数字化转型背景下知识图谱在《机械制图》课程教学中的探索和应用

【摘要】当今数字化时代，信息技术的发展极大地改变了教育领域的面貌，尤其是在工程技术教育方面。机械制图作为我校机电专业的一门专业基础课程，其重要性不言而喻。它不仅是工程师们表达设计意图的工程语言，也是实现产品从概念到实物转化的关键环节。随着工业4.0的到来和技术的不断进步，传统的机械制图教学方法面临着诸多挑战。学生不仅要掌握基本的绘图技巧，还需要具备较强的空间想象力和综合运用能力。在此背景下，知识图谱作为一种新型的知识表达与组织形式，为机械制图的教学提供了全新的视角和解决方案。

【关键词】数字化；知识图谱；教学改革；机械制图

基金项目：本文系2024年度河北省职业教育教学改革研究项目“基于OBE理念的中职数智化课程资源建设与应用研究”的研究成果（项目批准号： 2024ZJJGZC30）

随着工业4.0时代的到来，信息技术快速发展。数字化转型已然成为当今社会各领域发展的大趋势，尤其是在职业教育机电技术专业方面。数字化转型为学生提供了更加宽广的学习机会和灵活的学习模式。传统的机械制图教学方法面临着诸多挑战。学生不仅要掌握基本的绘图技巧，还需要具备较强的空间想象力和综合运用能力。在此背景下，知识图谱作为一种新型的知识表达与组织形式，为机械制图的教学提供了全新的视角和解决方案。

知识图谱通过图形化的方式将复杂的信息以直观的形式展现出来，能够帮助学生更好地理解和记忆知识点之间的联系，并能提供相关学习资源。本文旨在探讨知识图谱在机械制图课程中的具体应用，分析其如何改善教学和创新点，并展望其在未来教育中的潜在价值。通过这一探索，希望能够为机械制图的教学改革提供有益的参考和启示。

一、机械制图教学中存在的问题

机械制图，作为机电及相关专业的一门核心基础课程，肩负着培养学生掌握国家标准对机械制图规定和规范要求的重要任务。这门课程内容丰富且繁杂，涵盖了大量的知识点和技能点，其复杂程度不言而喻。然而，按照传统的知识体系，各章节之间的联系并不紧密，这使得学生在学习和复习过程中面临着诸多挑战。与此同时，为学生提供相关资源支持，使他们能够全面自主地进行个性化学习，也是机械制图教学的关键环节。然而，传统的教学方式往往难以满足这一需求，导致学生在学习过程中缺乏有效的学习资源和指导，难以充分发挥自己的学习潜力。

因此，机械制图教学需要不断创新和改革，以解决学生在学习过程中所面临的种种困境。通过优化课程结构、强化知识点之间的联系、提供丰富的学习资源和支持，有助于培养学生全面、系统的机械制图能力。

二、知识图谱助力机械制图教学

在当今这个信息化时代，机械制图作为一门重要的工程基础课，其教学方法也在不断地革新和发展。传统的机械制图教学主要依赖于教师的板书和学生的课堂笔记，这种方式虽然能够较为全面地覆盖课程内容，但由于缺乏直观性和互动性，对于复杂的机械结构和设计原理的理解则显得有些吃力。特别是对于初学者而言，如何将抽象的理论知识转化为具体的实际操作技能是一项巨大的挑战。很多时候，学生难以将课堂上所学的知识与实际工程应用相联系，导致理论与实践脱节。

知识图谱是一种用图模型来描述知识和建模世界万物之间的关联关系的技术方法它是知识工程的主要表现形式之一，其形式上是由节点和边组成。节点可以是实体，也可以是抽象的概念，边可以是实体的属性，也可以是实体之间的关系。知识图谱作为一种现代化的信息组织手段，以其直观性和系统性为特点，能够有效地辅助机械制图的教学，帮助学生建立起更为牢固的知识框架。通过知识图谱，学生可以看到不同机械部件之间的关系，理解每一个零件在整体设计中的位置和作用，从而更好地掌握机械制图的核心要点。例如，在学习基本几何体时，知识图谱可以清晰地展示几何体的不同种类、特点、作图方法以及与之相关的联系，使学生能够快速地建立起从基本概念到具体应用的连贯认知。这种结构化的信息展示方式，不仅有助于学生记忆，还能激发他们的学习兴趣。

