基于建构主义教学理论的光电成像原理课程教学改革研究

摘" 要：光电成像原理课程作为无人装备工程本科专业的核心主干课，为更好地完善学员知识体系，实现“学以致用”的教学目标，课程组从“光电成像系统-器件-原理-性能”的角度逆向重构教学内容、提出基于知识图谱的建构主义教学模式、改革教学评价方式，帮助学员构建完善知识体系，有效实现知识“外化”。

关键词：建构主义教学理论;知识图谱;课堂教学创新;教学模式改革;光电成像原理

中图分类号：G642" " "文献标志码：A" " " " " 文章编号：2096-000X（2025）04-0147-04

Abstract： In order to better improve the students' knowledge system and practical ability， the course team of The Principle of Photoelectric Imaging reconstructs the teaching content from the perspective of \"Optoelectronic Imaging Systems-Devices-Principles-Performance\"， proposes a constructivism teaching mode based on knowledge graphs and reforms teaching evaluation methods. The above measures aim to assist students in building a sound knowledge system and effectively achieve the \"externalization\" of knowledge.

Keywords： constructivism education theory; knowledge graph; innovation in class-teaching; teaching mode reform; The Principle of Photoelectric Imaging

光电成像原理课程是无人装备工程本科专业的基础必修课，共52学时。教学内容主要涵盖光电成像器件的成像原理、主要性能参数，以及典型光电成像系统的结构及应用。目的是帮助学员理解光电成像器件的工作过程，掌握光电成像系统的组成、功能及工作原理，具备分析解决光电成像系统典型问题的能力。

本课程经过多年教学模式改革与探索实践，在解决课程概念抽象、理论公式繁多、推导过程复杂等教学难题方面，形成了一套行之有效的解决方案。然而，学员对于光电成像原理知识外化程度明显不足。从知识“学到了、讲明白、做出来”的三个阶段来看，大部分学员仅停留于“学到了”的初级阶段，能够达到课程考试的基本要求，但很少有学员能够向其他人“讲明白”光电成像原理的整个知识体系，更别谈将理论知识运用到光电成像系统的使用问题中，达到“做出来”的水平。反思课程的教学过程，有以下两个痛难点：

一是仅强调知识的理解掌握，忽略了知识体系的形成与反馈。尽管运用了很多信息化、智能化课堂教学方法，但出发点还是停留在学员对单个知识点/知识模块的理解掌握，使得学员面对本课程多而散的知识点，无法在自身头脑中进行深度连接、结构重整，没有形成系统性知识体系、生成自己新的认知，导致大部分学员在大脑的自然遗忘规律下，很快忘记所学知识，真正需要用的时候却想不起来。

二是缺少知识运用训练，“理论会考不会用”问题突出。对于成像问题的分析往往需要从现象到本质的逆向推导，这不仅需要学员能够融会贯通数电模电、工程光学等多门课程的相关知识，还能够灵活地从多个角度来进行分析，对学员的逆向逻辑思维提出了非常高的要求。而学员在过去的学习中，大多数是基于顺向思维引导，缺乏对逆向思维的实践和训练，导致出现 “理论会考不会用”的尴尬局面。

针对上述教学痛难点问题，课程组从“系统-器件-原理-性能”的角度逆向重构教学内容、提出基于知识图谱的建构主义教学模式、改革教学评价方式，帮助学员构建完整知识体系，有效实现知识外化。具体举措如下。

一" 课程内容重构

为了实现课程教学目标，学员需学习像管、CCD等6种光电成像器件，夜视仪、红外热像仪等5种光电成像系统，100余个基础知识与基本概念。为有效实现“学到了”“讲明白”“做出来”的目标。课程组从两个方面重构课程内容体系。

