基于知识图谱的自动控制理论 新形态课程研究与实践

摘" " 要：探讨基于知识图谱的自动控制理论新形态课程建设，旨在利用知识图谱的可视化和语义化特性，优化自动控制理论课程的教学效果和学习体验。介绍知识图谱的定义与特点，详细描述基于知识图谱的自动控制理论课程建设的具体方法和策略，包括课程知识体系构建、知识点关联与拓展、互动式学习平台开发以及实践教学环节设计，分析这种课程建设对教学效果提升、学生创新能力培养、教学改革推动以及适应时代发展需求等的意义和价值。

关键词：知识图谱；自动控制理论；课程建设；教学改革

中图分类号：G642" " " " " 文献标识码：A" " " " " 文章编号：1002-4107（2025）02-0067-04

随着信息技术的飞速发展，教育领域正经历着前所未有的变革。自动控制理论作为工程技术领域的重要基础课程，其教学内容的复杂性和抽象性使得传统的教学方法难以满足现代教学的需求。知识图谱作为一种新兴的知识表示和管理工具，以其强大的语义表达能力和可视化特性，为自动控制理论课程的教学改革提供了新的思路和方法[1]。本文旨在深入探讨基于知识图谱的自动控制理论新形态课程建设，以期提高教学效果，培养学生的创新能力和实践能力，为自动控制理论课程的教学改革提供有益参考。

一、知识图谱的定义与特点

知识图谱是一种基于图的数据结构，用于表示实体之间的关系。它用节点表示实体，线表示实体之间的关系，用属性和属性值来描述实体的具体信息，可以将复杂的理论概念、原理和模型以直观的图谱形式展现出来，有助于学生更好地理解和掌握课程内容[2]。与传统的文字描述相比，知识图谱具有三个特点：可视化，知识图谱以图形化的方式展示知识，使得知识之间的关系更加直观和易于理解；结构化，知识图谱将知识组织成结构化的网络，有助于发现知识之间的内在联系和规律；语义化，知识图谱通过实体、关系和属性等元素来描述知识，具有丰富的语义信息，有助于实现知识的深层理解和推理。

自动控制理论知识图谱主要包括八个模块，围绕自动控制的核心理论对相应知识点进行阐述和讲解，条理清晰、结构完整地展示了自动控制理论课程的教学内容。八个模块分别为绪论、控制系统的数学模型、线性系统的时域分析、线性系统的根轨迹分析法、线性系统的频域分析法、线性系统的根轨迹校正设计、非线性系统分析以及线性离散系统的分析与设计。

二、基于知识图谱建设自动控制理论新形态课程的意义

基于知识图谱的自动控制理论新形态课程建设具有重要的意义和价值，通过知识图谱的可视化和语义化特性，提升学生对复杂理论概念的理解和应用能力，促进教学方法的创新，使教育更贴近技术发展的趋势。构建互动式学习平台和设计实践教学环节，不仅增强了教学效果，还有效培养了学生的创新能力和解决问题的能力[3]。基于知识图谱的新形态课程建设的意义和价值如图1所示。

建设知识图谱在知识、课程、专业、学生、教师和管理者六个方面对高校的教学产生了深刻的影响，达到提升高校教学质量的目的，而且基于知识图谱的自动控制理论课程建设在可视化教学、培养创新能力、促进教学改革和适应时代需求四个方面的作用尤为明显，从而提升了学生的理解能力和综合素质。

第一，提高教学效果。通过知识图谱的可视化特性，将复杂的理论知识以直观的图谱形式展现出来，有助于学生更好地理解和掌握课程内容，提高教学效果。

第二，培养学生的创新能力。通过知识点关联与拓展以及互动式学习平台等教学手段，可以拓展学生的知识视野，培养学生的创新思维和创新能力。学生可以在学习过程中自主探索和发现新知识，提高自主学习和解决问题的能力。

第三，促进教学改革。基于知识图谱的新形态课程建设推动了教育技术的创新应用，促进了教学方法和手段的改革与创新。这种新形态的课程建设为自动控制理论课程的教学改革提供了新的思路和方法，有助于推动整个学科领域的教学改革和发展。

第四，适应时代发展需求。随着信息技术的不断发展，社会对人才的需求也在不断变化。基于知识图谱的自动控制理论新形态课程建设可以帮助学生更好地适应时代发展的需求，提高他们的综合素质和竞争力。

总体而言，基于知识图谱的课程建设推动了教育改革，为学生提供了更为全面和深入的学习体验，有助于应对现代社会对技术人才的需求。

三、基于知识图谱的自动控制理论课程建设

自动控制理论研究控制系统的设计、分析及应用，旨在揭示控制系统中各种元件的功能和性能之间的关系。作为工程学科中的重要分支，自动控制理论一直是基础课程的核心之一，支撑着自动化工程、电气工程、机械工程以及航空航天工程等相关领域的理论与实践。基于经典教材如《现代控制工程》等的知识框架，涵盖了从控制系统的基本结构到具体控制算法的全面内容。

