董曉曉 周東岱 黃雪嬌 顧恒年 李振

[摘? ?要] 教育領(lǐng)域知識圖譜是教育人工智能需要優(yōu)先開展的基礎(chǔ)性工作。知識圖譜模式是圖譜構(gòu)建的核心，但既有研究中欠缺對圖譜模式的關(guān)注。文章提出了一種以學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展為導(dǎo)向，根據(jù)教育領(lǐng)域知識進(jìn)行目標(biāo)分解、子領(lǐng)域劃分、應(yīng)用需求和邊界確立，融合知識組織與教育教學(xué)原理規(guī)律來定義實(shí)體類型、實(shí)體屬性和實(shí)體關(guān)系的教育領(lǐng)域知識圖譜模式構(gòu)建方法?；谠摲椒?，構(gòu)建了面向?qū)W科知識體系的高中物理學(xué)科知識圖譜模式，并以高中物理 “電磁場與電磁波初步”知識模塊給出了學(xué)科知識圖譜的示例，該圖譜在實(shí)際教學(xué)應(yīng)用中取得了良好的效果。

[關(guān)鍵詞] 學(xué)科核心素養(yǎng); 教育領(lǐng)域知識圖譜; 知識圖譜模式

[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A

[作者簡介] 董曉曉（1993—），女，山東臨沂人。博士研究生，主要從事教育知識圖譜研究。E-mail：dongxx336@nenu.edu.cn。

一、引? ?言

2012年，Google知識圖譜（Knowledge Graph）作為知識組織和知識表示的最新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大量無序資源信息的有序化組織與結(jié)構(gòu)化重構(gòu)，成為新時代知識表示最具潛力的發(fā)展方向[1]?！缎乱淮斯ぶ悄馨l(fā)展規(guī)劃》將知識圖譜構(gòu)建與學(xué)習(xí)技術(shù)視為新一代人工智能的關(guān)鍵共性技術(shù)之一，并提出要構(gòu)建涵蓋數(shù)十億實(shí)體規(guī)模的多源、多學(xué)科和多數(shù)據(jù)類型的跨媒體知識圖譜[2]。任友群認(rèn)為在人工智能時代背景下，面向不同層次教育的知識圖譜是實(shí)現(xiàn)個性化授導(dǎo)的基礎(chǔ)，是教育人工智能領(lǐng)域需要優(yōu)先開展的基礎(chǔ)性工作[3]。

知識圖譜在教育領(lǐng)域的研究由來已久，早期可視化表征教育前沿、熱點(diǎn)以及發(fā)展趨勢時提及的知識圖譜為“科學(xué)知識圖譜”[4]?，F(xiàn)階段，伴隨人工智能在教育領(lǐng)域的快速融合發(fā)展，教育領(lǐng)域所提及的知識圖譜主要指Google知識圖譜在教育領(lǐng)域的融合發(fā)展，伴隨出現(xiàn)的有教育知識圖譜、學(xué)科知識圖譜等概念[5-6]。知識圖譜模式（Knowledge Graph Schema）是對領(lǐng)域內(nèi)概念、概念屬性及概念間關(guān)系的抽象表達(dá)與存儲，確定知識圖譜模式是知識圖譜構(gòu)建的核心[7]。梳理分析教育領(lǐng)域知識圖譜既有研究發(fā)現(xiàn)，研究者多從技術(shù)角度關(guān)注教育領(lǐng)域知識圖譜的構(gòu)建，欠缺對教育領(lǐng)域知識圖譜模式構(gòu)建的關(guān)注，少數(shù)涉及教育領(lǐng)域知識圖譜模式的相關(guān)研究，也沒有在方法層面給出相應(yīng)闡述。通用知識圖譜和其他領(lǐng)域知識圖譜的模式構(gòu)建雖具備一般性，但缺少教育領(lǐng)域特征地融入與細(xì)化，難以對教育領(lǐng)域知識圖譜模式的構(gòu)建提供有效指導(dǎo)。鑒于此，我們在系統(tǒng)梳理分析的基礎(chǔ)上，深入探究滿足教育教學(xué)需求的知識圖譜模式構(gòu)建方法，以期進(jìn)一步推動教育領(lǐng)域知識圖譜的應(yīng)用與發(fā)展。