三、构建机械制图的知识图谱教学模型

知识图谱通过图形化的方式将机械制图中各个知识点之间的逻辑关系和层次结构清晰地呈现出来。但是也不同于思维导图，因此相对于静态的思维导图只能简单展示出知识点的逻辑关系，而不能同时展示各知识点有哪些关联资源和关联试题，以及相关学习资源。在机械制图课程中，学生需要学习各种基本图形符号及其含义，了解不同的机械零件如何组合在一起形成一个完整的产品。以下是我所做的机械制图知识图谱的部分内容。 我们在讲授齿轮减速器装配体的时候，可以创建一个包含齿轮类型（如直齿轮、斜齿轮、蜗轮蜗杆等）、齿形参数（模数、压力角等）、制造工艺（切削加工、锻造、铸造等）以及装配图表达方法等内容的知识节点，并通过链接展示它们之间的相互作用。通过这样的知识图谱，学生不仅能够看到单个知识点的细节，还能理解这些知识点是如何相互影响，共同构成一个复杂的机械系统。

知识图谱作为一种先进的教学工具，能够在学生的学习过程中发挥重要作用，尤其是帮助学生在复杂的学习内容中识别关键知识点和需要重点掌握的内容。通过对知识进行结构化和图形化的表示，知识图谱能够直观地展现知识点之间的联系，从而提高学生的学习效率。

四、运用知识图谱的教学创新

（一）增强学生的学习体验

利用知识图谱，教师可以创建一个互动的学习环境，让学生在学习过程中不再是被动接受者，而是主动参与者。学生可以通过知识图谱的节点跳转功能，自由探索感兴趣的主题，加深对机械制图核心概念的理解。学生可以跟随知识图谱的指引，逐步了解从国标对制图的规定到最终完成复杂装配体的作用和相互关系。这种自我导向的学习方式有助于培养学生的自主学习能力，使他们能够在实践中不断积累经验，提高解决实际问题的能力。此外，我们也探索通过与虚拟现实（VR）或增强现实（AR）技术相结合，知识图谱能够提供更加丰富的视觉和互动体验，让学生仿佛置身于真实的机械环境中进行学习。

（二）推动教学模式的创新

知识图谱的应用不仅仅是改变了信息传递的方式，更重要的是它促进了教学模式的创新。教师可以根据知识图谱提供的数据分析结果，及时调整教学策略，满足不同层次学生的需求。例如，通过分析学生在知识图谱上的活动轨迹，教师能够发现哪些知识点是学生普遍感到困惑的地方，并针对性地开展辅导。此外，知识图谱还可以作为评价工具，通过分析学生对知识图谱的使用情况，教师能够客观地评估学生的学习成果，并给予及时反馈。在未来，随着技术的发展，知识图谱将更加智能化，成为连接学生、教师和教材的重要桥梁，推动机械制图教学走向新的高度。通过结合大数据分析和机器学习算法，知识图谱有望成为个性化教育的重要组成部分，为每一位学生量身定制最合适的学习路径。

在技工教育中，知识图谱的应用为教学带来了革命性的改变。它通过图形化的方式，将抽象的理论知识与实际操作技能相结合，构建起一个系统化、结构化的知识体系。知识图谱不仅可以帮助教师明确教学重点和难点，还能根据学生的掌握情况提供个性化的教学方案。在教学过程中，知识图谱能够直观地展示各个知识点之间的内在联系，促使学生形成更加全面和深入的理解。此外，知识图谱还能够作为一种有效的评估工具，帮助教师跟踪学生的学习进度，及时调整教学策略，提高教学质量。总的来说，知识图谱在技工教育中的作用，不仅提升了教学效率，还为学生掌握专业技能和理论知识提供了强有力的支撑，为培养高素质的技工人才奠定了坚实基础。

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