徐星 鄢睿丞 閆曉玲 費(fèi)雯麗

［摘 要］ 通過教育知識圖譜能夠幫助師生快速掌握學(xué)科發(fā)展趨勢和課程基本知識體系，促進(jìn)知識高效利用及教學(xué)新模式生成。以“電路”課程為例，詳細(xì)闡述了以課程教學(xué)為目標(biāo)、教材為輸入，通過知識實(shí)體抽取、實(shí)體屬性設(shè)計(jì)、關(guān)聯(lián)關(guān)系挖掘和可視化呈現(xiàn)等方式構(gòu)建多模態(tài)課程知識圖譜的方法。在此基礎(chǔ)上，開展了基于知識圖譜的“電路”課程的教學(xué)應(yīng)用研究和實(shí)踐教學(xué)，以期為智能技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用提供參考。

［關(guān)鍵詞］ 電路；多模態(tài)；知識圖譜；教學(xué)應(yīng)用

［基金項(xiàng)目］ 2022年度海軍工程大學(xué)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(xué)電氣工程學(xué)院講師，主要從事電路課程教學(xué)改革研究；鄢睿丞（1984—），男，湖北襄陽人，博士，國防科技大學(xué)信息通信學(xué)院講師（通信作者），主要從事信息系統(tǒng)相關(guān)課程教學(xué)改革研究；閆曉玲（1982—），女，湖北武漢人，碩士，海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院副教授，主要從事電路課程教學(xué)改革研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)和電子技術(shù)理論及應(yīng)用技術(shù)的基礎(chǔ)課程，在人才知識體系中，處于基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程間承上啟下的關(guān)鍵階段?！半娐贰闭n程的學(xué)習(xí)效果及其對電工技術(shù)的掌握程度，直接影響學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)成效和崗位任職能力的生成。國內(nèi)外眾多學(xué)者結(jié)合自身教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對“電路”課程教學(xué)已做出許多改革探索與實(shí)踐［1-3］。但是，現(xiàn)有的教學(xué)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(gè)體知識的精煉和構(gòu)建；（2）缺乏以網(wǎng)絡(luò)的形式組織知識、以恰當(dāng)?shù)姆绞匠尸F(xiàn)知識的方法；（3）針對不同學(xué)習(xí)狀態(tài)的學(xué)生未能提供適合且注重能力培養(yǎng)的學(xué)習(xí)路徑；（4）不利于教師因材施教，即細(xì)化掌握學(xué)生的知識學(xué)習(xí)狀態(tài)和關(guān)鍵知識節(jié)點(diǎn)的學(xué)習(xí)情況。為解決以上問題，迫切需要具有直觀的知識結(jié)構(gòu)表征、清晰的邏輯關(guān)聯(lián)、兼具學(xué)習(xí)路徑導(dǎo)向推理的知識點(diǎn)等組織方式來加強(qiáng)對學(xué)生的輔助引導(dǎo)。

2012年，谷歌正式提出了“知識圖譜（Knowledge Graph）”的概念。2017年7月，國務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》進(jìn)一步明確了開展知識圖譜技術(shù)研究的重要意義，形成涵蓋數(shù)十億實(shí)體規(guī)模的多源、多學(xué)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(shù)，近年來，越來越多的學(xué)者將其引入教學(xué)的垂直領(lǐng)域。教育知識圖譜主要是利用知識圖譜描述教育領(lǐng)域知識及其關(guān)聯(lián)關(guān)系，幫助師生掌握課程基本知識體系，促進(jìn)教學(xué)新模式生成。例如，清華大學(xué)的研究人員將知識圖譜技術(shù)用于表示基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的知識，構(gòu)造基礎(chǔ)教育知識圖譜edukg.org，并將其應(yīng)用智慧教育中［5］。李軒［6］為解決學(xué)生需要在多個(gè)平臺檢索和查詢有關(guān)教學(xué)資源的問題，基于知識圖譜搭建了知識問答系統(tǒng)，為學(xué)生提供基于自然語言交互的知識服務(wù)。崔京箐等［7］將知識圖譜用于翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的實(shí)踐。由此可見，隨著技術(shù)進(jìn)一步成熟，知識圖譜在教育領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用，并取得了一定的教學(xué)效果。