（一）" 以知识为导向，自底向上构建知识学习体系

按照“基础理论—成像器件—成像系统”的顺序组织内容，体现的是一种典型的自底向上、从简单到复杂的顺向思维。

（二）" 以能力为导向，自顶向下构建知识运用体系

依据专业技术人员能力养成的逻辑规律，通过自顶向下的逆向重构，以“成像系统—成像器件—工作原理—性能指标”为逻辑主线（如图1所示），首先从系统出发，讲授其功能应用，然后再剖解到局部器件，讲授其地位作用并分析性能指标，最后再对器件剖解并阐释内在的工作原理，强化学员逆向思维能力。优化后的教学内容可以实现：

1）分散知识的体系结构化。以光电成像系统为主体，将教材中原本多而分散的知识点关联起来，有助于帮助学员构建完整的知识架构。

2）知识运用的能力导向化。通过由外向内、由系统到零部件的逆向顺序学习，使其在后期分析光电成像系统问题时，也能按照同样的思路抽丝剥茧，潜移默化地培养其逆向逻辑思维习惯。

综上所述，通过对教学内容的重构与优化，学生既能够基于教材顺向梳理由器件到系统的成像过程，也可以基于逆向重构后的教学内容，由外向内地分析系统的成像问题，更好地达成教学目标。

二" 教学方法创新

针对学员“知识体系不完善”“理论会考不会用”的教学痛难点问题，光电成像原理课程组以建构主义学习理论[1-5]为指导，提出了基于知识图谱的建构主义教学模式。即借助知识图谱教学软件，结合情景、协作、会话等学习环境，引导学员将所学的知识按自己的逻辑进行知识图谱建构、融会贯通，最终实现知识“外化”。在该教学模式下，具体教学内容采用的教学方法如下。

（一）" 基于知识图谱的支架式教学法

基于知识图谱的支架式教学法[6-7]适用于理论框架明确、逻辑性强、学员已具备一定基础的教学内容。步骤如图2所示，具体包括：

1）搭脚手架。教员按“最近邻发展区”的要求设置学习主题，搭建脚手架。

2）独立探索。教员设置问题，发布相关资源，启发引导学员沿着搭建好的脚手架逐步攀升学习。

3）图谱构建。学员基于所学知识绘制知识图谱框架，并挑选知识框架中最有触动的知识点，按照自己的理解阐释上传，教员点评，选出有代表性的进行分享。最后，学员反馈知识框架中难以理解的知识点，教员统计共性难点问题。

4）协作学习。针对框架中的重难点内容以及学员反映的共性问题，通过小组协商、课堂实验、小组辩论等形式，对知识问题进行辨析、研讨，在共享集体思维成果的基础上达到对建构的知识图谱框架进行完善与拓展，最终完成对所学知识的意义建构。

5）效果评价。通过小组互评与教员评价，从知识图谱逻辑正确性、完善性、学员自学能力、协作学习过程中的讨论效果等进行评价。

（二）" 基于知识图谱的抛锚式教学法

基于知识图谱的抛锚式教学法[6-7]适用于理论与实际结合紧密、案例丰富、具有一定难度的教学内容。步骤如图3所示，具体包括：

1）创设情境。结合学习主题，教员创设与现实情况基本一致或相似情境。

2）启发引导。选择与当前学习主题密切相关的真实性事件或问题作为学习的中心内容，让学生面临并需要立即去解决该现实问题。

3）自主探究。教员向学生提供解决该问题的相关线索，发展学员的“自主学习”能力。学员结合自己搜集的资料，分析、加工并思考问题解决方案，初步完成解决该问题所需的知识图谱建构[8-10]。

4）协作学习。通过小组讨论、交流，通过不同观点的交锋，加深学员对当前问题的理解，并及时补充、修正已构建完成的知识图谱，并将问题的分析与解决思路按照各自的理解阐释上传。

