例，课程组提炼出了8个重要知识点作为主要的知识节点，并以此为中心，继续细化知识，明确知识点之间的关系。以晶体缺陷中的点缺陷知识为例，课程组按照属种关系，将其分为点缺陷的定义、点缺陷的平衡浓度和点缺陷的分类三个子知识点。目前共总结了173个知识点，并确定它们之间的知识关系，通过属种关系、依赖关系、递进关系等将知识点分类。

1.3 创新创业案例引入

作为一所致力于培养应用型人才的本科大学，我们始终把培养学生的创新创业能力放在首位，特别是针对服务地方产业的应用型人才培养。在“材料科学基础”的教学中，特别强调理论与应用的结合。因此课程组在讲授每个知识点时都会融入与创新创业相关的案例，让学生通过这些案例加深对知识的理解，并根据不同案例的特点采取相应的学习方法。如表1所示，在“晶体缺陷”这一章节，我们针对每一个知识点都设置了相关案例，这些案例来自科技前沿或者产业，可以帮助学生充分理解所学知识，并明白基础知识如何在生产实践中发挥作用。

进一步，我们将这些案例通过知识图谱与知识点融合在一起。例如，在讲解点缺陷时，我们在知识图谱中引入了“铁渗碳”的产业案例。铁渗碳是钢铁生产中的一项关键技术，通过这个案例，学生们能够直观地理解点缺陷在实际生产中的应用，并学习如何通过控制化学成分和热处理工艺来改善钢材的性能。除了产业相关的案例，为了帮助学生了解科研前沿，课程组还引入了一些科学研究案例。如在点缺陷这个知识点下面，师生还讨论了太阳能电池相关的例子。在太阳能电池中，由于缺陷的存在，可导致太阳能电池中光生载流子复合率的增加，从而降低电池的转换效率。因此课程组在点缺陷这部分知识中也引入了点缺陷对太阳能电池效率的影响这一案例，让学生通过调研去充分理解在太阳能电池领域是如何分析和研究点缺陷这一问题的。

在这种教学模式下，在讲授完相关知识后，学生通过知识图谱关联到相关案例，并在教师的指导下分组完成案例的分析。学生将所学的理论知识运用到文献调研、案例分析和结果讨论中，不仅锻炼了他们的实践能力，还提高了解决复杂工程问题的能力。通过这种结合产业实际和科研前沿的教学方法，我们成功地将理论知识与实践应用相结合，为学生提供了一个锻炼创新创业能力的平台。

2 教学评价

在本课程中，课程组将案例学习融入知识图谱，并以翻转课堂和小组讨论的形式提供给学生。这种教学模式旨在促进学生的主动学习，提高他们的知识理解和应用能力，并采用以下方法实现对学生完成情况的评价。

2.1 翻转课堂任务

在翻转课堂模式下，学生需要在线上通过知识图谱系统学习相关的知识点和案例。系统提供了丰富的学习材料，包括教学视频、文献资料和互动问题，帮助学生构建起对即将讨论主题的初步理解。教师将综合评估学生的知识理解、案例理解能力，以及他们利用知识分析案例的能力。

2.2 小组讨论

学生被分成若干小组，每组针对特定的案例进行深入分析。在知识图谱的支持下，学生可以轻松访问到与案例相关的所有知识点，这有助于他们构建起案例与理论知识之间的联系。教师将引导学生进行有深度的讨论，并根据学生的讨论情况给出评价。

2.3 期中或期末汇报

对于综合性较强的案例，还可采用期中或期末汇报的方式进行评估。学生需要准备PPT讲解，展示他们对案例的深入理解，以及如何将理论知识应用于实际问题的解决。此外，学生还需要提交论文阐述他们的分析过程和结论。教师将根据学生的PPT讲解和论文完成情况评价他们的创新创业能力。

3 总结

本教学研究以“材料科学基础”课程为载体，以提高学生的创新创业能力为目标，研究知识图谱在创新创业教育中的应用。研究的核心在于课程目标的重新定位：将理论与实践相结合，重点培养学生的创新创业思维和能力。基于此，课程组更新了教学内容，引入材料科学的最新研究成果和产业发展前沿，采用案例教学、项目驱动等多元化教学方法，提高学生的参与度和学习效果。通过知识图谱，建设结构化的知识体系，促进学生对知识系统的理解和掌握。根据每个知识点的特点，引入不同的案例或项目构建创新创业案例库，帮助学生提高创新创业能力。通过这些改革措施，促进学生对材料科学基本概念的理解，利用这些概念分析材料的结构和性能，并将这些知识应用于解决实际问题。我们相信，通过这些改革，可以为学生提供一个更加丰富、互动和实践导向的学习环境，培养他们成为具有创新精神和实践能力的专业人才。

*通信作者：张弛

基金项目：广东省教学质量与教学改革工程项目（GDJX2021012，GDJX2023018）；广东省一流本科课程建设项目（粤教高函〔2022〕10号）。

参考文献

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