二、教育領(lǐng)域知識圖譜模式構(gòu)建研究綜述

教育領(lǐng)域知識圖譜模式構(gòu)建的目標(biāo)是對教育領(lǐng)域知識圖譜實(shí)體、屬性及關(guān)系進(jìn)行明確界定，對其可行的范疇加以明確說明[8]。當(dāng)前，研究者們普遍采用本體來管理知識圖譜模式層[9，7]，通過七步法、骨架法、TOVE等方法定義本體的概念類、概念類屬性和概念類關(guān)系，也就是定義知識圖譜模式的實(shí)體類型、實(shí)體屬性和實(shí)體關(guān)系[10-13]。在全面檢索既有教育領(lǐng)域知識圖譜相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，我們遴選了與圖譜模式高度相關(guān)且有代表性的文獻(xiàn)，按照圖譜模式構(gòu)建方法與結(jié)果進(jìn)行梳理分析，見表1。

分析發(fā)現(xiàn)存在以下幾方面問題：（1）既有教育領(lǐng)域知識圖譜模式構(gòu)建對其目標(biāo)定位、邊界或應(yīng)用范圍界定不夠明確也不盡相同，未有效落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的教育理念，據(jù)此構(gòu)建的圖譜亦不能有效滿足當(dāng)前教育教學(xué)的實(shí)際需求。（2）教育領(lǐng)域知識圖譜與非教育領(lǐng)域知識圖譜相比有其獨(dú)特的目標(biāo)定位和應(yīng)用需求，其構(gòu)建需要教育領(lǐng)域知識的融合與指導(dǎo)，但已有構(gòu)建中都少有相應(yīng)的體現(xiàn)，存在融合切入點(diǎn)不明晰、缺少抓手問題。（3）既有教育知識圖譜模式中實(shí)體類型、實(shí)體屬性和實(shí)體關(guān)系的確定缺乏顯性依據(jù)和系統(tǒng)考量，多是簡略提出依據(jù)“學(xué)科教學(xué)規(guī)律”“教學(xué)大綱”等籠而統(tǒng)之的主觀認(rèn)定，欠缺科學(xué)性和準(zhǔn)確性保證，且不同程度的存在實(shí)體類型和實(shí)體屬性區(qū)分不清晰、屬性定義不明了，以及實(shí)體關(guān)系定義與教育領(lǐng)域特征欠適配等問題。

三、學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展導(dǎo)向的教育領(lǐng)域

知識圖譜模式構(gòu)建方法

目標(biāo)是要達(dá)到的境地或標(biāo)準(zhǔn)。核心素養(yǎng)是我國教育方針的具體化，要解決當(dāng)前教育領(lǐng)域知識圖譜尚不能滿足教育教學(xué)實(shí)際需求的問題，首先需要以學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展為導(dǎo)向?qū)逃I(lǐng)域知識圖譜進(jìn)行教育目標(biāo)價值定位和應(yīng)用需求分析，明確其構(gòu)建目標(biāo)與應(yīng)用范圍;其次，要根據(jù)教育教學(xué)基本原理，將教育領(lǐng)域知識圖譜的總體目標(biāo)定位與應(yīng)用范圍進(jìn)行有效分解與逐級精化，突破教育領(lǐng)域知識融合切入點(diǎn)不清晰、缺少抓手問題;此外，還需充分融合知識組織領(lǐng)域及教育教學(xué)領(lǐng)域的原理規(guī)律，系統(tǒng)定義實(shí)體類型、實(shí)體屬性和實(shí)體關(guān)系，以保證模式的科學(xué)性和準(zhǔn)確性?；诖耍覀兲岢鲆詫W(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展為導(dǎo)向，根據(jù)教育領(lǐng)域知識進(jìn)行目標(biāo)分解、應(yīng)用需求和邊界界定、子領(lǐng)域劃分，融合知識組織與教育教學(xué)原理規(guī)律來定義實(shí)體類型、實(shí)體屬性和實(shí)體關(guān)系的教育領(lǐng)域知識圖譜模式構(gòu)建方法，構(gòu)建流程如圖1所示。

