基于知识地图的高校实验室安全教育微课体系构建

谢 虎， 库夭梅， 刘小波， 陈志民， 李 楠， 叶志婵

（华南农业大学基础实验与实践训练中心，广州 510642）

0 引 言

随着信息技术的高速发展，移动终端已成为人们不可或缺的工具，使学习方式发生了重大变革，突破了时间和空间的限制，碎片化学习成为常态。微课以其“短小精悍”［1］特点契合了碎片化学习的内在规律要求，已在众多课程教学中得到广泛运用。

近年来，国内外高校各类实验室安全事故时有发生，如2018 年12 月6 日，印度班加罗尔一实验室高压氢气瓶爆炸；2019 年2 月27 日，南京工业大学一实验室发生火灾；2021 年10 月24 日，南京航空航天大学一实验室发生爆燃。给国家、学校、家庭带来重大损失，暴露出实验室安全教育与管理的漏洞。2021 年教育部办公厅发布《关于开展加强高校实验室安全专项行动的通知》，强调必须“强化实验室安全教育体系建设”。实验室安全教育旨在使师生掌握安全知识、技能，具备相应的安全素养，是杜绝安全事故的最前端保障，在信息化碎片化时代开展高质量的安全教育，构建视频、动画、微课等符合认知习惯的新资源，以图、表、文字、音频多通道输出，满足学习者新的需求，加强知识建构，有效提升师生安全素养，从而掌握必需的安全知识与技能，对师生全面与可持续发展具有重要意义。

1 实验室安全教育现状

通过对知网近5 年核心期刊中安全教育文献的分析及国内外知名高校的安全教育平台的调研发现，国内外高校普遍高度重视实验室安全教育，均设立了专门的机构负责管理，如美国高校的EHS 管理部［2］、澳大利亚高校的职业健康与安全部［3］，我国高校的安全教育大多由资产与实验室管理处负责。国内高校建立的实验室安全教育体系涵盖安全教育的制度、师资队伍、教育内容、教育资源、教育形式、在线学习及考核等［4］，国外高校在安全教育法律法规涵盖范围及明细度、师资队伍结构、教育资源形式及丰富性等做法非常值得借鉴［5-6］。综观国内外研究仍存在以下问题：①目前各高校的实验室安全教育线上资源多以文本材料为主，视频、动画、微课类资源很少，不利于学习者的记忆存储，已不符合当前的碎片化学习新需求。②教育内容仍沿用大片段组织方式，内容颗粒度大，很难获得学习者的持久关注，效果也不甚理想。③考核侧重知识的获取，忽视了知识的迁移与应用，难以完成知识的建构并最终内化为安全素养，导致学生面对复杂或突发安全问题无法做到有效应对，安全教育质量有待提高。

2 相关概念界定

（1）知识地图。知识地图是一种新型可视化的学习工具，起初由情报学家布鲁克斯提出，他认为知识地图是由一个个知识节点汇聚形成学科认知图示［7］；随后Garrison D R、III Vail、Mansingh G 等指出知识地图是一种知识展现方式［8］、知识点之间的联系与导航［9］、知识可视化的表达工具［10］；国内学者还有认为知识地图是一种信息查询系统［11］。以上表明，知识地图的主要功能是知识管理、知识导航、知识点间关系的可视化呈现等。从形态上知识地图可分为层级知识地图、网状知识地图两种［12］。层级知识地图类似于目录，是按照层级结构排列，见图1，层级知识地图知识点的层级关系很清晰，但知识点之间的关联不能很好地呈现；网状知识地图是一种分析复杂问题的图形化思考工具［13］，不同于层级知识地图，网状知识地图存在反馈链路，见图2。网状知识地图可清晰展现知识点之间的关联，但知识点过多时，关联关系的表达形式很复杂，容易加重认知负荷；二者结合既可看到知识结构，也可看到知识关联。

图1 层级知识地图

图2 网状知识地图

（2）微课。现代意义的微课起源于1993 年美国北艾奥瓦大学罗伊·麦克格鲁教授［14］提出的60 s课程。2012 年美国高等教育信息化协会给出微课的定义是：具有单一主题演讲的音频或者视频，可以很容易融入课程使用。国内微课概念最早由胡铁生［15］提出，他认为微课是针对某个知识点或教学环节开展教与学活动的资源有机组合。焦建利［16］认为微课是以阐释知识点为目标，以短小精悍的在线视频为表现形式，以学习为目的的在线教学视频。黎加厚［17］认为微课程是指有明确教学目标，时间在10 min以内，内容短小，集中说明一个问题的小课程。综上所述，微课是主题聚焦，时间短，容量小，便于在线传播的视频教学课程。