因此，本文針對現(xiàn)有教學(xué)的特點(diǎn)及不足，將知識圖譜相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于“電路”課程教學(xué)，以教材、視頻學(xué)習(xí)資源及習(xí)題考題集等資源作為輸入，構(gòu)建“電路”課程多模態(tài)的知識圖譜，并開展教學(xué)改革與實(shí)踐，力求通過迭代式生成“電路”課程學(xué)習(xí)路徑和高效的教學(xué)應(yīng)用進(jìn)行探討研究，為適應(yīng)部隊(duì)任職崗位需求，更好地為部隊(duì)輸送基礎(chǔ)知識牢、實(shí)踐能力強(qiáng)、崗位適應(yīng)性高的合格人才。

一、“電路”課程知識圖譜及教學(xué)研究框架

（一）知識圖譜與教育知識圖譜

在2019版知識圖譜標(biāo)準(zhǔn)化白皮書中，對于知識圖譜的描述是知識圖譜是以結(jié)構(gòu)化的形式描述客觀世界中概念、實(shí)體及其關(guān)系，將互聯(lián)網(wǎng)的信息表達(dá)成更接近人類認(rèn)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(gè)知識結(jié)構(gòu)關(guān)系圖。知識圖譜主要由實(shí)體、關(guān)系、屬性三部分組成。

教育知識圖譜是知識圖譜技術(shù)在某個(gè)學(xué)科或課程中的應(yīng)用。相較于一般領(lǐng)域知識圖譜，教育知識圖譜有如下特點(diǎn)：（1）節(jié)點(diǎn)多樣性，節(jié)點(diǎn)可以是實(shí)體、概念、公式、定理及結(jié)論等。（2）節(jié)點(diǎn)關(guān)系特殊性，具有方向性、傳遞性和相互性三個(gè)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(xué)習(xí)教學(xué)資源。

（二）教學(xué)研究框架

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

1.課程知識點(diǎn)圖譜建模。從“電路”課程的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)大綱出發(fā)，結(jié)合教材，對課程知識點(diǎn)進(jìn)行梳理并細(xì)化為知識實(shí)體。同時(shí)，賦予屬性一些必有屬性，如背景、概念、公式、難易程度、要點(diǎn)及教學(xué)目標(biāo)等。

2.知識節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)關(guān)系挖掘。挖掘和設(shè)計(jì)上述知識實(shí)體間的層次和關(guān)聯(lián)關(guān)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(luò)圖。

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

4.跨學(xué)科知識關(guān)聯(lián)挖掘。主要是對先行課程如“高等數(shù)學(xué)”“大學(xué)物理”等知識點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)挖掘。后續(xù)也可將“電路”課程中與其后續(xù)課程相關(guān)的知識實(shí)體進(jìn)行建立關(guān)聯(lián)，可便于相關(guān)專業(yè)的學(xué)生有重點(diǎn)、有導(dǎo)向性地進(jìn)行學(xué)習(xí)，也為智慧教育中跨學(xué)科知識圖譜提供接口。

5.課程學(xué)習(xí)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(chǔ)上，結(jié)合不同學(xué)生的認(rèn)知狀態(tài)和能力提升需求等各因素，以以往教學(xué)經(jīng)驗(yàn)為指導(dǎo)，為學(xué)生迭代式地推薦面向個(gè)性化和精準(zhǔn)化的學(xué)習(xí)路徑，并為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)混合式教學(xué)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(shè)

本文以“電路”為例構(gòu)建課程知識圖譜，是由知識實(shí)體、知識實(shí)體屬性、知識實(shí)體關(guān)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(xué)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(dòng)態(tài)電路的時(shí)域分析、正弦穩(wěn)態(tài)交流電路分析基礎(chǔ)、變壓器、諧振電路和三相電路等九個(gè)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(gòu)建原則和框架的基礎(chǔ)上，本文給出了“電路”課程知識圖譜建設(shè)的一般流程。首先，通過教學(xué)大綱、教材等信息抽取知識實(shí)體，并對知識實(shí)體進(jìn)行屬性設(shè)計(jì)。其次，進(jìn)行知識實(shí)體關(guān)系關(guān)聯(lián)，形成層次結(jié)構(gòu)分明的錯(cuò)綜復(fù)雜的數(shù)張知識圖譜。最后，將其相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源、典型習(xí)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(shí)體提取

知識實(shí)體是圖譜的重要組成部分，在學(xué)科課程領(lǐng)域內(nèi)正式定義的概念、定理、公理、屬性詞及計(jì)算方法等都屬于知識實(shí)體范疇。根據(jù)前期梳理的課程知識點(diǎn)，進(jìn)一步梳理出課程知識實(shí)體。這些實(shí)體包括復(fù)合知識實(shí)體和子知識實(shí)體，形成樹狀結(jié)構(gòu)。

