徐星 鄢睿丞 閆曉玲 費雯麗

［摘 要］ 通過教育知識圖譜能夠幫助師生快速掌握學科發(fā)展趨勢和課程基本知識體系，促進知識高效利用及教學新模式生成。以“電路”課程為例，詳細闡述了以課程教學為目標、教材為輸入，通過知識實體抽取、實體屬性設計、關聯(lián)關系挖掘和可視化呈現(xiàn)等方式構建多模態(tài)課程知識圖譜的方法。在此基礎上，開展了基于知識圖譜的“電路”課程的教學應用研究和實踐教學，以期為智能技術在教學中的應用提供參考。

［關鍵詞］ 電路；多模態(tài)；知識圖譜；教學應用

［基金項目］ 2022年度海軍工程大學教育科研課題（NUE2022ER14）

［作者簡介］ 徐星（1990—），女，江西九江人，碩士，海軍工程大學電氣工程學院講師，主要從事電路課程教學改革研究；鄢睿丞（1984—），男，湖北襄陽人，博士，國防科技大學信息通信學院講師（通信作者），主要從事信息系統(tǒng)相關課程教學改革研究；閆曉玲（1982—），女，湖北武漢人，碩士，海軍工程大學電氣工程學院副教授，主要從事電路課程教學改革研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）06-0001-04 ［收稿日期］ 2022-12-05

引言

“電路”課程是電氣類、電子信息類等本科專業(yè)的必修課程，也是研究電工技術和電子技術理論及應用技術的基礎課程，在人才知識體系中，處于基礎課程和專業(yè)課程間承上啟下的關鍵階段?！半娐贰闭n程的學習效果及其對電工技術的掌握程度，直接影響學生后續(xù)課程的學習成效和崗位任職能力的生成。國內(nèi)外眾多學者結合自身教學經(jīng)驗，對“電路”課程教學已做出許多改革探索與實踐［1-3］。但是，現(xiàn)有的教學方式仍存在一些不足之處，主要表現(xiàn)在：（1）對于課程資源，缺乏零散個體知識的精煉和構建；（2）缺乏以網(wǎng)絡的形式組織知識、以恰當?shù)姆绞匠尸F(xiàn)知識的方法；（3）針對不同學習狀態(tài)的學生未能提供適合且注重能力培養(yǎng)的學習路徑；（4）不利于教師因材施教，即細化掌握學生的知識學習狀態(tài)和關鍵知識節(jié)點的學習情況。為解決以上問題，迫切需要具有直觀的知識結構表征、清晰的邏輯關聯(lián)、兼具學習路徑導向推理的知識點等組織方式來加強對學生的輔助引導。

2012年，谷歌正式提出了“知識圖譜（Knowledge Graph）”的概念。2017年7月，國務院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》進一步明確了開展知識圖譜技術研究的重要意義，形成涵蓋數(shù)十億實體規(guī)模的多源、多學科和多數(shù)據(jù)類型的跨媒體知識圖譜［4］。知識圖譜作為一種整合數(shù)據(jù)的重要技術，近年來，越來越多的學者將其引入教學的垂直領域。教育知識圖譜主要是利用知識圖譜描述教育領域知識及其關聯(lián)關系，幫助師生掌握課程基本知識體系，促進教學新模式生成。例如，清華大學的研究人員將知識圖譜技術用于表示基礎教育領域的知識，構造基礎教育知識圖譜edukg.org，并將其應用智慧教育中［5］。李軒［6］為解決學生需要在多個平臺檢索和查詢有關教學資源的問題，基于知識圖譜搭建了知識問答系統(tǒng)，為學生提供基于自然語言交互的知識服務。崔京箐等［7］將知識圖譜用于翻轉(zhuǎn)課堂教學模式的實踐。由此可見，隨著技術進一步成熟，知識圖譜在教育領域中發(fā)揮著越來越重要的作用，并取得了一定的教學效果。