（一）學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展導(dǎo)向的教育領(lǐng)域知識圖譜模式構(gòu)建目標(biāo)及應(yīng)用需求分析

正確理解與明確教育教學(xué)目標(biāo)是教育領(lǐng)域知識圖譜模式構(gòu)建的第一步。培育學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)已成為我國新一輪教育教學(xué)改革的基本理念和價值追求，核心素養(yǎng)回應(yīng)了教育教學(xué)中“培養(yǎng)什么樣的人”以及“如何培養(yǎng)人”的根本核心問題，要“沉浸”到具體學(xué)科，通過確定各學(xué)科核心素養(yǎng)得以落實(shí)[23]。因此，滿足學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的價值追求是當(dāng)下教育領(lǐng)域知識圖譜模式構(gòu)建的總體目標(biāo)。

在學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展目標(biāo)導(dǎo)向下進(jìn)行圖譜應(yīng)用需求分析的主要目的是在歸納用途的基礎(chǔ)上，厘清圖譜的邊界或應(yīng)用范圍。通過分析表1，可將教育領(lǐng)域知識圖譜的用途大致歸納為面向知識表征（類別一）、面向資源組織（類別二）和面向自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)應(yīng)用（類別三）三類。類別一側(cè)重對知識內(nèi)容的組織表達(dá)，具備知識內(nèi)容的語義信息即可滿足需求，但由于缺乏學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)活動等的語義信息，難以滿足類別二或類別三的應(yīng)用需求。類別三側(cè)重在知識內(nèi)容表征的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)活動的適應(yīng)性推送，其圖譜模式不僅需要知識內(nèi)容的語義信息，還需要附加與之相關(guān)的學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)活動等語義信息才能滿足應(yīng)用需求。由此可見，不同應(yīng)用需求的邊界不同，需要知識圖譜包含的語義信息也不同。遺憾的是，既有研究大多忽略了對圖譜構(gòu)建應(yīng)用需求和邊界的關(guān)注。因此，在模式構(gòu)建之初，需在學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展目標(biāo)導(dǎo)向下，根據(jù)應(yīng)用需求界定模式構(gòu)建的邊界范圍，破解缺少目標(biāo)定位和應(yīng)用需求分析、邊界不清晰的問題。

（二）學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展導(dǎo)向的教育領(lǐng)域知識圖譜模式構(gòu)建目標(biāo)分解

學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展涉及教育者、受教育者和教學(xué)內(nèi)容等多方面要素，因此構(gòu)建以學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展為導(dǎo)向的教育領(lǐng)域知識圖譜不能胡子眉毛一把抓，需要將總體目標(biāo)和應(yīng)用需求有效分解成各個組成部分，形成系列目標(biāo)體系[24]。

信息系統(tǒng)分析設(shè)計中常采用層次體系結(jié)構(gòu)的方法對復(fù)雜問題進(jìn)行分解，將一個復(fù)雜問題分解成一個增量步驟序列。一般而言，教育者、受教育者、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段是教育構(gòu)成的四要素，教育內(nèi)容指用于教育教學(xué)的知識體系和資源，教育手段指組織教育教學(xué)的活動。教育領(lǐng)域知識圖譜的范疇包括對教育領(lǐng)域知識、資源、學(xué)習(xí)活動等的組織表征，不直接涉及教育教學(xué)的主客體（教師和學(xué)生）。因此，綜合目標(biāo)分解和層次體系結(jié)構(gòu)原則，根據(jù)教育領(lǐng)域知識圖譜范疇在教育基本構(gòu)成要素上的反映，把發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)整體目標(biāo)分解為學(xué)科知識子領(lǐng)域、學(xué)習(xí)資源子領(lǐng)域和學(xué)習(xí)活動子領(lǐng)域（如圖2所示），在每個子領(lǐng)域再根據(jù)教育相關(guān)原理和規(guī)律為模式增加應(yīng)用所必需的語義信息。

