基于课程导图的高校选课系统研究*

于源 于洪杰 范一强 汪晓男 张娅 （北京化工大学机电工程学院）

一 选课系统中课程关联的重要性

课程体系是高校人才培养目标和规格的主要体现，其改革以适应社会发展需求，培养创新型人才，尊重学生个性发展和科学地整合知识系统为目标。个性化学习理念正逐步被广大高校所接受，学分制成为高校的主流培养模式，具体表现为学校提供多元化课程，学生可以根据自己的兴趣，在学校培养计划的指导下选课。同时，还可以自主选修培养计划外的相关课程（包括部分非本专业课程），具有一定的开放性[1]。此外，授课方式也由传统课堂面授的单一途径向在线教学、在线答疑等多元化模式转变。大型开放式网络课程（Massive Open Online Courses，MOOCs）的快速发展及其对于激发学生学习动机起到的良好效果，得到了许多高校的认可。部分高校正计划或已经将这种模式引入到本科生培养中，以充分利用在线课程（Online Education）的开放性与便利性等优势，来弥补课堂教育（Classroom Education）由于时间和空间的限制所带来的不足，充分发挥学生学习的主动性。如三大课程供应商之一的Coursera，就已与29 个国家和地区的149 所高等院校和达成合作（数据来源于 https：//www.coursera.org/），中国有包括中国科技大学、北京大学以及上海交通大学等六所顶级高校已与其展开合作。开放式网络课程已经成为一股不可忽视的力量，并且正在走向成熟。从长远看，将会对教育事业产生革命性的影响[2,3]。然而，这种开放式的选课和自主学习在实际操作上会有一定的弊端，即容易导致学生的整个学习计划缺乏科学系统的规划和指导，使其所选课程之间缺少关联，造成知识链的脱节，不利于形成系统性的知识框架。具体来讲，学生在选课过程中，往往对备选课程不加了解，只给出简单的主观判断，并在这些判断的基础上，选择性地接受或者放弃某些课程的学习。但是由于缺乏系统的了解，这些被放弃的课程中，可能会包含部分后续课程的先修课程，这样就会对后续相关课程的学习造成障碍，同时也不利于对于学生专业兴趣的培养。以A 大学机械工程与自动化专业在大学二年级下学期开设的复变函数与积分变换课程为例，它是大学三年级上学期开设的控制工程基础的先修课程，但部分学生因为对课程体系并不了解而放弃该课程，造成控制工程基础在教学过程中出现很大的困难，老师教学吃力，学生学习费劲。同样，MOOCs 中每门课程自成一体，尽管课程内容完整，且有讨论区及提交作业等较为完善的功能，但随着课程数目激增，涉及的学科内容越来越宽泛，MOOCs 平台课程管理的不足也显现出来。课程之间相互独立，在知识结构上没有相互联系起来，这对于想要系统深入学习的学习者来说，将会遇到很大的障碍。

由此可以看出，无论是高校的学生选课系统，还是互联网在线学习系统，如果课程之间相互独立，缺乏关联，在知识结构上没有系统性约束，缺少友好的选课操作平台，那么学生在选课过程中就会因为没有选课依据，而存在盲目选课的问题。根据北京大学一项研究显示，“选课系统”是除了“师兄师姐介绍”外，学生获取信息最主要的途径，占比高达74.9%[4]。学生选课系统是学生接触和了解学校培养方式的主要途径，也是学生选课获取信息的重要方法。可以说，选课系统对高校的人才培养具有直接而深刻的意义。因此，学生选课系统的功能就显得尤其重要。高校大多数现行的选课系统在知识结构管理上具有明显的不足，虽然学生可以在上面查看每一门课程的信息，但系统中没有储存和整理课程体系的知识结构，每门课程之间相对独立。虽然有些信息可以通过课程的备注信息表示出来，但这种方式无法直接建立课程之间的衔接。本文为解决这一问题，提出基于课程导图的高校选课系统，并以A 大学机电工程学院机械工程及自动化专业为例，对选课系统进行了设计和构建。利用该课程平台，使学生能够明晰课程脉络并科学地、系统地进行选课。