因此，本文針對現(xiàn)有教學的特點及不足，將知識圖譜相關技術應用于“電路”課程教學，以教材、視頻學習資源及習題考題集等資源作為輸入，構建“電路”課程多模態(tài)的知識圖譜，并開展教學改革與實踐，力求通過迭代式生成“電路”課程學習路徑和高效的教學應用進行探討研究，為適應部隊任職崗位需求，更好地為部隊輸送基礎知識牢、實踐能力強、崗位適應性高的合格人才。

一、“電路”課程知識圖譜及教學研究框架

（一）知識圖譜與教育知識圖譜

在2019版知識圖譜標準化白皮書中，對于知識圖譜的描述是知識圖譜是以結構化的形式描述客觀世界中概念、實體及其關系，將互聯(lián)網(wǎng)的信息表達成更接近人類認知世界的形式，提供了一種更好地組織、管理和理解互聯(lián)網(wǎng)海量信息的能力。由此可見，其本質(zhì)上屬于一種語義知識庫，抑或一個知識結構關系圖。知識圖譜主要由實體、關系、屬性三部分組成。

教育知識圖譜是知識圖譜技術在某個學科或課程中的應用。相較于一般領域知識圖譜，教育知識圖譜有如下特點：（1）節(jié)點多樣性，節(jié)點可以是實體、概念、公式、定理及結論等。（2）節(jié)點關系特殊性，具有方向性、傳遞性和相互性三個特征。（3）屬性多樣性，屬性可以是文本、視頻及圖片等多形式的學習教學資源。

（二）教學研究框架

本文基于知識圖譜的課程教學研究的基本框架如圖1所示，主要包括五個方面內(nèi)容，具體如下。

1.課程知識點圖譜建模。從“電路”課程的教學目標和教學大綱出發(fā)，結合教材，對課程知識點進行梳理并細化為知識實體。同時，賦予屬性一些必有屬性，如背景、概念、公式、難易程度、要點及教學目標等。

2.知識節(jié)點關聯(lián)關系挖掘。挖掘和設計上述知識實體間的層次和關聯(lián)關系，如前序、后繼、包含及并列等，并用圖譜的形式將其表示出來，形成層次化的知識網(wǎng)絡圖。

3.多模態(tài)教學資源鏈接。將“電路”課程相關知識實體與多模態(tài)教學資源實體以規(guī)范化、形式化方法進行關聯(lián)。主要包含三方面：（1）鏈接應用實踐案例資源。“電路”課程重視理論知識與工程實踐相結合，需要從實際應用需求出發(fā)，將相關的經(jīng)典應用案例與課程知識點進行關聯(lián)。（2）鏈接考題、習題類資源。將經(jīng)典練習題和以往考試題按照所考查的知識點進行分類匯總，鏈接到相關的知識實體處，便于學生學習練習。（3）鏈接網(wǎng)絡教學資源。收集網(wǎng)絡中優(yōu)秀的慕課、微課等教學資源，如清華大學“電路原理”MOOC等，方便學生課下有導向性地學習。

4.跨學科知識關聯(lián)挖掘。主要是對先行課程如“高等數(shù)學”“大學物理”等知識點進行關聯(lián)挖掘。后續(xù)也可將“電路”課程中與其后續(xù)課程相關的知識實體進行建立關聯(lián)，可便于相關專業(yè)的學生有重點、有導向性地進行學習，也為智慧教育中跨學科知識圖譜提供接口。

5.課程學習路徑迭代式生成。經(jīng)過以上四步驟可以得到“電路”課程多模態(tài)知識圖譜，在此基礎上，結合不同學生的認知狀態(tài)和能力提升需求等各因素，以以往教學經(jīng)驗為指導，為學生迭代式地推薦面向個性化和精準化的學習路徑，并為進一步實現(xiàn)混合式教學模式創(chuàng)新提供新的改革思路。

