工程认证背景下程序设计基础课程混合式教学中知识图谱的应用探析

关键词：工程认证；混合式教学；知识图谱；C程序设计

0 引言

工程认证要求工科类学生毕业时达到国际行业内认定的教育培养标准[1]，这需要对工科课程的教学内容和教学方式进行不断的创新和优化。2018年，教育部正式发布《教育信息化2.0行动计划》，为未来信息化教学发展奠定了总基调[2]。混合式教学作为一种新型的信息化教学模式[3-4]，通过整合线上线下教学和资源，为学生提供了更多的学习途径，帮助他们更好地掌握学科知识和技能。混合式教学与工程教育认证之间存在紧密的联系。两者都强调以学生为中心的教育理念。工程教育认证强调工科专业人才培养质量，混合式教学以学生的需求和发展为核心，注重学生的主动性、创造性和实践能力的培养。在工科课程中采用混合式教学能更好地培养具备工程能力和工程素质的学生，为工程认证提供有力的支持。

1 混合式教学下程序设计基础课程的课程目标

程序设计基础作为计算机学科的核心课程，该课程涉及基础语法、程序结构、程序设计，编码调试、工程伦理等大量知识点，为后续数据结构、算法设计等相关专业课程的学习提供了应用编程语言进行程序设计的必要知识和技能，在专业培养目标中占有重要的地位。该课程目标是强化学生对程序设计基础理论知识的学习和对知识的应用能力，培养学生的创新思维和实践能力。为了适应信息化教学的发展趋势，达到工程认证的要求，采用线上线下混合式教学是必然的发展趋势。

课程的知识目标：学生能够列举程序设计的基本概念；描述C程序三种程序结构的不同特点；绘制程序的流程图。

课程的能力目标：学生能够总结归纳结构化编程的基本方法和编程技巧；熟练运用编译软件进行程序的编码和调试；具有独立设计程序特定模块的实践能力；展现出沟通交流能力和团队合作能力。

课程的价值目标：学生能够具备人文素养、工程知识素养，社会责任感，形成正确的软件工程伦理观，展现科技报国的态度，塑造大国工匠精神。

2 混合式教学存在问题

程序设计基础课程采用混合式教学，充分结合了传统面授教学和网络教学的优势，打破时间和空间对课堂的限制，为学生的自主学习和拓展学习提供了条件，在一定程度上提升了学生的实践能力和解决问题的能力，但与此同时，在混合式教学的实施过程中，出现了一些值得注意的问题，这些问题可能影响到教学的质量和效果。

1） 线上线下教学融合难度大。混合式教学要求将线上教学与线下教学有机结合起来，需要精心设计课程教学流程。由于线上内容教学目标设置不清晰，造成线上和线下的教学内容可能出现重复或关联性不强的情况，学生学习后，不能构建出该课程完整的知识体系，影响教学效果。

2） 课程设计和资源整合问题。为了克服混合式教学所带来的空间、知识的离散效应[5]，混合式教学需要合理整合线上和线下的教学资源。然而由于课程设计不合理、线上资源的设置通常是以章为单位来设置，强调知识之间的线性关系，没有考虑知识之间的内在联系，学生难以从大量的学习资料中找到真正需要的内容，影响学生的学习效果，不能满足不同学生的个性化学习需求。

3） 评价反馈机制不健全。混合式教学需要建立完善的评价和反馈机制，掌握学生的学习情况，解决学生学习难题。由于反馈不及时，无法准确了解学生的学习动态，教师不能及时调整教学策略，造成教学效果不佳。

3 程序设计基础课程知识图谱的应用

近年来，知识图谱在教育领域的应用备受关注，其强大的语义关联和逻辑推理能力为课程改革提供了新的思路。在程序设计基础课程建设中，采用混合式教学与知识图谱相结合的方式，可以帮助教师更好地组织和呈现知识，使学生能够形成完整的课程知识体系。通过教师的引导，激发学生的主动性和创造性，为学生提供更加精准的学习路径，为学生专业课程学习提供多样化、个性化的学习体验。

3.1 课程知识图谱的构建

本课程的知识图谱构建从课程、模块、知识单元、知识点四个层次出发，采用自顶向下的方式分五步构建课程的知识图谱，如图1所示。

1） 数据获取。在构建知识图谱前，需要对本课程涉及的知识点进行梳理。围绕专业培养，立足课程目标，从本课程的教学大纲、教材、百度百科中提取课程知识点。本课程知识图谱的构造使用学习通课程平台中的知识图谱。通过“智能导入”导入了课程的教学大纲、导入了程序设计基础《C语言程序设计问题解答和实例解析方法》教材，通过模板导入了百度百科中的课程术语词条，共获取相关知识点1 036个。通过分析发现在获取到的数据中存在大量的冗余数据和无效数据，并且提取到的数据信息过短，不能完整表达知识点的信息。

2） 知识抽取。通过以上方式导入的数据多数是从教材目录出发，按照“章-节-知识点”的层级结构进行组织知识点，造成知识点提取过多和重复提取的情况发生。为了合理组织知识点。本课程的知识图谱按照“课程-模块-知识单元-知识点”的层级结构组织知识点，如图2所示。这种结构有助于学生更好地理解课程的整体框架和知识点之间的逻辑关系，便于学生将知识点更好地组织起来。