（二）知識實(shí)體屬性設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步豐富知識實(shí)體，便于構(gòu)建知識圖譜，將上述每一個(gè)知識實(shí)體賦予屬性。包括：定義、公式、特征、使用注意事項(xiàng)、內(nèi)容、應(yīng)用對象、應(yīng)用場合、原因、重點(diǎn)程度、教學(xué)要求和難易程度等。

（三）知識實(shí)體關(guān)系關(guān)聯(lián)挖掘

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

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

2.前序/后繼關(guān)系。若學(xué)習(xí)后一知識實(shí)體的前提是必須掌握某前一知識實(shí)體，則前一知識實(shí)體就是后一知識實(shí)體的前序知識實(shí)體。

3.對偶關(guān)系。對偶關(guān)系是指如果描述兩種知識實(shí)體的描述方程具有相同數(shù)學(xué)形式，則解的數(shù)學(xué)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(dǎo)、電容與電感等都是對偶關(guān)系。

4.并列關(guān)系。并列關(guān)系是指兩個(gè)知識實(shí)體A、B是同屬于一個(gè)知識實(shí)體C中，這兩個(gè)知識實(shí)體A、B之間存在并行的關(guān)系，則知識實(shí)體A和知識實(shí)體B是并列關(guān)系。

（四）知識圖譜可視化呈現(xiàn)

本文將從橫向和縱向兩個(gè)方向組織建構(gòu)知識圖譜?？v向組織按照章節(jié)順序進(jìn)行排列，目的是構(gòu)建整本教材的知識脈絡(luò)，提供完整的知識專題模塊和層次關(guān)系，幫助學(xué)生更快更高效地定位知識所在的位置，明確知識導(dǎo)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(shí)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(guān)聯(lián)，也就是進(jìn)一步挖掘課程內(nèi)部知識實(shí)體關(guān)聯(lián)關(guān)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(yīng)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(yīng)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(shí)體與相量代數(shù)法知識實(shí)體形成有效鏈接。

三、基于知識圖譜的課程教學(xué)研究與實(shí)踐

（一）個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑推薦

為讓學(xué)生順暢地使用知識圖譜進(jìn)行學(xué)習(xí)，設(shè)置對應(yīng)的策略為其推薦相對個(gè)性化的學(xué)習(xí)路徑。主要涉及任務(wù)為：（1）結(jié)合認(rèn)知水平相關(guān)理論和以往教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)相關(guān)測試題。學(xué)生在學(xué)習(xí)前或?qū)W習(xí)后自主完成相關(guān)測試，生成測試結(jié)果。（2）教師根據(jù)測試結(jié)果確定學(xué)習(xí)狀態(tài)，推薦對應(yīng)的知識圖譜學(xué)習(xí)路徑。下面以一階動(dòng)態(tài)電路響應(yīng)的三要素法的學(xué)習(xí)為例，進(jìn)行說明。

1.學(xué)習(xí)狀態(tài)測試。課程知識單元測試題設(shè)置為簡單、中檔、高階等三個(gè)層次，分別設(shè)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(xué)生的學(xué)習(xí)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(yīng)用前序知識的學(xué)生。

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

（二）課程教學(xué)模式創(chuàng)新

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

在課前自主學(xué)習(xí)模塊中，將學(xué)習(xí)路徑推薦機(jī)制應(yīng)用于自主學(xué)習(xí)，并以差異化學(xué)習(xí)任務(wù)的形式進(jìn)行發(fā)布。課中，教師可結(jié)合知識圖譜進(jìn)行課程講評和總評，幫助學(xué)生更好地掌握課程的知識體系，快速抓住課程的重點(diǎn)、難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)。課后，學(xué)生又可結(jié)合學(xué)習(xí)路徑推薦機(jī)制，進(jìn)行復(fù)習(xí)、鞏固和查漏補(bǔ)缺。在整個(gè)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中，學(xué)生可通過搜索功能模塊快速定位知識點(diǎn)相關(guān)內(nèi)容，并有針對性地學(xué)習(xí)。

結(jié)語

本文借助結(jié)構(gòu)化知識圖譜的應(yīng)用，梳理了課程知識點(diǎn)和教學(xué)資源，形成了多模態(tài)課程知識圖譜，為學(xué)生更高效學(xué)習(xí)“電路”課程知識提供了輔助，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，為傳統(tǒng)教學(xué)注入新的活力。此外，由于人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展，課程知識圖譜的應(yīng)用在高校開展實(shí)踐時(shí)間較短，所以知識圖譜在實(shí)踐教學(xué)方面的應(yīng)用還有待進(jìn)一步深化。

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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