具體而言，學(xué)科知識子領(lǐng)域側(cè)重對學(xué)科知識內(nèi)容語義描述;學(xué)習(xí)資源子領(lǐng)域在第一層基礎(chǔ)上附加對學(xué)習(xí)資源媒體、難度、類型等屬性的語義描述;學(xué)習(xí)活動子領(lǐng)域在前兩層基礎(chǔ)上附加對學(xué)習(xí)活動時間順序、組織策略等屬性的語義描述。三者之間存在層級遞進(jìn)的邏輯調(diào)用關(guān)系。此方法在達(dá)成符合教育教學(xué)基本原理并適應(yīng)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展需求的同時，解決了既有研究融合教育領(lǐng)域相關(guān)原理和規(guī)律切入點(diǎn)不明晰、缺少抓手的問題。

（三）學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展導(dǎo)向的教育領(lǐng)域知識圖譜子領(lǐng)域圖譜模式構(gòu)建

學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展導(dǎo)向下的子領(lǐng)域圖譜模式構(gòu)建是要將學(xué)科核心素養(yǎng)的內(nèi)涵與發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)的教育教學(xué)需求投影到具體子領(lǐng)域，在各子領(lǐng)域邊界內(nèi)，融合知識組織與教育教學(xué)原理規(guī)律定義適應(yīng)于學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的實(shí)體類型、實(shí)體屬性和實(shí)體關(guān)系。

1. 學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展導(dǎo)向下的子領(lǐng)域圖譜實(shí)體類型定義

實(shí)體類型是具有相同特點(diǎn)或?qū)傩缘膶?shí)體集合的抽象[25]。為此，在界定學(xué)科核心素養(yǎng)內(nèi)涵結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)路徑的基礎(chǔ)上，明確各子領(lǐng)域支撐學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的核心內(nèi)容和關(guān)鍵過程，再從中識別抽取符合實(shí)體組成部分的名詞性關(guān)鍵詞，明確實(shí)體類型。下面以學(xué)科知識子領(lǐng)域?yàn)槔f明實(shí)體類型定義過程。

學(xué)科知識體系通常隱藏著“價值旨趣+問題+方法（論）+研究結(jié)論”的順序結(jié)構(gòu)，暗示著支撐學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的學(xué)科知識體系主要由學(xué)科基礎(chǔ)知識與基本技能和學(xué)科特有的價值觀方法論構(gòu)成[26]。由此確定學(xué)科知識子領(lǐng)域的實(shí)體類型主要包括基礎(chǔ)知識與基本技能以及表征學(xué)科特有價值觀和方法論的知識。

根據(jù)知識組織的學(xué)科性原則[27]和粒度原理[28]，知識體系要基于學(xué)科規(guī)律按照粒度的不同分級處理，并細(xì)化到知識表征的最小粒度—知識元[29]。新一輪基礎(chǔ)教育課程改革重視以學(xué)科大概念為核心，促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)落實(shí)發(fā)展[30]。因此，針對學(xué)科基礎(chǔ)知識與基本技能確定了學(xué)科知識體系的最大粒度（學(xué)科大概念）和最小粒度（知識元）。鑒于這兩種粒度差距過大，為保證知識組織與教學(xué)的平滑過渡，還需在二者之間進(jìn)一步細(xì)化知識層級。我國課程標(biāo)準(zhǔn)采用層級化的知識組織方式，如普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)按照知識模塊、組成模塊的知識單元組織學(xué)科知識。由此，我們提出以學(xué)科大概念為抓手，引入知識元，將基礎(chǔ)知識和基本技能知識劃分為“學(xué)科大概念—知識模塊—知識單元—知識元”不同粒度的知識等級，在此基礎(chǔ)上定義學(xué)科大概念、知識模塊、知識單元和知識元4種實(shí)體類型。

