一、成果背景与问题提出
（一）改革的政策与产业背景
当前国家教育数字化战略深入推进，新工科建设全面落地，电子信息产业作为国民经济战略性支柱产业，对具备系统思维、工程实践能力和自主学习能力的高素质创新型人才需求日益迫切。《河南省教育数字化转型行动计划（2023-2025年）》明确提出要推动信息技术与教育教学深度融合，构建数智化教育新生态；《河南省新工科建设实施方案》要求深化工科课程改革，对接省内万亿级电子信息产业集群人才需求。数字信号处理课程作为电子信息工程、通信工程等专业的核心基础课程，是连接理论知识与工程应用的关键桥梁，其教学质量直接决定相关专业人才培养的核心竞争力。突破数字信号处理课程传统教学模式桎梏，通过知识图谱技术赋能实现教学数智化转型，成为契合产业需求、落实新工科人才培养目标、服务地方经济发展的必然选择。
（二）传统教学模式的核心痛点
数字信号处理课程因包含大量抽象数学推导、复杂工程概念，知识点关联性强且体系庞大，传统教学模式长期面临五大核心痛点：一是课程内容抽象性强，知识点以孤立形态呈现，章节之间、理论与实践之间缺乏清晰的逻辑关联，学生难以构建完整的知识体系，学习畏难情绪突出，难以理解知识的物理意义和工程应用。二是传统教学高度依赖教师个人经验，“一刀切”的统一教学模式无法适配学生的基础差异，个性化学习需求难以满足，教学效果两极分化。三是混合式教学实施表层化，线上线下资源脱节、协同不足，未形成“预习-授课-巩固”的教学闭环，信息技术仅作为教学辅助工具，未实现与教学过程的深度融合。四是教学过程中产生的海量数据未能有效反哺教研改进，教师教学设计优化缺乏实证支撑，难以实现教学相长。五是传统教学重理论讲授、轻实践应用，课程内容与行业需求、学科竞赛要求脱节，学生工程实践能力不足，难以满足电子信息产业发展对应用型人才的需求。
（三）改革的实施基础与可行性
开展本课程数智化教学改革，既是落实《中国教育现代化2035》《河南省教育数字化转型行动计划（2023-2025年）》等政策要求的具体实践，也是破解工科核心课程教学难题、提升人才培养质量、服务地方产业发展的内在需求。知识图谱作为人工智能领域的核心技术，能够将碎片化知识结构化、语义化，为解决知识碎片化、实现个性化教学提供技术支撑。超星学习通等教学平台的成熟应用，为线上线下双空间深度融合提供了工具保障。项目团队由计算机科学与技术、信息与通信工程等领域的骨干教师组成，兼具教学经验与技术研发能力，前期已完成课程知识体系梳理、图谱原型搭建等基础性工作，为改革的顺利实施奠定了坚实基础。
二、成果核心内涵
针对教学痛点，本成果以“图谱赋能、三环四通”为核心，如图1所示，构建一套适配省地方应用型高校工科核心课程的数智化教学改革体系，实现教学理念、模式、方法和评价的全方位创新。
图谱赋能将知识图谱作为教学改革的核心技术引擎，突破传统教学技术壁垒，实现从“静态资源库”到“动态导航引擎”的升级，为个性化学习、精准化教学、数据化评价提供底层支撑，推动信息技术与教学过程的深度有机融合。
三环指重构教学流程为“课前个性化预习-课中精准化互动-课后拓展性训练”三个有机衔接的环节，以知识图谱为导航，整合线上虚拟学习空间和线下实体课堂空间，形成无断点、可循环的教学闭环，实现教学过程的全流程精准调控。
四通即打通四大教学要素流转通道，以知识贯通串联碎片化知识点，帮助学生构建系统知识体系；以时空贯通实现线上线下双空间深度融合，打破教学时空限制；以教研贯通用数据反哺教学设计优化，推动教学相长；以赛课贯通对接学科类竞赛与工程实践，对接电子信息产业人才需求，构建全要素协同的教学保障体系。
图1“图谱赋能、三环四通”数智化教学体系示意图