教材中的章节与段落构建了知识单元和知识点的分层结构。例如，课程可以详细介绍其分类、工作原理、参数调整方法等几个关键部分，知识单元下还可能包含次级知识单元，如频域方法、时域方法及其应用。知识点作为核心节点在知识图谱中扮演着关键角色，进一步的关系建立与资源绑定均以此为基础。这种知识图谱的建设有助于梳理学科层次，帮助学生深入理解每一部分的内容，也可作为教师培训的重要教学工具[4]。

（一）课程知识体系构建

基于知识图谱的自动控制理论课程建设需要先对课程内容进行全面的知识体系构建。这一过程包括对自动控制理论的核心知识进行深入梳理和分类，确保形成一个层次分明、结构合理的知识体系。在构建过程中，要先明确自动控制理论的基本概念，包括控制系统的定义、基本组成部分（如传感器、执行器和控制器）以及其工作原理。然后，应对控制理论的主要方法进行系统性总结，包括经典控制理论中的PID控制、根轨迹法、频域分析等，自动控制理论课程的主要知识结构如图2所示。

此外，构建过程还应考虑知识点之间的关系，形成一个知识网络图。该知识网络图应具有多种层级结构和详细清晰的目录，通过将相关知识点以图谱的形式呈现，能够更直观地展示各个知识点之间的联系和层级，从而帮助学生更好地掌握课程内容，提高学习效果。自动控制理论知识图谱部分层级结构如图3所示。

在构建该知识体系的层级结构图时，可以借鉴现有的教学大纲和教材，并且结合知识图谱的特点，将知识点之间的关系以图谱的形式展示出来[5]。这种构建方法可以帮助学生更好地了解课程整体框架和各个知识点之间的内在逻辑和联系。

有这样的知识体系作为基础，教师可以通过知识图谱中的关系元素将各个知识点进行有效关联和拓展。例如，可以将某个重要的控制算法与其应用场景、优缺点等相关知识点进行关联，形成知识网络。这样不仅能够增强学生对知识点之间联系的理解，还能够引导他们将理论知识应用于实际问题中，进而培养他们的创新思维和实践能力。

（二）知识点关联与拓展

在知识体系构建的基础上，通过知识图谱中的关系元素，将各个知识点进行关联和拓展。例如，可以将某个重要的控制算法与其应用场景、优缺点等相关知识点进行关联，形成知识网络[6]。这种课程知识内在逻辑可视化方法，不仅可以将知识点与实际应用案例进行关联，引导学生将理论知识应用于实际问题中，还可以帮助学生深入理解知识点之间的联系，拓宽学生的知识视野，培养学生的创新思维和实践能力。自动控制理论知识图谱的内在逻辑如图4所示。

（三）互动式学习平台开发

基于知识图谱的自动控制理论课程建设不应局限于课堂之中，还应在课前和课后等非课时时间内进行。因此，为了达到多面的、立体的自动控制理论课程建设，需要开发一个互动式学习平台，并具备以下功能。

第一，课程知识图谱浏览与查询。学生可以通过平台浏览和查询知识图谱中的知识点，了解课程整体结构和各个知识点之间的关系。该功能可以实现一个图形化的知识图谱界面，展示课程的核心概念、各个知识点及其相互关系；允许学生搜索特定的知识点，并根据主题、难度等进行过滤；学生可以点击知识图谱中的节点，获取详细的解释和相关资源。

第二，在线测试与评估。平台可以提供在线测试功能，让学生自己检测对知识点的掌握情况。同时，平台还可以根据学生的学习情况提供个性化的学习建议和评估报告。平台不仅可以创建和管理包括选择题、填空题、简答题等多种题型的题库，而且能够自动评分并生成反馈，根据测试结果为学生提供学习建议和改进方案。

第三，课程学习路径推荐。平台可以根据学生的学习情况和兴趣爱好，推荐合适的学习路径和资源，帮助学生制定个性化的学习计划。该功能主要针对学生的学习进度和情况，使用推荐算法为不同的学生提供不同的个性化学习路径，并根据推荐结果生成个性化的学习计划。

第四，课堂社区交流与互动。平台可以建立学生社区，让学生之间进行交流和互动，分享学习心得和经验。该功能也实现了教师与学生之间在平台上进行主题讨论和问题解答。

综上所述，该平台可以满足多种现代化教学的需求。平台通过智能推荐和个性化反馈，注重以学生为中心，使教育更加符合每个学生的学习需求和节奏，有助于提高学生的学习效果；教师可以通过该平台快速获取学生的学习数据和反馈，减少传统的手动批改作业和测试的时间，从而能够更专注于教学质量的提升和学生的个别指导。通过讨论区、论坛和社区功能，学生可以在平台上进行更广泛的交流和合作，促进知识共享和团队合作能力的培养等。