二、“電路”課程多模態(tài)知識圖譜建設

本文以“電路”為例構建課程知識圖譜，是由知識實體、知識實體屬性、知識實體關聯(lián)組成知識圖譜的三元組。本文依據(jù)“電路”課程知識模塊內(nèi)容及教學要求，形成電路模型和基爾霍夫定律、電阻電路等效化簡、系統(tǒng)化分析方法、電路定理、動態(tài)電路的時域分析、正弦穩(wěn)態(tài)交流電路分析基礎、變壓器、諧振電路和三相電路等九個知識大類，形成了課程知識圖譜的核心骨架。

在上述知識圖譜構建原則和框架的基礎上，本文給出了“電路”課程知識圖譜建設的一般流程。首先，通過教學大綱、教材等信息抽取知識實體，并對知識實體進行屬性設計。其次，進行知識實體關系關聯(lián)，形成層次結構分明的錯綜復雜的數(shù)張知識圖譜。最后，將其相關的網(wǎng)絡學習資源、典型習題考題等資源迭代性地鏈接，形成多模態(tài)“電路”課程知識圖譜。

（一）知識實體提取

知識實體是圖譜的重要組成部分，在學科課程領域內(nèi)正式定義的概念、定理、公理、屬性詞及計算方法等都屬于知識實體范疇。根據(jù)前期梳理的課程知識點，進一步梳理出課程知識實體。這些實體包括復合知識實體和子知識實體，形成樹狀結構。

（二）知識實體屬性設計

為進一步豐富知識實體，便于構建知識圖譜，將上述每一個知識實體賦予屬性。包括：定義、公式、特征、使用注意事項、內(nèi)容、應用對象、應用場合、原因、重點程度、教學要求和難易程度等。

（三）知識實體關系關聯(lián)挖掘

本文參考各類文獻中對課程知識點間的邏輯關系分類方法，并結合“電路”課程的自身特色，主要把課程知識實體的關聯(lián)關系分為包含、前序/后繼、對偶和并列等四類關系，具體描述如下。

1.包含關系。用于描述知識實體間的層次關系。它是指知識實體A在概念層面上包含知識實體B，那么知識實體A和知識實體B間存在包含關系。

2.前序/后繼關系。若學習后一知識實體的前提是必須掌握某前一知識實體，則前一知識實體就是后一知識實體的前序知識實體。

3.對偶關系。對偶關系是指如果描述兩種知識實體的描述方程具有相同數(shù)學形式，則解的數(shù)學形式也是相同的。例如，電壓源與電流源、短路與開路、串聯(lián)與并聯(lián)、電阻與電導、電容與電感等都是對偶關系。

4.并列關系。并列關系是指兩個知識實體A、B是同屬于一個知識實體C中，這兩個知識實體A、B之間存在并行的關系，則知識實體A和知識實體B是并列關系。

（四）知識圖譜可視化呈現(xiàn)

本文將從橫向和縱向兩個方向組織建構知識圖譜。縱向組織按照章節(jié)順序進行排列，目的是構建整本教材的知識脈絡，提供完整的知識專題模塊和層次關系，幫助學生更快更高效地定位知識所在的位置，明確知識導航的路徑。例如，“電路模型與基爾霍夫定律”中包含“電路基本元件”圖譜，而其“電阻元件”知識實體又可以繼續(xù)向下分解展開。

橫向組織是為了體現(xiàn)跨章節(jié)內(nèi)容的知識關聯(lián)，也就是進一步挖掘課程內(nèi)部知識實體關聯(lián)關系。例如，在引入“相量”概念后，對于電阻、電容和電感元件而言，都有其相應的相量形式，則疊加定理、替代定理、戴維南定理、回路電流法等都可以應用于正弦穩(wěn)態(tài)交流電路的相量代數(shù)法分析中。因此，在知識圖譜中，有必要將以上這些實體與相量代數(shù)法知識實體形成有效鏈接。

三、基于知識圖譜的課程教學研究與實踐

（一）個性化學習路徑推薦

為讓學生順暢地使用知識圖譜進行學習，設置對應的策略為其推薦相對個性化的學習路徑。主要涉及任務為：（1）結合認知水平相關理論和以往教學經(jīng)驗，設計相關測試題。學生在學習前或?qū)W習后自主完成相關測試，生成測試結果。（2）教師根據(jù)測試結果確定學習狀態(tài)，推薦對應的知識圖譜學習路徑。下面以一階動態(tài)電路響應的三要素法的學習為例，進行說明。

