知识元法在“建筑消防工程学”课堂教学改革中的应用探索与实践

杜晓燕，郭仙洋，林家乐，张 浩

(安徽工业大学 建筑工程学院，安徽 马鞍山 243032)

随着知识经济的到来，知识更新频率从几百年、几十年更新一次，到现在的一两年更新一次，知识量的增速较之过去提升了6～7倍[1]。知识快速更新和增长，对传授知识的教师，尤其大学教师提出了更高的要求。教师不仅要不断更新知识储备，辨别淘汰知识，而且要筛选有效知识，并行之有效地传播给学生。因此，变革教学模式，使教学内容信息化，满足现代社会快速变化发展是大学教师面临的重要课题。

知识元(Knowledge Element，简称KE)最早出现在知识服务领域，早在1964年我国文献情报专家袁翰青提出了对文献中的知识单元进行组织的思想[2]。通过将知识元从文献中抽取出来，组织成知识元链接的检索系统，产生了极大的知识增值，推动了人类对知识的利用，促进新知识的创造。随着知识更新速度的加快及教学模式的改革，在教育领域也逐渐提出了知识元的概念[3]。目前对于知识元的概念本身的认识还存在着一定的模糊性，在不同研究领域被叫作知识元素、知识单元、知识因子、知识基因、知识节点、原知识点等[4]。近年来，随着人们对知识元提取、标引、链接等认识的加深，一些知识元应用模型被提出[5-7]，将其应用到课程内容的组织领域将非常有研究价值。

本文以安全工程专业课程“建筑消防工程学”为例，尝试将知识元法应用到课堂教学资源的组织及实践应用中。

1 相关研究现状

近年来，随着人们对知识元提取、标引、链接等认识的加深，知识元模型被广泛应用到计算机科学、教育学、突发事件应急管理等领域。

在教育学领域，知识元是组成教学知识点最小的独立知识单位，目前以研究教材知识元的解析和多媒体知识元库的构建为主。随着近年网络教学模式的兴起，学习资源的深度聚合问题成为教育技术研究热点之一。

陈智等[8]指出必须以知识点为教学内容的基本单位，针对不同的知识点设计不同的教学模式。将知识点细化为知识元、选择最佳教学方法，有利于发挥学生在教学活动中的主体作用和教师的主导作用，有利于教师发现和突破教学难点，提高学生的思维、记忆、表达等能力[9]。杨选辉等[10]利用知识元理论对教学资源结构进行改造，构建了由知识元提取、知识元标引、知识元链接三大环节构成的教学资源组织模式。尹征杰等[11]引入知识元对微课的教学资源库进行构建。黄信兵等[12]将课程内容分解成不可分割的知识元，通过具体项目任务将知识元串联起来形成知识链，进而形成知识群。冯少婉[13]基于知识元模型设计了“知识元—视频元—视频节点—视频聚合网”的视频资源聚合模型。王小根等[14]基于知识元模型，在高校传统文化教育的移动学习支持下，设计开发了“吴地文化传承”微信公众平台，实现了资源推送、对话交互、微网站、微社区等资源交互模块，提高了传统文化移动学习的学习效率。

综上，随着人们对知识元提取、标引、链接等认识的加深，知识元模型被广泛应用到教学资源的解析和组织中。知识元法采用“化整为零，化零为整”的思路，将知识分解成不可分割的知识元，根据知识元类型进行标识，选择不同的教学手段和学习方法，然后根据知识元之间的关系形成知识链，进而形成知识群，有利于学生对知识体系形成系统性认识。本文尝试将知识元理论方法引入“建筑消防工程学”教学资源的组织架构中，优化教学内容的组织模式，一方面有利于教师筛选课程中的有效知识，另一方面，可提高教师对知识的传递率，增强学生对知识的有效获取率。

2 知识元法在“建筑消防工程学”课程教学中的应用

本文以程远平、李增华编著，中国矿业大学出版社出版的《消防工程学》教材为依据，运用知识元法从知识元分类、知识元外部链接、知识元内部链接三个方面对教学内容进行组织建设，探讨构建知识元法在“建筑消防工程学”课程中的应用模式。

2.1 课程教学内容

本课程目前所用教材，内容分为四大部分、21章，32学时。根据专业教学计划，学时有限，授课过程中只讲授前三大部分内容，教学内容及课时安排见表1。

表1 “建筑消防工程学”教学内容及课时安排

注：A—熟练掌握；B—掌握；C—了解。

“建筑消防工程学”是安全工程专业的一门专业必修课，理论性强，实践能力要求高，内容涉及火灾发生、蔓延等基础理论，又以建筑火灾为典型，涵盖被动防护(建筑构件耐火性能、耐火等级、防火防烟分区划分、安全疏散原则及要求、防火设计等)、主动防护(灭火剂类型及灭火原理、灭火器类型及应用范围、自动报警系统、自动喷淋系统、防排烟设计等)两大方面内容。

由于本课程授课内容较多，学时安排紧凑，而要求学生掌握的知识点多，教师在授课过程中组织难度大，教学效果不理想。据不完全统计，安徽工业大学安全工程本科生2018—2019学年该门课程平均成绩为69.5，不及格率达到18.97%，优秀(90～100分)人数0人。通过课后问询学生，结合试卷分析结果，发现学生学习过程中既不能将前期专业基础课程学习内容内化用于指导本门课程学习，也不能将本课程前后内容连贯起来，举一反三。引入知识元方法，划分知识元类型，在繁杂教学内容中提取有效知识元是知识元教学法的第一步。