3 基本思路

针对安全教育存在的文本材料多、内容颗粒大、重知识轻应用的问题，拟以微课与知识地图相结合解决上述问题。以微课的视频、动画表现形式破解文本材料多的问题；以知识点化的内容组织解决内容颗粒大的问题；以问题导向促进意义建构解决重知识轻应用的难题。微课的知识点组织方式虽便于理解但也造成了知识的碎片化，且当微课数量多时容易造成信息迷航，引入知识地图以其知识导航、知识管理、关联可视化的功能破解微课知识点化组织存在问题，两者结合可完美解决安全教育线上教学的不足，具有坚实的理论基础。

以微课与知识地图相结合的方式解决实验室安全教育中存在的问题，首先需要重构安全教育的内容体系，实现内容的模块化组织，然后创设导向问题连接各模块及知识点，以此为基础设计开发系列微课，构建知识地图，最后完成考核与评价，促进安全知识、技能与素养的融合培养。具体思路如图3 所示。

图3 研究的基本思路

4 体系构建

4.1 “通识—专业”模块化体系内容构建

安全教育内容的设置是整个安全教育的核心，决定了受教育者的知识面及知识结构。研究参考各高校安全教育相关平台、文献及教材［18-19］，根据安全教育内容涉及面的广度及深度将内容划分为具有普适性的通识教育以及针对特定类别的专业教育，即建立“通识-专业”的安全教育内容框架。通识教育包含消防安全、电气安全、网络安全；专业安全包含化学安全、生物安全、辐射安全、特种设备安全、机械安全。

针对目前安全教育单元内容颗粒度大的问题，在按照专业类别分类的基础上遵循“自上而下分解”与“自下而上验证”相结合的原则对安全教育内容进行模块化、知识点化处理。“自上而下分解”指将各类安全教育内容按照知识的系统性、结构性分解为具体的模块，再将模块内容重组为一个个相对独立但逻辑上具有层次关联的知识单元；“自下而上验证”指验证知识点内容是否完整、知识点组合是否完整阐释相关模块、是否有缺失或者重复的内容。运用德尔菲法经过多轮论证得到相应的模块与知识点，以“消防安全”为例，其模块与知识点（首次展现以全称及缩写表示，其后以缩写表示）如图4 所示。

图4 安全教育内容框架及消防安全模块与知识点

4.2 导向问题的创设

问题的创设是本研究的重点及难点，可分为3 个步骤：

（1）模块及知识点的再整理。将各模块及知识点进行二次梳理，确定关联度强的模块及知识点并进行分类汇总，建立相应的组合。

（2）问题的创设。可首先根据实际情况采用问卷、访谈、文献调研等方法搜集尽可能多的相关问题，然后参照问题的真实情境性、问题涉及内容的层次、问题的半开放性对问题进行再加工，根据建立的模块及知识点创设具体的安全问题。此处创设的安全问题有2 种类型：①顺序类别，即按照模块与知识点的对应关系创设导向问题；②交叉类别，即按照步骤（1）中建立的组合创设导向问题，此类问题的解决需要学习跨模块的知识点。

（3）问题与模块及知识点的关联。根据创设问题时对应的模块及知识点建立问题与模块、知识点的关联。与创设问题的两种类型相对应，关联模式亦有两种：一是以知识结构为主的非跨模块联结模式，此种模式知识点的关联仅在模块内；另一种是跨模块联结的模式。以“消防安全”为例，创设的问题及对应的模块与知识点如图5 所示。

图5 消防安全模块及知识单元与导向问题联结

4.3 微课的设计与开发

微课的设计需紧密结合上述的导向问题，以对应的知识点内容为素材，通过“导入情境设计—内容组织方式设计—内容呈现方式设计—脚本编写—视频拍摄—微课开发”来完成。导入情境需与创设的导向问题紧密联系，设置真实的问题背景，贴合学习者的日常生活学习；内容组织方式设计主要是对每个知识点的内容进行凝练，将知识点的内容简化为具有逻辑关系的几点；内容呈现方式设计指将各知识点内容以图形式的方式表达；脚本编写是对包括情境导入的方式、呈现内容、呈现方式以及各步骤相应的时间长度等进行全过程设计，编写完整的脚本；视频拍摄主要指根据脚本内容进行相关视频拍摄，并进行相应的剪辑；微课开发指根据脚本选择合适的方式进行微课的开发，常见的工具有Premiere、会声会影、Final cut pro、iMovie、VUE、PPT等。

