基于知识图谱的《信号与系统》课程创新教学改革
覃业梅，赵慎，李世玲，周鲜成，李桂梅
湖南工商大学智能工程与智能制造学院，湖南长沙
收稿日期：2024年2月14日；录用日期：2024年3月12日；发布日期：2024年3月20日
摘要
《信号与系统》课程是电子信息类专业的专业基础课程，其知识点多且要求数学基础好、逻辑思维强，一直以来很多学生对知识点间关系理解不够，难以获得好的学习效果。从建立课程知识图谱的角度出发，梳理课程知识点间的关联关系，并开发一个基于知识图谱的线上学习系统，每个知识点设置PPT、文本、视频等学习资料，并将课程学习按知识图谱设置为游戏闯关模式，激发并记录每位学生的学习情况。植入了基于知识图谱的沉浸式学习系统后，《信号与系统》课程教与学的距离缩小，学生学习积极性、课程参与度、考核成绩都有明显改善，参加学科竞赛、科研项目的比例也明显提升。
关键词
创新教学，知识图谱，混合式教学，线上系统，沉浸式学习，知识库
InnovativeTeachingReformof“SignalandSystem”CourseBasedonKnowledgeGraph
YemeiQin,ShenZhao,ShilingLi,XianchengZhou,GuimeiLi
CollegeofIntelligentEngineeringandIntelligentManufacturing,HunanUniversityofTechnologyandBusiness,ChangshaHunan
Received:Feb.14th,2024;accepted:Mar.12th,2024;published:Mar.20th,2024
ABSTRACT
Keywords:InnovativeTeaching,KnowledgeGraph,BlendedTeaching,OnlineSystem,ImmersiveLearning,KnowledgeBase
ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY4.0).
1.引言
2018年11月，第十一届中国大学教学论坛上，高教司领导宣布到2022年，要建设两万门“金课”，其中国家级一流课程一万门，省部级一流课程一万门。2019年9月30日，教育部正式发布《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》，正式开始实施一流本科课程双万计划。国家从宏观到微观，从综合到细微全方位推进双一流建设。一流课程建设是每个一流专业、一流学科和一流大学建设的基本保障。
2.基于知识图谱进行该课程教学改革的必要性
新型的学习系统要求能够汇聚各大高校较为全面的学习资源，一方面，能支持学生用户进行课前预习、拓展阅读、在线视频和文档的学习以及自动智能组卷，提供测试功能[8]，另一方面，还可以提交作业，查看考试或单元测试成绩，且与教务、老师和助教互动；同时，还需要通过相应的系统监督和检查学生的学习效果，了解课程学习中的实际情况[9]。随着电子计算机、通信技术、网络技术和Internet的发展，人类已经逐渐的进入信息化社会。互联网+、计算机技术、人工智能赋能教育已成为高等教育变革的重要特征。知识图谱以结构化方式显式地表达知识节点及相互间的语义关系，为梳理知识之间的相互关联性提供了有效途径。
鉴于此，结合《信号与系统》课程特点以及学生学习的实际困难，本文基于知识图谱设计《信号与系统》的在线学习系统，基于知识图谱实施课程教学改革。
3.基于知识图谱的线上学习系统设计
Figure1.Structurediagramofonlinelearningsystem
