基于知识图谱的《无机材料科学基础》混合式教学研究

引言

无机材料科学基础课程作为材料学科的核心专业基础课，具有知识体系复杂、理论抽象性强、实践要求高等特点。传统教学模式中，教师多采用线性讲授的方式，难以有效呈现各知识点间的内在联系，学生也容易陷入 " 只见树木不见森林 " 的学习困境。近年来，知识图谱技术的发展为构建可视化知识网络提供了新思路 [1]，而线上线下混合式教学模式的普及则为知识图谱的深度应用创造了条件 [2]。本研究尝试将知识图谱技术与混合式教学相结合，构建新型教学体系，以期解决无机材料科学基础课程的教学痛点。

一、知识图谱构建与教学应用

课程团队通过对《无机材料科学基础》教材的深入分析，梳理出结构、相图和高温动力学三大核心知识模块。采用本体论方法建立概念间的关系网络 [3]，例如将 " 晶体结构 " 作为顶层概念，向下延伸出 " 布拉维点阵 "" 晶面指数 "" 配位数 " 等子节点，并通过 " 决定 "" 影响 ""导致 " 等关系词建立概念间的逻辑联系。这种结构化呈现方式不仅使抽象的理论知识变得直观可感，更重要的是帮助学生建立系统化的认知框架。

课前预习阶段，学生通过浏览知识图谱可以快速把握课程的知识架构；课堂讲授时，教师可动态展示概念间的关联路径，引导学生的思维走向；课后复习时，系统能根据学生的学习轨迹推荐个性化复习路线。特别在晶体结构这一难点章节，知识图谱将抽象的对称操作、晶系分类等概念通过三维可视化方式呈现，使学生的空间想象能力得到显著提升。

二、混合式教学体系设计

线上教学平台是知识图谱技术落地的重要载体 [4]。平台包含三大核心模块：知识展示模块采用树形结构与网络视图相结合的方式呈现课程知识体系；虚拟实验室模块通过分子动力学模拟、X 射线衍射仿真等工具，将理论知识与虚拟实践有机结合；智能分析模块能追踪学生的学习行为，自动生成知识掌握度报告。这些功能共同构成了 " 学 - 练 - 测 "的闭环学习系统。

线下教学则聚焦于深度知识建构。采用 " 翻转课堂 " 模式，学生先在线上完成基础知识学习，课堂时间主要用于疑难问题研讨和概念关系梳理。教师设计了一系列基于知识图谱的教学活动，如要求学生根据图谱自主绘制概念关系图，或针对某知识节点进行拓展研究汇报。实验教学环节也进行了改革，将传统验证性实验升级为基于知识图谱的探究性实验，例如在观察不同晶体结构缺陷时，引导学生调取相关理论知识进行对比分析。

三、教学效果评估与反思

在一学期的教学实践中，研究团队选取两个平行班级进行对照实验。结果显示，实验班（采用新教学模式）的平均成绩较对照班（传统教学）提高 15.2% ，特别是在知识综合应用题的得分上优势明显。问卷调查表明，92.6% 的学生认为知识图谱帮助其更好地理解了知识体系，87.4% 的学生表示混合式学习模式提高了学习效率。不过，研究也发现部分学生在初期存在 " 过度依赖图谱 " 的现象，需要教师加强学习方法指导。

结论

知识图谱与混合式教学的结合为无机材料科学基础课程改革提供了新思路。这种教学模式不仅提升了知识传授效率，更重要的是培养了学生的系统思维能力。

参考文献

[1] 刘珊 , 周登凤 , 胡素丽 , 等 . 新工科背景下知识图谱驱动的学科知识体系重构与教学模式优化 [J]. 上海塑料 ,2024,52(06):54-57.

[2] 马英杰 , 杨亚涛 , 肖嵩 , 等 . 基于知识图谱的通信原理课程思政智慧教育体系构建 [J]. 高教学刊 ,2025,11(18):90-93+97.

[3] 吕天航 , 成腾 , 刘维新 , 等 . 基于本体论的铁路企业培训知识地图构建及应用研究 [J]. 现代信息科技 ,2025,9(01):145-150.

[4] 孙成霞 . 基于知识图谱的工商管理线上教学资源个性化推荐方法 [J]. 信息与电脑 ( 理论版 ),2023,35(22):217-219.

基金项目：济南大学教学研究项目 ( 编号：J2222)，教学研究项目( 编号：Y202203)。