三、成果主要实施过程
（一）基础层：课程知识图谱构建
知识图谱作为改革的核心技术支撑，课程图谱的构建遵循“系统解构-可视化搭建-资源整合-动态优化”的实施路径：
1.知识体系系统解构：基于人才培养方案、课程教学大纲和核心教材，结合电子信息产业岗位能力要求，将课程知识解构为7大模块，精准识别227个核心概念实体，定义记忆、理解、应用等6类认知属性及前后置、关联、父子3类语义关系，完成知识体系的系统化梳理。
2.知识图谱可视化构建：依托超星学习通平台，搭建包含227个核心概念实体、200余组语义关系的课程知识图谱，实现全局概览、路径追踪、关联发现三种可视化展示模式，将传统线性知识结构转化为立体互联的“知识大脑”，图谱知识点建设率达97.8%，如图2所示。
3.教学资源智能化整合：通过建立“知识点-资源类型-难度等级”多维标签体系，为54个微视频、750道分层习题库、近400道知识点测验题、26个电子信息企业真实工程案例进行精准标注，实现教学资源与知识图谱的深度绑定，支持资源的智能检索、个性化推送和学习路径规划。
4.图谱质量动态保障：构建“拓扑指标监测-教师团队审核-学生使用反馈”的三维质量评估体系，实时监测图谱网络密度、连通性等指标，通过平台版本管理功能实现知识图谱的动态更新和迭代优化，确保图谱的科学性、时效性和实用性。
图2课程知识图谱建设资源统计图
（二）流程层：“三环”教学流程重构
基于已构建的课程知识图谱，教学流程被重构为三个环环相扣、层层递进的环节，实现“以学定教、精准施教”。
1.课前个性化预习阶段：教师以“学习路径规划师”角色，基于知识图谱设计针对性预习任务。平台根据学生学习历史、知识掌握情况和知识点先修关系，为每位学生推送个性化预习资源。学生依托图谱自主探索知识关联，完成预习任务，平台实时采集预习数据，形成学情初步反馈，为课中精准教学提供依据。
2.课中精准化互动阶段：教师以“课堂引导与催化师”角色，通过图谱学情分析报告，精准定位班级共性知识难点和个体知识漏洞，开展针对性讲解和互动教学。教学过程中设计“概念映射”“案例导学”“项目驱动”等与知识图谱适配的创新教学活动，结合趣味课堂游戏，强化学生对知识体系的理解。学生依托图谱参与小组研讨、互动答疑、实践操作，将课前预学的碎片化知识转化为系统的知识体系，完成知识的深度内化。
3.课后拓展性训练阶段：教师以“能力拓展教练与教学优化师”角色，基于课堂学习数据和知识图谱结构，为学生推送分层拓展资源。课后学生完成知识巩固、拓展练习和工程实践，实现知识的迁移应用。平台记录学生课后学习行为数据，教师根据多源数据反馈，优化后续教学内容、方法和资源，形成“设计-实施-评估-优化”的教学闭环。
（三）机制层：“四通”联动保障
在“三环”教学流程落地的基础上，本成果围绕教学全流程构建四大贯通机制，保障教学体系高效运行，解决教研分离、学用脱节等问题。
1.知识贯通：以知识图谱为纽带，对课程内容进行系统解构，构建包含227个核心概念实体、200余组语义关联的课程知识网络，将离散的抽象数学推导、工程概念、应用知识点串联成网，清晰呈现知识间的内在逻辑，让学生从“孤立记忆知识点”转变为“系统构建知识体系”。
2.时空贯通：整合线上线下教学资源，打破教学空间壁垒，以知识图谱为联动枢纽，整合线上虚拟学习空间与线下实体课堂空间，实现双空间数据互通、内容互融、目标统一。线上采集学生预习路径、资源使用、答题正确率等行为数据，为线下教学提供精准学情依据。线下围绕线上暴露的共性难点、个体知识漏洞开展针对性讲解和互动教学，为线上拓展学习指明方向。平台移动端访问量占比达68%，学生可充分利用碎片化时间开展跨空间自主学习，学习灵活性显著提升。