在该系统内，教师通过对课程的了解，将《信号与系统》课程的各知识点进行关联，绘制出知识图谱；系统根据知识图谱生成知识库，建立各知识节点及节点间的链接关联关系；每个知识点搭建相应的资源库，资源库由知识点对应的课件资料、视频资料及测试资料等组成。管理员整理教师上传的资料，进行信息汇总与粘贴、公布，方便学生进行查找，也将学生的课堂疑问、学习难点等信息进行收集、汇总，反馈给学生。学生利用该课程的知识图谱来学习时更有条理、更清楚自己所学知识点在课程中的位置及应用；同时在进入某一知识点后可以选择进行学习或测试，如果直接测试并且通过，可跳过该知识点的学习，进而开展更加深入的知识点学习或者拓展性的学习。这使得学生能更好地了解自己的学习情况，并依此调整学习进度及方向，提高学习的灵活性。跟着知识图谱学习，攻克每一个知识点，这种类似于闯关游戏的学习形式能提高学习的趣味性。
4.教学改革的实施
Figure2.Top-levelframeworkofknowledgegraphin“signalandsystem”
Figure3.Teachingdesignof“signalandsystem”course
理论课程组织实施原则是通过多种教学活动丰富课堂教学，将学习系统等线上资源有机融合到教学课堂，教师设置预习任务、选取预习资源，并通过平台至少提前3天将预习任务推送给学生，进行自主学习；提前1天收集学生预习情况，统计重点、难点知识进行线下讲授；课堂通过小组讨论，开展知识拓展及延伸学习；课外通过作业、线上班级交流反馈学习情况。主要通过以上四种教学活动，让学生动起来，让课堂活起来。线上学习系统的展开可以很好弥补该课程理论课时不足的问题，部分章节的内容全部由学生自主学习完成。
在各知识点的讲解过程中，每次课设置1~2个随堂练习题，3~5分钟学生练习(1位同学在黑板上练习，鼓励学生自荐并给予奖励分)，2~5分钟解析，由学生或老师完成，既检验知识的理解掌握情况，又训练学生表述知识和展示自己的能力。
5.课程考核
围绕课程目标，本课程考核采取过程性评价、表现性评价和结果性评价相结合的形式。过程性评价主要由平时到课情况、课堂互动及回答问题、作业完成情况、线上学习情况、实验过程记录及分析等环节构成。表现性评价主要考查综合型实验的完成情况、报告撰写、小组汇报及总结、小组各成员贡献度等情况，考核学生分析实验需求，设计实验方案，撰写报告并陈述表达，团队合作等能力。结果性评价主要由期中考试和期末考试构成，考核学生对信号和系统的表示、运算及特性分析能力，运用时域、频域、变换域等不同方法分析信号和求解系统模型的能力。通过从不同角度综合评价学习情况，能更全面更具针对性的反映学生学习情况，并进一步分析学生掌握情况及薄弱环节，为以后的教学提供改进依据。
6.课程改革效果
通过本课程基于知识图谱的教学改革，学生在学习本课程的积极性和自信心方面取得了显著成效。
2)辅助了知识图谱的线上学习系统，使学生能实时的查看和了解自己正在学习的知识点在课程中的位置及与其他知识点间的关联性，使学生的学习目标更明确、学习思路更清晰。这改变了以前老师在讲台上使尽浑身解数、学生在台下不知所云、一头雾水的局面，大大提高了学习积极性和效果。在使用该系统辅助教学后，学生学习的参与度、作业完成情况等得到大幅改善，相比前一教学周期提升了20%。
3)课程学习的积极性带动学生参与课外实践、学科竞赛的积极性明显提升。2020级电信专业共81人，有近40人参加电子设计大赛，有近30人主持/参与大学生创新创业训练计划项目申报并立项2个国家级2个省级项目，20余人在课程结束后加入教师科研团队进行课题研究。整体学习态势呈明显上升趋势。
7.结束语
《信号与系统》理论强且是应用的联系纽带，涉及知识点多、数学计算多且逻辑关系复杂，影响教师的教和学生的学。为了提高教学效果，本文基于知识图谱的优势设计了《信号与系统》课程的线上学习系统，并采取线上线下混合式教学方式，改进教学设计及课程考核。该措施将课程知识图谱展示在线上，并根据学生的学习过程生成了个性化的学习图谱，让学生能一叶知秋、有的放矢。学生学习课程的积极性，参与学科竞赛、大创项目、科研课题的积极性均有明显改善。该教学改革方法具有显著特点，可在其他专业课程推广。
基金项目
湖南省普通高等学校教学改革研究项目(HNJG-2022-0211,HNJG-2020-0630)；湖南省学位与研究生教育改革研究项目(2021JGYB190)。