4.4 知识地图的构建

知识地图的构建可分为4 个部分，包括知识地图的表现方式设计、学习路径的设计、不同表现方式联动机制设计和知识地图的开发。

（1）知识地图的表现方式设计。本研究采用层级与网状相结合的方式，首先从层级知识地图入手，根据安全教育的内容分类及模块、知识点关系编制树状知识地图，以清晰展示整体知识结构；接着以导向问题为中心，根据其关联的模块及知识点编制网状知识地图，网状地图以球状、矢量图的形式呈现，可放大缩小的属性赋予其可添加大量的知识关联，同一关联主体以相同颜色呈现，以不同颜色区分不同主体，提供两种关联显示方式（只显示当前问题的关联、显示全部问题关联），默认显示当前问题的关联情况，其他关联则以热点形式展现。

（2）学习路径设计。实时显示用户当前需解决的问题及关联模块、知识点，用不同颜色标识用户已学习、未学习以及正在学习的模块及知识点。用户只需在网状知识地图或学习路径上点击相关知识点即可学习相关内容。

（3）不同表现方式联动机制设计。建立层级知识地图与网状知识地图同步机制，即用户在不同知识地图上查看模块或知识点另一知识地图跟随变动的机制。网状知识地图上实时显示整个安全教育用户的学习轨迹，以不同颜色标识区分不同的学习状态。

（4）知识地图开发。支持PC、移动端，采用基于HTML+CSS+Javascript 技术开发知识地图布局和功能，实现层级和网状方式展示，用HTML 定义知识地图内容，用CSS设计知识地图外观，用JavaScript 来定义交互行为，用Canvas来显示知识的地图画面。

根据页面功能所需，在HTML中放3 个div 元素、2 个canvas元素，2 个h1 元素及2 个按钮即可。其中canvas用来显示层级和网状页面对应的画面。通过上述元素的width、height、background、border-radius 和margin属性设置元素的宽度、高度、背景颜色、圆角效果及外边距。通过button：hover 和button：focus 来设置鼠标经过按钮和点击按钮时的按钮视觉效果。知识地图初步设计界面效果图如图6 所示。在微课与知识地图设计开发完成的基础上，设置知识地图、学习路径与微课的链接。

图6 消防安全教育知识地图

4.5 考核与评价机制构建

考核是检验知识掌握情况的重要组成部分，目前的安全教育考核仍以选择题及判断题等客观题测试为主，难以评估学生的知识迁移能力。本研究设置“客观题+隐患排查+情境推理”3 种形式组合的方式考核学生安全知识掌握情况，三部分权重为5∶3∶2，通过安全教育平台进行测试。客观题来源于题库，主要考察常见知识掌握情况；隐患排查指学习者根据展示的实验室环境找出安全隐患所在；情境推理指模拟一种实验室安全事故环境，学习者当时应如何处理。隐患排查与情境推理更注重考查学生“为什么”“怎么办”的知识迁移能力，注重学生的安全知识建构情况。

评价指学习者对于安全教育微课体系的反馈意见，通过构建的成熟度模型及配套的问卷评估当前安全教育微课体系所处的成熟度等级，并根据对应指标持续改进。

4.6 实施成效

研究实施2 年来，共计1.7 万名学生通过了实验室安全教育测试，优秀等级占比91%，学生满意度达89%，实验老师普遍反馈学生能及时发现安全隐患，两年来学生在实验室零安全事故，为实验教学做好了充分的安全保障。

5 结 语

知识地图与微课的结合具有坚实的理论基础，适合当前主流的碎片化学习方式。本研究在安全教育中率先引入两者结合的方式，使得安全教育内容组织由顺序单元式向问题导向、模块化、知识点化转变，知识地图为学习者个性化学习提供重要支撑，促进安全教育效果由获得安全知识的短时记忆向安全知识、安全技能、安全素养相融合的知识建构转变，取得了良好的成效，为实验室安全教育提供了理论支撑与方法参考。