3.教研贯通：采集学生学习行为数据，通过知识图谱分析教学短板，反向优化教学设计、课程内容与教学方法，实现教学数据反哺教研，推动教学相长。改革实施以来，团队基于教学数据优化教学方案12次，调整知识点难度梯度8处，更新教学资源30余项，教学针对性显著提升。
4.赛课贯通：深度对接电子设计竞赛与电子信息行业工程需求，将竞赛案例、省内企业真实工程问题融入图谱知识体系，引导学生结合理论知识开展实践应用，实现理论学习与实践应用无缝衔接，解决学用脱节问题。
四、成果实践成效
本成果在郑州工业应用技术学院通信工程、电子信息工程专业2022级、2023级本科班，2023级、2024级专升本班开展四轮完整教学实践，覆盖学生1200余人，取得了显著的育人成效。
（一）学生培养质量显著提升
学生学业成绩明显改善，电子信息工程专业2023级本科实验班平均分（86.5分）较对照班（79.0分）高出7.5分，2024级专升本实验班平均分（81.8分）较对照班（75.6分）高出6.2分。同样，在通信工程专业，2023级本科与2024级专升本实验班的平均分也分别领先对照班6.7分与5.7分，班级平均分对比图如图3所示。及格率方面，所有实验班的及格率均稳定在95%以上的高位。其中，电子信息工程专业2023级本科实验班及格率高达99.0%，比对照班（92.5%）提升了6.5个百分点，通信工程专业2024级专升本实验班的及格率提升效果最为突出，从对照班的88.0%提升至95.0%，提升了7个百分点，及格率对比图如图4所示。所有实验班及格率均稳定在95%以上，整体及格率提升6.5-8.0个百分点，优秀率（85分以上）提升12.3个百分点。
图3实验班与对照班平均分对比图
图4实验班与对照班及格率对比图
学生实践创新能力显著增强，学生主持参与大学生创新创业训练项目3项，近三年，依托本成果构建的教学与实践体系，学生在电子信息类、计算机类高水平学科竞赛中获奖层次与数量呈逐年稳步上升趋势，人才培养质量持续提升。2023年：各类竞赛获奖85项，其中国家级2项、省级83项；2024年：获奖增至168项，其中国家级6项、省级162项，较上年实现大幅增长；2025年：获奖进一步提升至217项，其中国家级10项、省级207项，再创历史新高，较改革前提升35%。毕业生进入河南省内重点电子信息企业就业比例提升18.5个百分点，得到用人单位的高度认可。
能力培养的长效性得到验证，实验班学生后续专业课程平均成绩较对照班高6.2分，相关专业考研录取率提升9.7个百分点，2名学生的毕业论文获评河南省优秀学士学位论文。学习体验满意度大幅提高，调查结果如图5所示：86.2%的学生认为混合式教学模式提高了学习兴趣，89.4%的学生对个性化学习资源推送表示满意，93.1%的学生认为线上学习平台操作便捷，92.6%的学生认为知识图谱有助于理解知识点之间的关联，课程满意度从改革前的82分提升至94.6分。
图5学生满意度调查结果
（二）教师教学科研能力双提升
教师实现了从“知识传授者”向“教学设计师、学习导航师、数据分析师”的三重转型，围绕成果发表论文10篇，其中中文核心期刊3篇、SCD收录1篇，教改论文6篇，获批省级教研项目11项。团队累计开展校内专题培训8次，覆盖教师126人次，带动全校12门课程开展知识图谱教学改革探索，形成了教学改革的集群效应，实现教学实践与科学研究的相互促进、协同发展，教师数字化教学能力得到系统性提升。
五、成果核心创新点
成果突破传统工科教学模式、技术应用与角色定位局限，实现技术、流程、机制与角色的深度融合，形成四大核心创新点。