2.2 知识元分类及标识

参考知识元类型分类[15]，本文将“建筑消防工程学”内容分为概念类、原理类、方法类、规范类四种不同类型，如表2所示。

表2 “建筑消防工程学”知识元分类表

划分知识元类型进行标识后，在实际教学组织过程中，根据每类知识元特点和学生的学习特质，针对不同知识元类型采用不同的教学手段和方法，活跃课堂气氛，丰富课堂形式，夯实学生对单个知识元的掌握程度。

2.3 与前期基础课程的外部链接

知识关联是指构成知识系统的知识节点之间的相互联系，使各相关节点间形成意义系统的联系。这种联系表现为一种以拓扑结构形式存在的网络结构[16]。学生在掌握单个知识元后，由已知知识出发，向新知识扩展，可以形成完整、清晰的知识网络。

作为安全工程专业本科生必修课，“建筑消防工程学”安排在大三下学期，开课之前学生已学过“安全科学与工程导论”“安全系统工程”“安全管理学”“防火与防爆技术”等专业基础课程，前期课程内容内化为自己知识后能有效指导本课程的学习。

例如“安全系统工程”课程的核心内容是针对“事故”进行系统性分析，分析的手段无论是事故树分析(FTA， Fault Tree Analysis)还是事件树分析(ETA，Event Tree Analysis)本质上是围绕“风险”展开，从“发生可能性”和“后果”两个维度进行计算说明。而“安全管理学”课程的核心内容则是从工程技术、教育或管理方面，针对风险分析结果进行控制，例如3E对策(Engineering Measures、 Education Measures、 Enforcement Measures)。

“建筑消防工程学”作为后续课程，实际上是针对其中一种工业事故——建筑火灾，进行分析、控制的课程，因此与前期“安全系统工程”和“安全管理学”存在着密切的链接关系。从“事故—风险”两大知识元角度，绘制本课程内容与外部知识元的链接网络图，如图1所示。

图1 外部知识元链接示例

围绕“事故—风险分析—风险消除或控制”主线，课程内容可划分为三大知识单元：

2.3.1 链接事故风险分析的火灾的发生：一方面是气体可燃物、液体可燃物、固体可燃物着火机理及过程，对应着事故风险发生的可能性；另一方面是火灾蔓延及烟气，对应事故风险后果。

2.3.2 链接风险消除的建筑火灾被动防护，主要内容包括建筑材料高温性能、建筑物耐火等级、防火防烟分区等，对应风险控制中对火灾发生可能性的控制。

2.3.3 链接风险控制的建筑火灾主动防护，主要内容包括灭火剂、灭火器配置、火灾自动报警、自动喷淋系统等，对应风险控制中对火灾后果的控制。

明确三大知识单元后，针对每个大知识单元，再提炼若干个知识元，并进行类型划分和标识，根据知识元分类，采取不同教学手段进行讲授。通过与前期基础课程知识元的外部链接，使得繁杂的教学内容变得层次分明，结构清晰。学生在学习本课程过程中不仅从前期专业基础课的学习有效过渡到本课程学习，也有助于加深学生对本专业整个课程体系的系统性认识。

2.4 课程内容间的内部链接

由于本课程内容涉及19章，内容较多，篇幅有限，本文以其中的火灾发生机理为例，探讨内部不同知识元间的链接关系。教材第二章共包括4大节11小节，如表3所示。

表3 第二章火灾发生教学内容

按照课时要求，教材第一部分5大章总共8学时，因此，第二章授课学时顶多安排1～2个学时。然而，本章每一小节内容都较多且为必须讲授内容，若以传统的以章节顺序组织教学，教师很难在有限课时内将本章内容讲解到位，不利于学生将知识串联，避免碎片化学习。

以知识元链接理论为依据，针对本章内容，我们以“火灾发生机理”为知识元，将内容进行链接，形成本章内容的链接网络，如图2所示。

图2 内部知识元链接示例

原先本章节内容以着火对象进行排序，分别就气体可燃物、液体可燃物、固体可燃物的着火机理分别、顺序展开论述。但从内容本质上看，液体可燃物的着火过程为：蒸发形成可燃性气体后的燃烧，可链接到气体可燃物着火机理；固体可燃物，一部分经过熔融形成可燃性液体，进而蒸发为可燃性气体；有的部分直接热解或升华为可燃性气体，分别链接到液体可燃物着火机理、气体可燃物着火机理；气体可燃物着火机理又具体为热自燃机理、链式自燃机理、强迫着火机理。因此，通过知识元链接，本章内容可变为以“火灾发生机理”为知识元展开论述，以热自燃机理、链式自燃机理、强迫着火机理三个子知识元为核心的循环树状链接网络图。其他章节同理。

经过知识元内部链接，形成本门课程内容的知识元链接网络，以网络化结构呈现出来，打破传统的以章节为序组织教学内容和资源，使教学内容重点突出、教学主线明了，逻辑清晰，有助于延长学生对课程内容的记忆期限，在走向工作岗位后更好地学以致用。此外，也有助于教师通过知识元提取，绘制链接网，筛选有效知识，提高课堂授课过程中知识的传递率。

3 结语

基于知识元方法，将课程内容分解成不可分割的知识元，并根据知识元类型进行标识，进而根据知识元标识，选择不同的教学手段和教学方法，丰富了教学内容和形式，有助于活跃课堂气氛。依据知识元链接理论，形成本课程与外部课程，本课程内部之间的知识链、知识网，可实现“建筑消防工程学”教学内容的完整聚合，形成资源结构体模式的知识体系。通过知识元法优化本课程课堂教学，一方面有利于教师将本课程内容化繁为简，筛选有效知识，在有限学时内充实课程教学内容；另一方面，通过链接形成资源结构体模式的知识体系，更易于教师将知识行之有效地传递给学生，提高课堂教学中教师的知识传递率和学生对知识的获取率。