基于课程知识图谱的仪器分析教学实践研究

1​引言

知识图谱是人工智能的重要分支技术，被称为“知识领域可视化”或“知识领域映射地图”，是指将知识资源用可视化技术进行描述，并采用挖掘、分析、构建、绘制和显示等手段体现知识之间的相互联系[1]。随着AI 的快速发展，基于知识图谱技术的智慧课程建设能够充分发挥知识图谱处理海量数据并转化为可视化信息的优势，使 AI 与高等教育深度结合，目前已逐步成为教育改革与创新的新趋势 [2-3]。目前课程知识图谱主要应用于计算机、图书馆、教育学等学科，而在化学学科的应用很少，仅占 0.23% 。因此，急需开展课程知识图谱在化学学科教学的应用研究，提升化学专业人才培养质量。

化学专业是理工科的基础专业，闽南师范大学化学专业创建于 1977年，2020 年通过师范类专业第二级专业认证，2021 年获批国家一流本科专业建设点。仪器分析是化学专业的核心课程，在化学、化工、环境等专业应用型创新性人才的培养中占据重要地位。但仪器分析课程原理复杂、抽象、难懂；概念多、难记忆。项目团队致力课程改革，对标《中学教育专业认证标准（第三级）》要求，贯彻“学生中心、产出导向、持续改进”的认证理念，完善教学大纲，挖掘思政元素，编写课程配套讲义和课件，开展线上线下教学。但仪器分析课程内容复杂，具有抽象化、碎片化等特点，如知识点未整理和关联，难以取得理想的教学成效。基于此，项目团队整合梳理仪器分析课程内容，搭建“节点—关系—节点”层级嵌套的知识网状结构，构建系统化、可视化的课程知识图谱体系。设计基于知识图谱的四步学习教学模式，开展线上线下混合式教学设计与实践，引导学生快速搭建仪器分析完备知识体系，提升学生学习的积极性和主动性，提高教学效果，为化学专业课程图谱建设提供参考依据，助力国家一流专业建设。

2​构建分析化学课程知识图谱

仪器分析课程信息的收集与梳理是知识图谱建构最为关键一步，决定了图谱知识点的准确性、全面性和前沿性。以华中师范大学、东北师范大学等6 所部属师范大学主编的《分析化学》（第 5 版）教材为依据，对标《中学教育专业认证标准（第三级）》要求，贯彻“学生中心、产出导向、持续改进”的认证理念，结合化学专业人才培养方案和分析化学课程教学大纲，将分析化学课程分为13 个知识模块，分别为：（1）绪论；（2）原子发射光谱法；（3）原子吸收与原子荧光光谱法；（4）分子发光分析法；（5）紫外可见吸收光谱法；（6）红外光谱法和拉曼光谱法；（7）核磁共振波谱法；（8）质谱分析法；（9）气相色谱法；（10）高效液相色谱法；（11）电位分析法；（12）电解与库仑分析法；（13）极谱法与伏安法。

结合化学专业人才培养方案和仪器分析课程教学大纲，依附于各知识模块，进行知识单元、知识点的层级建设。由知识单元到知识点对应为整体与部分的关系，较大或者较为重要的知识单元下可以包含次级知识单元。采用 Protégé本体编辑器对各知识点进行实体识别和属性、关系等信息抽取，再进行实习消歧、对齐等知识融合，在超星学习通分析化学线上课程构建知识点。设置前置、后置和关联知识点标签进行标记，形成课程知识图谱。将教学课件、演示动画、课程思政案例及素材等教学资源与知识图谱框架知识“节点”一一绑定，使知识图谱能够为仪器分析课程的教学活动提供全方位的支持。

3 基于课程知识图谱仪器分析教学实践初探

按照四步学习教学模式开展线上线下混合式教学设计与实践。第一步，依托构建的仪器分析知识图谱体系，按照教学进度通知学生开展线上预习，了解知识点的内容和相互关系，提出问题。第二步，线下课堂讲授，课堂上互换角色，师生共同讲解知识点，针对问题开展讨论。第三步，根据预习和授课情况，完成线上线下作业和测试，进一步巩固提升，掌握知识点。第四步，单元教学结束后线上线下小组讨论、总结复习，师生互评评，厘清知识点。

基于课程知识图谱的四步学习教学模式在闽南师范大学化学专业 2023 级开展了初步教学实践。学生都能较好的完成线上知识图谱的预习任务，按时提交线上、线下作业，完成线上测试，知识点平均完成率达 99% ，掌握率达 98% ，较大提高了学生学习的积极性和主动性。该教学模式得到了学生的一致好评，大部分学生表示该模式在学习前，学习中和学习后都有线上线下资料参考，易于关联新、旧知识点，构建知识图谱，理论知识得到强化。采用基于课程知识图谱的四步学习教学模式授课班级的课程成绩平均分约为 75 分，比按传统授课的班级成绩高约10 分，取得了较好的教学实践效果。

4​结语

本文尝试开展了仪器分析课程知识图谱的构建与实践。依附于仪器分析 9个知识模块，在超星学习通平台仪器分析线上课程构建课程知识图谱。按照四步学习教学模式开展线上线下混合式教学设计与实践。通过教学实践发现，该教学模式引导学生在学习中实践、在实践中思考，逐步搭建仪器分析知识网络框架，使学生较牢靠的掌握了仪器分析的各知识点，取得了较好的教学实践效果。

参考文献：

[1] 王萌, 王昊奋, 李博涵, 等. 新一代知识图谱关键技术综述[J].计算机研究与发展 , 2022, 59(9): 1947-1965.

[2] 白伟, 于丽梅, 宋汪泽, 等. 基于虚拟教研室平台的有机化学课程知识图谱建设探索 [J]. 大学化学 , 2023, 38(10): 56-59.

[3] 刘晓玲, 王炜. 基于知识图谱的课程教学改革[J]. 中国冶金教育,2024, 1: 7-11.

[ 基金项目] 福建省级教改项目“面向虚拟教研室建设的分析化学课程知识图谱的构建和应用探索”(FBJY20240023)；福建省线下一流课程分析化学（2023 年）；闽南师范大学课程思政课程分析化学（2024 年）