该平台提供的数据分析功能可以帮助教育工作者和决策者了解学生的学习情况和课程效果，从而做出基于数据的教育决策和策略调整。例如，学生可以根据自己的时间和学习进度进行自主学习，灵活安排学习计划；教师和平台可以基于学生的反馈和表现不断优化课程内容和教学方法，促进教学质量的持续改进。总的来说，这种互动式学习平台不仅提升了学习和教学的效率，还促进了教育的个性化和现代化，对当前教育体系产生了深远的影响。

（四）实践教学环节设计

实践教学是自动控制理论课程的重要组成部分。基于知识图谱的新形态课程建设应充分利用知识图谱的可视化特性，设计具有针对性的实践教学环节。例如，可以通过虚拟现实技术模拟实际控制系统的运行过程，让学生在虚拟环境中进行实验操作，加深对理论知识的理解和掌握。同时，还可以结合实际应用案例，引导学生进行项目式学习，培养学生的实践能力和创新能力。

在自动控制理论课程实验中，结合虚拟仿真技术，通过虚拟环境中的船舶控制系统进行实践。在实验中，学生可以利用仿真软件创建和调整船舶的自动控制模型，探讨如何运用控制理论中的PID控制、状态空间控制等方法来实现船舶的稳定航行和精确定位。通过虚拟环境，学生可以实时观察控制策略对船舶行为的影响，从而更深入地理解控制理论的实际应用和优化过程。这种仿真实验不仅提高了学习的互动性，也使学生能够在无风险的虚拟环境中尝试不同的控制策略，最终掌握自动控制系统的核心概念。

四、课程建设的实施策略

基于知识图谱的自动控制理论新形态课程建设的实施策略是教育领域的一次创新尝试，旨在通过前沿技术的运用，提升教学效果并激发学生的学习兴趣与创新能力。基于知识图谱的自动控制理论新形态课程建设的实施策略包括以下三个关键步骤。

第一，加强教师培训。教师是课程建设的主体，他们的教学理念和方法对课程质量具有重要影响。因此，需要加强对教师的培训，提高他们对知识图谱的认识和应用能力，使他们能够更好地将知识图谱融入到自动控制理论课程的教学中。

第二，整合资源支持。课程建设需要投入大量人力和物力资源。因此，需要整合学校内外的资源支持，包括教学设备、教学软件、教学案例等，为课程建设提供必要的物质和技术支持。将课程的知识架构以一种新颖的形式展示给学生，并能够以视频的形式对每一个知识点进行讲解，降低学生学习的时间成本。同时，课程将依托学院的虚拟教研室、虚拟船舶控制系统实验室，将船舶的控制实例在真实场景与虚拟空间中进行展示，这能够更加形象地体现课程的应用价值。

第三，持续改进与更新。课程建设是一个持续的过程，需要不断地改进和更新。因此，需要建立课程建设的长效机制，定期对课程进行评估和反馈，及时发现问题并进行改进，使专业课程的知识点能够承载党的二十大精神的思政内容，使二者融为一体。同时，将最新科研成果案例引入教材，建设国家“十四五”规划教材。

综上所述，基于知识图谱的自动控制理论课程建设不仅拓展了教育教学的边界，更为学生提供了更为深入和个性化的学习体验。这种创新策略将继续推动自动控制理论教育向更高水平发展，为培养未来技术领域的精英人才奠定了坚实基础。

五、结语

本文讨论了如何利用知识图谱技术来改进自动控制理论课程的教学方法。知识图谱的可视化和语义化特性，使学生可以更直观地理解复杂的理论概念和模型。知识图谱不但有利于知识框架和知识体系的构建，而且有利于学生个性化学习和教师教学效果提升；不仅提高了教学效果，还培养了学生的创新能力，推动了教育领域的技术应用和教学方法的创新。

本文基于自动控制原理的多种教学资源进行课程知识图谱构建，在教学过程中使用互动式教学平台的新教学模式，并运用知识图谱进行辅助教学和学习资源推荐。同时，该课程运用知识图谱的可视化特性，设计了具有针对性的实践教学环节，锻炼了学习该课程学生的实践能力。

综上所述，为适应新时代不断变化的需求，课程教学应变得更加灵活、多样。教师可通过虚拟现实、人工智能等技术，让学生更加深入地了解课程内容，利用信息技术和智能技术的优势，提高教学效果和学生的学习体验。

参考文献：

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[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（10）.

[3]" 万海鹏，成玲娜，程玉梅.基于学科知识图谱的信息技术在线课程设计研究[J].中国教育信息化，2023（8）.

[4]" 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）.

[5]" 周东岱，董晓晓，顾恒年.教育领域知识图谱研究新趋向：学科教学图谱[J].电化教育研究，2024（2）.

[6]" 吴玉洁，奚雪峰，崔志明.嵌入式静态知识图谱补全研究进展[J].计算机工程与应用，2024（12）.