學(xué)科特有價值觀和方法論知識（學(xué)科核心素養(yǎng)）同樣存在內(nèi)在體系，也要根據(jù)各學(xué)科核心素養(yǎng)內(nèi)涵結(jié)構(gòu)明確亞類，將學(xué)科核心素養(yǎng)亞類落實(shí)到具體學(xué)科內(nèi)容并進(jìn)行多層次細(xì)化，再定義相應(yīng)實(shí)體類型。圖3-a和圖3-b給出了學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展導(dǎo)向下學(xué)科知識子領(lǐng)域圖譜模式的實(shí)體類型概念圖和基于Protégé建立的實(shí)體類型本體圖。

2. 學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展導(dǎo)向下的子領(lǐng)域圖譜實(shí)體屬性定義

屬性是實(shí)體的伴隨物，需要依附實(shí)體而存在，不能獨(dú)立存在且不可再分，因?qū)嶓w而得以顯現(xiàn)[31]。實(shí)體屬性的定義是對實(shí)體語義信息的補(bǔ)充完善，其覆蓋度和精準(zhǔn)度一定程度上影響圖譜模式表達(dá)信息的準(zhǔn)確性。但既有研究存在實(shí)體和屬性區(qū)分不清、屬性定義不明等問題。為此，我們首先依據(jù)屬性不可再分的本質(zhì)特性對實(shí)體與屬性進(jìn)行區(qū)分，然后為了能夠融合知識組織理論和教育教學(xué)原理與規(guī)律來有效支撐實(shí)體屬性定義，進(jìn)一步把實(shí)體屬性分為通用基礎(chǔ)屬性和領(lǐng)域特有屬性兩類。即首先從知識組織的常識性、專業(yè)性等原則出發(fā)，確定實(shí)體的基礎(chǔ)屬性，然后根據(jù)教育教學(xué)原理規(guī)律確定實(shí)體的領(lǐng)域?qū)傩?。下面以學(xué)科知識子領(lǐng)域?yàn)槔f明實(shí)體屬性的定義。

首先對已確定的實(shí)體類型進(jìn)行屬性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)它們歸屬于實(shí)體類型還是實(shí)體屬性，然后對確定的實(shí)體類型進(jìn)行屬性定義。以知識元實(shí)體類型為例，依據(jù)知識組織的有序性、常識性、完整性、實(shí)用性等原則[32]，確定知識元的序號、名稱、描述、特征4個基礎(chǔ)屬性。然后根據(jù)認(rèn)知科學(xué)與認(rèn)知心理學(xué)中知識表示的基本原理[33]，確定知識元的類型屬性;根據(jù)學(xué)科知識體系層級結(jié)構(gòu)，明確知識元在學(xué)科知識體系中的具體位置，定義知識元的層級屬性;根據(jù)學(xué)科核心素養(yǎng)亞類在具體知識元的內(nèi)容表示，確定知識元所承載的學(xué)科核心素養(yǎng)信息。綜上，定義知識元實(shí)體類型的序號、名稱、描述、特征、類型、所處層級、所承載的學(xué)科核心素養(yǎng)信息7個屬性。圖4-a和圖4-b給出了學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展導(dǎo)向下學(xué)科知識子領(lǐng)域圖譜模式中知識元的實(shí)體屬性概念圖和基于Protégé建立的實(shí)體屬性本體圖。

3. 學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展導(dǎo)向下的子領(lǐng)域圖譜實(shí)體關(guān)系定義