本课程共划分了“C语言基础”“设计结构”“高级应用”三个模块，每个模块聚焦一个相对独立又与整体课程紧密相连的主题，确保知识点之间的连贯性和完整性。在模块内部进一步梳理具体的知识点，能更好地提取出模块的核心内容和关键知识点。通过对提取到的知识点的增、删、改等操作，以及对其层级的调整，本课程知识图谱中共创建了127个知识点。

对确定好的知识点进一步对其属性进行设置。按照布鲁姆教育目标分类法为知识点设置“记忆”“理解”“应用”“分析”“评价”“创造”等6种认知维度。按照知识点的难易程度和思政元素，为其添加“重点”“难点”“考点”“思政知识点”等标签。同时每个知识点的教学目标也进行了详细描述，这样有效地把教学目标，学生工程能力培养、课程思政融入知识点中。

3） 关系描述。按模块确定好课程的知识点后，知识点之间已经具备了初步的层级结构。如图3所示。还需要进一步通过关系设置确定知识点之间的内在联系和相互依赖关系，本课程知识点之间设置了“前置”“后置”“关联”三种关系。如在“while语句”这个知识点，设置了前置知识点“表达式”，只有在掌握“表达式”的使用后，才能理解“while语句”的执行过程，写出正确的“while语句”。“while语句”的后置知识点为“循环嵌套”。“while语句”的关联知识点为“空语句”“死循环”“转移语句”，这些知识点之间存在密切的关联性，只有通过完整地学习以上知识点才能形成完成的有关“while语句”的知识网络。

4） 资源挂接。课程的知识图谱构建完成后如图4 所示，该图谱包括概念、原理、应用等多个维度，形成一个相互关联、层次分明的有关C语言程序设计的知识网络。为了进一步为学生提供更为便捷和高效的学习体验。立足工程认证和毕业要求，将优质学习资源与知识图谱中的实体进行深度整合。在知识点上可以挂接相关的微课视频、课件、题库、课程资料、试题、思政资料等。有效组合信息化资源，学生通过知识图谱学习，不仅可以了解实体和关系，还可以直接访问相关的学习资源，进一步深入学习和探索。同时在资源挂接上，为了开阔学生的科学视野，进一步提升课程内容的高阶性，有选择性地设置了前沿技术资料和ACM竞赛题目，以满足不同学生的学习需求。

5） 持续优化。为了确保知识图谱的准确性、完整性和时效性，需要对知识图谱持续优化。不断收集有关行业的最新信息和学科发展动态，对数据进行获取和更新，为实际应用提供更加准确、全面的支持。同时对已识别的知识点和关系进行验证和修正，保证其准确性和一致性。

3.2 知识图谱在教学上的应用

1） 教学内容的重构。在教学内容方面，结合知识图谱，重构了传统的程序设计语言课程内容。在新的课程体系更加注重知识点学习的系统性、连贯性和拓展性，使线上线下教学更有针对性。线上教学内容的设置上注重学生对基础知识点的学习，通过视频和课件，学生能够对基础知识点进行记忆和理解。通过知识图谱，学生还可以高效地获取其他学习资源辅助学习，保证了线上学习的有效进行。

线下教学内容侧重讲授于核心知识点，在授课中融入最新的编程技术和实践案例，强化学生对核心知识点识进行应用、分析和创造，解决了课程内容多，重理论轻实践的问题。

2） 教学形式的多样化。在线上学习中，通过每次课前发布任务点，学生必须在规定时间内完成规定任务。在完成基本学习任务后，可以根据自己的学习进度、能力和兴趣，通过知识图谱自主选择学习相关知识点和学习资料，知识图谱的应用为学生提供了个性化的学习资源和路径。在线下课堂教学中，注重课堂的针对性和高效性。教师通过测试和翻转课堂的形式了解学生对基础知识点的掌握程度；通过引导、讨论和实践等形式，加深学生对核心知识点的理解和应用，重点培养学生的编程思维。同时教师可以通过数据分析，了解知识点的平均掌握率和平均完成率，以便及时调整教学内容，也可以根据学生的学习数据，为他们提供有针对性的指导和反馈，促进教学质量的持续提升。

3） 教学评价的有效性。建立基于知识图谱的教学评价体系有助于混合式教学的评价反馈机制的进一步完善。对知识图谱相关联的知识点掌握情况、学生任务点的完成情况、知识点的完成率和掌握率、课程资料阅读数等数据分析，及时了解学生的学习路径，构建学生的学习画像，为学生的学习过程性评价提供客观、全面的评估依据。

3.3 应用效果分析

经过课程改革实践发现把知识图谱应用于混合式教学有效地提升了教学效果。通过知识图谱，学生对于该课程有了较深刻的认识，知道了该学什么，该怎么学。学生在线上学习中能高质量完成相关任务，并主动去学习关联知识点；在线下学习中，学生能更好地投入课堂学习中，学生的程序设计能力和创新能力得到了有效培养。

4 结论

混合式教学与知识图谱的结合为程序设计基础课程的教学改革提供了新的思路。知识图谱的应用能有效解决目前混合式教学中存在的一些问题，让原本复杂的专业课程的知识体系系统化和可视化，把知识点与课程资源结合，为课程的学习构建了一个动态的学习知识网络，满足了学生的个性化学习需求，帮助他们更好地掌握编程技能并解决实际问题。未来我们将继续深入研究知识图谱在专业课程群的应用潜力，进一步拓展专业课程群知识图谱，挖掘专业课程之间知识点的内在联系，培养学生的综合能力和创新思维。进一步完善和优化专业课程改革方案，以期更好地满足学生的学习需求和发展需要。