二 课程导图的设计

课程之间的关联可以从多个视角来考察，例如从培养目标的知识、能力或素质方面,或者从课程的实践环节来考察。但不管从哪个角度出发，落脚点都是课程之间的知识关联[5]。课程导图产生于20世纪80年代美国“标准化运动”[6]。它可直观地展示课程脉络之间的关系，不仅能使课程之间相互关联起来，也可让学生进入大学之后能有学习的整体方向，并且提供学生规划四年修课的参考，帮助学生进行选课咨询及学业规划。目前已经在欧美等域外国家和我国的港澳台地区得到充分重视[7]。课程导图作为平台和工具被引入高校的高等人才培养体系中，并且起着越来越重要的作用。而目前在这个领域研究以及应用最深入和充分的依然是欧美国家，以医学教育为例，根据Timothy G Willett 教授的调查，加拿大和英国绝大部分医学院校正在着力构建课程导图，并且有至少20%的院校完成了课程导图的构建[8]。值得一提的是，由于课程导图是关于专业培养的系统表达，在此过程中就需要全体老师参与进来，才能保证课程导图真正有效。相较于那些对课程导图重视的高校，我国还有很多高校对课程导图的重要性没有充分认识，课程导图的使用并不普及，相关研究也刚刚起步。但不少人已经开始对此产生重视，一些院校的研究人员结合自己所在专业，对课程导图的开发与设计进行分析，并意识到其对学生专业培养、教师教学的提高以及专业的建设具有重要意义[9]。

本文拟利用课程导图来表达课程“时序关系”。课程导图的本质，就是要梳理课程之间的联系，找出每门课所要求的与“预备知识”相对应的课程，并以“先修课程”的方式展示给用户。以图1所示控制工程基础课程为例，导图中根节点指待选课程，叶节点表示无先修要求的基础型课程。而除第一层外，所有课程均为控制工程基础的先修课程。第二层为控制工程基础的直接先修课程，该层的节点均是根节点的子节点。第三层节点则是第二层相关节点的直接先修课程，如高等数学是复变函数与积分变换的直接先修课程。

控制工程基础是研究控制系统的组成、原理及分析方法的学科。传递函数是其数学模型。建立了系统的数学模型之后，就可以采用时域分析法或频域分析法，对系统的稳定性、准确性和快速性进行分析。复变函数与积分变换课程知识包含复变函数和积分变换两大部分，后者包括拉普拉斯变换和傅里叶变换，而这是理解控制工程基础中传递函数、时域分析法和频域分析法等要点的基础[10]。复变函数与积分变换课程为控制工程基础课程奠定了学习基础。图1所示课程导图中，复变函数与积分变换是控制工程基础的一门先修课程。以此方法分析，可获得其余先修课程。

控制工程基础是控制领域的一门专业基础课程，先修课程数量较少，但对于某些专业课来而言，其先修课程比较多，以机器人技术课程为例。该课程作为一门专业方向选修类课程，根据A 大学机电工程学院机械工程及自动化专业培养计划，其先修课程包括19 门。包括1）专业方向课程，如机电一体化系统设计、测试技术、机电传动控制；2）专业基础课，如理论力学、工程材料、互换性与技术测量、机械设计、机械原理、机械制造技术、控制工程基础；3）公共基础课程，如大学物理、线性代数、高等数学、概率论与数理统计、复变函数与变换、电子电路技术、机械制图；4）实践环节课程，如金工实习、金工实习导论。如果仅以此对课程进行展示，课程的参与人无论是老师还是学生都仅能从中得到课程的归类情况，难于找到课程之间的关联，也难于厘清课程所涉及的知识结构。利用课程导图将机器人技术上述先修课程进行梳理和关联，如图2所示。该课程的直接先修课为机电一体化设计和理论力学；机电一体化设计以机为主，以电为用，从系统的角度论述机械系统和微机控制系统的原理、特点、选用方法，稳态设计和动态设计的分析方法等，因此需要具有机械设计和测试技术等课程的支持；而机械设计课程涉及机械和机械零件设计的概要，需要学生具备机械原理和机械制造技术的相关基础知识；机械制造技术对不同材料的加工方法进行介绍，因此是建立在学生对工程材料和互换性与技术测量有所了解的基础上的；金工实习（含金工实习导论）是实践性技术基础课，学生通过动手实践，熟悉机械制造的一般过程，掌握金属加工的主要工艺方法和工艺过程，可为工程材料和互换性与技术测量等课程打下良好基础；机械制图是门工程基础类课程，被称为工程界的语言，用来表达设计意图和制造要求以及交流经验的技术文件，因此是该课程导图的叶结点。因此，可以看出，找出课程的关键知识点，依此梳理课程间相互关联，是建立该课程的课程导图的关键所在，继而可得到课程之间先修或后继的关系。