關(guān)系是指人與人、人與事物及事物與事物之間相互作用、相互影響的狀態(tài)，實(shí)體關(guān)系體現(xiàn)了不同實(shí)體之間的內(nèi)在聯(lián)系，是知識圖譜構(gòu)建的重要環(huán)節(jié)。已有教育領(lǐng)域知識圖譜的實(shí)體關(guān)系多由領(lǐng)域?qū)＜以诒倔w基礎(chǔ)關(guān)系上確定，缺少對教育教學(xué)領(lǐng)域特有邏輯關(guān)系的考慮，存在難以滿足教育教學(xué)實(shí)際應(yīng)用需求的問題。

學(xué)習(xí)本質(zhì)上是一種蘊(yùn)涵順承、因果、調(diào)用等關(guān)系的活動，能夠有效揭示學(xué)習(xí)活動演化規(guī)律與邏輯。教學(xué)邏輯是教師基于對學(xué)科教學(xué)與學(xué)生發(fā)展關(guān)系認(rèn)知基礎(chǔ)上形成的關(guān)于教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)活動序列安排的構(gòu)想，合理的教學(xué)邏輯要契合學(xué)科知識的結(jié)構(gòu)邏輯和學(xué)科知識認(rèn)知邏輯[34-35]。因此，為了在學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展導(dǎo)向下確定既契合學(xué)科知識結(jié)構(gòu)邏輯和學(xué)科認(rèn)知邏輯規(guī)律，又彰顯學(xué)習(xí)活動演化規(guī)律與邏輯的實(shí)體關(guān)系，我們從知識的基本關(guān)系和領(lǐng)域特有關(guān)系兩個角度定義實(shí)體關(guān)系。

以學(xué)科知識子領(lǐng)域?yàn)槔?，首先依?jù)學(xué)科知識結(jié)構(gòu)邏輯和認(rèn)知邏輯，初步明確知識之間的父子、包含、兄弟、平行4種基本關(guān)系，然后依據(jù)教學(xué)邏輯和學(xué)習(xí)活動演化的規(guī)律，補(bǔ)充前驅(qū)后繼、因果和調(diào)用返回關(guān)系，最終確定7種實(shí)體關(guān)系，見表2。

（四）學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展導(dǎo)向的教育領(lǐng)域知識圖譜子領(lǐng)域圖譜模式融合

融合指不同個體或群體在一定的碰撞或接觸之后融為一體，子領(lǐng)域圖譜模式融合就是針對上述每一子領(lǐng)域圖譜模式定義的實(shí)體類型、實(shí)體屬性和實(shí)體關(guān)系進(jìn)行融合，形成一個完整統(tǒng)一的知識圖譜模式。

在圖譜模式構(gòu)建過程中，獲取的實(shí)體類型、關(guān)系和實(shí)體屬性通常會產(chǎn)生大量的冗余信息。比如，根據(jù)基礎(chǔ)教育教學(xué)資源元數(shù)據(jù)規(guī)范[36]，學(xué)習(xí)資源子領(lǐng)域中課程內(nèi)容屬性指該資源與國家課程標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容框架的對應(yīng)關(guān)系，其與學(xué)科知識子領(lǐng)域中知識元的來源屬性指向同一個屬性，則需要在圖譜模式融合階段進(jìn)行聚類歸并處理，以降低圖譜模式的冗余度。此外，實(shí)體關(guān)系的確定既要考慮同一層級實(shí)體類型之間的語義關(guān)系，也要考慮不同層級實(shí)體類型之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。比如，學(xué)科知識子領(lǐng)域、學(xué)習(xí)資源子領(lǐng)域和學(xué)習(xí)活動子領(lǐng)域三者之間存在層級遞進(jìn)的邏輯關(guān)系，故要在不同子領(lǐng)域之間考慮添加調(diào)用返回關(guān)系。