5）效果评价。结合学员完成的知识图谱，评价学员确定学习内容表的能力、获取有关信息与资料的能力、利用评价相关信息及资料的能力。

（三）" 基于知识图谱的随机进入式教学法

基于知识图谱的随机进入式教学法[6-7]适合于运用场景多样化，对学员灵活运用能力要求高、课程中与上下文链接丰富的教学内容。步骤如图4所示，具体包括：

1）呈现基本情境。向学员呈现与当前学习主题的基本内容相关的情境。

2）随机进入学习。学员“随机进入”学习所选择的内容，而呈现与当前学习主题的不同侧面特性相关联的情境。

3）思维发展训练。通过设置有利于学生认知能力发展的问题引导学员思考，结合知识图谱构建过程，引导学员建立自己的思维模型，同时通过拓展性问题，培养学员的发散性思维，进一步补充完善知识图谱[8-10]。

4）小组协作学习。围绕呈现不同侧面的情境所获得的认识展开小组讨论，在讨论中，每个学员的观点在和其他学员以及教员一起建立的研讨环境中受到考察、评论，同时每个学员也对别人的观点、看法进行思考并作出反应。

5）学习效果评价。通过小组互评与教员评价，从学员自学能力、小组学习过程中所作的贡献以及是否完成对所学知识的意义建构三方面进行评价。

三" 教学评价改革

坚持“以评促学、以评促改、以评促建”的考核理念，设计了形成性考核（满分100分，占比60%）+终结性考核（满分100分，占比40%）相结合方式的课程考核方式。其中，终结性考核为闭卷考试，满分100分，终结性考核不及格，计课程考核成绩不及格，最高为59分。

针对形成性考核的评价见表1，由于不同教学内容采用的教学方法不同，因此涉及到的具体环节及评价点不同，具体见表1。

四" 改革实践效果

（一）" 学员学习效果评价

课程组于2022年秋季学期针对第五章至第十章的教学内容开展教学模式改革，其他内容采用传统教学方式授课。通过不同的授课模式，对比分析学员在终结性考核（A、B卷闭卷考试）过程中的得分情况发现，A卷平均分79.5分，B卷平均分79分，两套题目难易程度相当，题型覆盖全内容。对比A、B卷答题情况，从每题的得分率可以看出：总体上，学员对第五章、第六章、第七章相关内容掌握较好，平均得分率在80%以上。相反，对第一到四章部分题目容易的情况下仅有20%～40%的学员答对。对比可知，采用改革后的教学模式讲授的相关内容，平均得分率为85.25%，而采用传统教学方式授课的相关内容，平均得分率为70.35%。对比可知，采用基于知识图谱的建构主义教学模式，学员得分率提升了14.9%。

（二）" 教学痛难点改善明显

2022年由于疫情影响，学员在无时间复习的情况下参加光电成像原理课程考试，基于传统教学模式教授的相关内容学员得分率为20%～40%，相比之下，教学模式改革后教授的相关内容学员得分率基本在80%以上。专业实习期间，学员知识运用能力明显提升，解决光电成像系统相关问题2起，受到实习单位好评，实现了课程理论知识向实践的直接转换，一定程度上改善了学员“知识体系不完善”“理论会考不会用”的痛难点问题。

五" 结束语

课程组围绕光电成像原理历年来教学过程中存在的学员“知识体系不完善”“理论会考不会用”两大痛难点问题，从学员“体系知识建构、逆向思维培养”两方面进行突破。通过逆向重构教学内容，使学员学会从顶向下思考剖析光电成像系统，并以建构主义教学理论为指导，引入知识图谱教学工具，使知识建构过程、关系梳理链接等过程得以具象化、可监督可评价，从而激发了学生学习的主动性和创造性，使学生的知识、能力、素养得到了综合一体化培养，更好地实现了课程教学目标，提升了教学质量。

参考文献：

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基金项目：陕西高等教育教学改革重点攻关项目“基于系统工程思维的多学科交叉类课程教学改革与实践”（23BG057）

第一作者简介：赵搏欣（1987-），女，汉族，四川内江人，工学博士，副教授。研究方向为光电成像技术。