图2 机器人技术课程导图

基于课程导图的在线选课系统正是针对以上所述的现行选课系统不足的改进，它能够使选课系统具备一定的知识结构管理的能力，并且这种知识结构可以展示出来。学生选课之前可以在系统内查询每门课在知识结构上与其他课程之间的关系，从而获得先修要求。学生也可以依据各自的兴趣提前做好准备。如学生甲对机器人技术这门课感兴趣时，他可以在入学时查看这门课的先修要求，选修线性代数、高等数学等基础课程和机械设计、机电一体化系统设计等专业先修课程，为将来学习机器人这门课打下理论基础。这种选课系统对现代教育的人才培养具有重要的意义。

三 基于课程导图的选课系统

本文在WAMP server 开源软件的基本框架上，利用MySQL 完成了学生信息、课程信息、选课信息以及教师信息等数据在数据库中的存储，并采用PHP storm 完成了交互界面的设计，实现了基于课程导图的选课系统。本系统的用户分为：学生、教师、管理员。用户不同，系统功能不同，权限也不相同，因此需要进行身份验证，验证通过后，方可进入相应操作界面。

传统的选课系统的核心功能是退选课。而当学生要了解某门课程的先修要求信息时，只能查看课程教学大纲。学生要根据这些信息，自己梳理课程脉络，进行课程之间的关联。由于学生获取的信息不够完整，很难系统地完成这项任务，而且也不便捷。基于课程导图的高校选课系统，在“培养计划”页面中增加了“查看先修课程”的超链接，学生直接点击该链接就能获得每门课程对应的先修课程。在所有的先修课程中，将课程导图中相邻节点，即直接先修课程，单独列出，作为第一列；第二列则列出该课程所有的先修课程，使学生在浏览的时候更有层次感，能够突出重点，以机器人技术为例，理论力学和机电一体化系统设计为其直接先修课程，将其列在第一栏，如表1所示。

表1 先修课程列表示意图

传统选课系统对学生的选课一般不加限制，这就会使得一部分不满足先修要求的学生，也能选修相关课程。这将会给后续学习和教学带来不少问题。对学生而言，由于背景知识的缺乏，很多知识点听不明白，跟不上课程进度，严重时会导致学习半途而废；对老师而言，学生“预备知识”不足，讲课将会非常吃力。有时，为了照顾这些学生，必然要从头讲一些“先修知识”，影响教学进度。基于课程导图的高校选课系统在学生选课时，会对该生的先修要求进行验证，如果不满足选课条件，该生将无法选择这门课程，同时系统会显示用户不能选课的原因。以机器人技术为例，当学生未选修这门的先修课程机电一体化系统设计，则系统会给出提示。这样学生因为先修课程不满足条件，故无法选修机器人技术这门课程。该选课系统对于先修课程的约束，不仅有助于学生合理选课，而且也使学生更加明确本专业课程间关联、达到了使学生深入了解课程体系的目的。

四 基于课程导图的高校选课系统的现实意义

针对高校现有选课系统中由于课程间的逻辑关系相互独立，关联性不强而无法系统地、科学地引导学生选课的问题，本文设计了基于课程导图的选课系统。这种选课系统能够系统地表示课程在知识结构上的递进关系，使学生厘清课程之间的脉络关系，帮助他们建立个人的知识结构，使学生更高效获取先修课程信息，在选课时做到有的放矢，有利于培养目标的实现。该系统还能对学生的选课行为进行限制，避免由于片面性选课造成学生在课程学习过程中的知识断层而导致学习困难。此外，正快速发展的MOOCs 技术，逐渐被引入高等院校，将基于课程导图的选课系统应用在MOOCs 平台中，对选课活动进行科学的引导，将有利于用户做出系统的学习规划。