1.學習狀態(tài)測試。課程知識單元測試題設置為簡單、中檔、高階等三個層次，分別設置4題、3題和2題。教師可綜合測試總得分和各類題型得分情況將學生的學習狀態(tài)分為三類，即前序知識掌握不牢固、前序知識掌握一般和能綜合應用前序知識的學生。

2.知識圖譜路徑推薦。教師依據(jù)學生學習的狀態(tài)不同，推薦不同知識圖譜的學習路徑。同時，學生再根據(jù)自身情況進行適時調(diào)整。（1）對于前序知識掌握不牢固的學生，以前序概念類知識為起點，設定其學習起點為“一階微分方程求解”，再根據(jù)知識點歸類整理，逐步讓學生學習較高階知識，向其推薦基礎學習路徑。（2）對于前序知識掌握一般的學生，則需要從掌握類知識點開始學習，逐步學習較高階知識，最后完成本次課程學習任務。在此基礎上，為了防止學生出現(xiàn)對基礎知識遺忘的現(xiàn)象，將基礎知識作為補充內(nèi)容，學生可以自行補充學習，擬向其推薦一般學習路徑。（3）對于能綜合應用前序知識的學生，已經(jīng)較好地掌握了本次課前序知識點，可直接進入本次課學習，向其推薦高階學習路徑。

（二）課程教學模式創(chuàng)新

結合前期課程知識圖譜工作基礎，遵循圖譜使用原則，可將知識圖譜應用于混合式教學的課前、課中和課后等三環(huán)節(jié)的教學實踐全過程中。

在課前自主學習模塊中，將學習路徑推薦機制應用于自主學習，并以差異化學習任務的形式進行發(fā)布。課中，教師可結合知識圖譜進行課程講評和總評，幫助學生更好地掌握課程的知識體系，快速抓住課程的重點、難點和關鍵點。課后，學生又可結合學習路徑推薦機制，進行復習、鞏固和查漏補缺。在整個學習環(huán)節(jié)中，學生可通過搜索功能模塊快速定位知識點相關內(nèi)容，并有針對性地學習。

結語

本文借助結構化知識圖譜的應用，梳理了課程知識點和教學資源，形成了多模態(tài)課程知識圖譜，為學生更高效學習“電路”課程知識提供了輔助，提高了學生的學習效率，為傳統(tǒng)教學注入新的活力。此外，由于人工智能技術的迅速發(fā)展，課程知識圖譜的應用在高校開展實踐時間較短，所以知識圖譜在實踐教學方面的應用還有待進一步深化。

參考文獻

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［7］崔京菁，馬寧，余勝泉.基于知識圖譜的翻轉(zhuǎn)課堂教學模式及其應用：以小學語文古詩詞教學為例［J］.現(xiàn)代教育技術，2018，28（7）：44-50.

Knowledge Graph of Circuit Course and Its Application to Teaching Mode

XU Xing1， YAN Rui-cheng2， YAN Xiao-ling1， FEI Wen-li1

（1. School of Electrical Engineering， Naval University of Engineering， Wuhan， Hubei 430033， China; 2. College of Information and Communication， National University of Defense Technology， Wuhan， Hubei 430035， China）

Abstract： The educational knowledge graph can help teachers and students quickly master the trend of subject development and the framework of the basic knowledge system of the Course， and can promote the efficient use of knowledge and the generation of new teaching models. Taking the Circuit course as an example， this paper expounded in detail the method of constructing multimodal course knowledge graph through knowledge entity extraction， entity attribute design， correlation mining and visual presentation. On this basis， the teaching application research and practical teaching of Circuit course based on knowledge graph are carried out to provide reference for the application of intelligent technology in teaching.

Key words： circuit; multimodal; knowledge graph; teaching