1.技术赋能创新：突破传统教学“经验驱动、技术单一”瓶颈，创新将知识图谱技术与工科核心课程教学深度融合，系统解构课程核心知识点与语义关联，搭建专属立体化知识图谱。区别于简单的技术叠加，本成果以知识图谱为核心引擎，实现学情精准画像、资源个性化推送、教学数据化调控，推动教学从“一刀切”向“个性化”、“模糊化”向“精准化”转型，解决工科课程教学靶向性不足、针对性不强的核心难题，筑牢工科数智化教学技术底座，为河南省同类课程技术赋能提供新路径。
2.流程重构创新：创新重构“课前精准导学-课中高效互学-课后拓展固学”无缝衔接教学流程，打破传统教学各环节割裂现状。通过图谱赋能串联全流程，实现“以学定教、以教促学、学用结合”，破解课堂“满堂灌”、预习复习盲目、时空割裂等痛点，构建起全流程、连贯性、精准化的教学新范式，填补工科课程全流程教学重构的空白，提升教学整体效能。
3.机制保障创新：构建“知识、时空、教研、赛课”四维贯通保障机制，打破教学要素流转壁垒。四大机制各司其职、协同发力，串联碎片化知识、整合全时空资源、以数据反哺教研、对接河南省地方产业实践需求，破解传统教学要素割裂、保障不足的难题，解决了教研分离、学用脱节等核心问题，形成可复制、可推广的数智化教学保障模式。
4.角色转型创新：构建数智时代高校教师“三维一体”的角色重塑范式，系统性提出并验证了高校教师从“知识传授者”向“教学设计师、学习导航师、数据分析师”的“三维一体”角色重塑路径，明确了数智时代教师的核心职责和工作重心，将教师从重复性劳动中解放出来，聚焦于教学设计、思维引导和个性化支持等高价值工作，为河南省培养适应数智时代要求的数字化教师队伍提供了可操作的实践案例。
六、成果推广价值与未来展望
本成果以数字信号处理课程为载体，构建“图谱赋能、三环四通”的数智化教学体系，兼具理论高度、实践深度和推广广度，其核心模式、方法和机制可迁移、可复制，高度契合省教育数字化转型需求，具有极高的推广价值和广阔的应用前景。
（一）省内推广应用成效显著
成果已在郑州西亚斯学院、郑州经贸学院、郑州升达经贸管理学院、黄淮学院四所兄弟院校得到推广应用，覆盖电子信息工程、通信工程、自动化、计算机科学与技术等多个专业，受益教师39人、受益学生3350余人，累计覆盖师生规模达4500余人。郑州西亚斯学院应用后期末平均分较往届提升5%，教师反馈“知识图谱使教学活动设计更加精准，学情反馈更加及时，大幅减轻了教学负担”。郑州经贸学院重点拓展工程案例库，超过85%的学生认为图谱关联的案例有效帮助理解理论应用场景，课程满意度提升12个百分点。郑州升达经贸管理学院应用后，学生自主学习积极性与知识吸收率显著提升，教师教研能力得到有效锻炼。黄淮学院引入成果后，教学流程更加规范，数智化教学水平明显提升，师生认可度高。四所高校的推广应用，充分验证了成果的可行性与可复制性，辐射带动区域内多所高校开展数智化教学改革，逐步形成区域工科教育教学创新的良好氛围。
（二）未来展望
本成果构建的“图谱赋能、三环四通”教学模式紧扣省高等教育数字化转型要求，具有较强的普适性，不仅适用于电子信息类工科课程，还可迁移至理工科其他专业课程，甚至文科、理科课程，具有广阔的推广应用前景。未来将从以下三个方面进一步深化成果建设：一是持续优化知识图谱体系，拓展跨课程、跨专业知识图谱建设，构建专业群级别的数智化教学资源库；二是完善成果推广服务体系，开发标准化改革操作手册、培训课程，为省内更多高校提供全流程改革指导；三是深化产教融合，进一步对接省重点产业企业需求，将最新产业技术成果融入教学体系，提升人才培养与产业需求的匹配度，为省高等教育高质量发展贡献力量。