因此，子領(lǐng)域圖譜模式融合主要包括兩方面工作：一是結(jié)合教育領(lǐng)域知識，通過對各子領(lǐng)域圖譜模式的消歧和共指消解進(jìn)行融合;二是基于教育領(lǐng)域知識對各子領(lǐng)域知識圖譜模式中的實(shí)體關(guān)系進(jìn)行補(bǔ)全處理。

（五）學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展導(dǎo)向的教育領(lǐng)域知識圖譜模式校驗(yàn)

為保證圖譜模式滿足實(shí)際教育教學(xué)的應(yīng)用需求，需要對其進(jìn)行評估與校驗(yàn)，但此前尚無系統(tǒng)的模式評價標(biāo)準(zhǔn)和評價方法。既有教育領(lǐng)域知識圖譜模式多通過專家校驗(yàn)方法確定，主觀性強(qiáng)，且針對性不足[37]。為此，我們在所提出教育領(lǐng)域知識圖譜模式構(gòu)建方法和實(shí)踐基礎(chǔ)上，提出圖譜模式校驗(yàn)的三個基本原則：一是對學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展目標(biāo)的一致性進(jìn)行校驗(yàn)，保證學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展目標(biāo)貫穿圖譜模式構(gòu)建始終;二是對邊界范圍是否符合應(yīng)用需求進(jìn)行校驗(yàn)，保證圖譜模式的實(shí)用性;三是對圖譜模式是否符合教育教學(xué)規(guī)律進(jìn)行校驗(yàn)，保證圖譜模式的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

四、學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展導(dǎo)向下的教育領(lǐng)域

知識圖譜模式構(gòu)建案例

我們基于本文方法構(gòu)建了面向高中物理學(xué)科知識體系的圖譜模式，選取“電磁場與電磁波初步”模塊給出了高中物理學(xué)科知識圖譜的構(gòu)建結(jié)果示例并進(jìn)行了教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

（一）高中物理學(xué)科知識圖譜模式構(gòu)建

依據(jù)上文提出的圖譜模式構(gòu)建方法，確定了面向高中物理學(xué)科知識體系圖譜模式的實(shí)體類型（如圖3-a、圖3-b所示）、實(shí)體屬性（見表3）和實(shí)體關(guān)系（見表2），并基于Protégé構(gòu)建了高中物理學(xué)科知識體系的圖譜模式，如圖5所示。

（二）高中物理學(xué)科知識圖譜構(gòu)建示例

依據(jù)定義的實(shí)體類型，確定了“電磁場與電磁波初步”模塊上屬的學(xué)科大概念和下含的5個知識單元和18個知識元。依據(jù)普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂），確定了物理學(xué)科4個學(xué)科核心素養(yǎng)和14個學(xué)科核心素養(yǎng)亞類，并將其映射落實(shí)至知識元。依據(jù)表3對實(shí)體進(jìn)行屬性定義，賦予相應(yīng)屬性信息。

在實(shí)體關(guān)系定義上，以實(shí)體類型所在層級為基礎(chǔ)，綜合考慮層級內(nèi)部與層級之間的關(guān)聯(lián)，確定了大概念與知識模塊的父子關(guān)系，知識模塊與知識單元的包含關(guān)系，知識單元與知識元的父子關(guān)系、包含關(guān)系，知識單元和知識元內(nèi)部的兄弟關(guān)系、平行關(guān)系、前驅(qū)后繼關(guān)系，學(xué)科核心素養(yǎng)及亞類之間的父子關(guān)系以及知識元與學(xué)科核心素養(yǎng)亞類之間的調(diào)用返回關(guān)系。

在上述基礎(chǔ)上，運(yùn)用Neo4j實(shí)現(xiàn)了高中物理學(xué)科知識子領(lǐng)域圖譜的構(gòu)建與可視化。如圖6所示，包括56個實(shí)體，145條關(guān)系。

為檢驗(yàn)所提圖譜模式構(gòu)建方法的有效性，將高中物理學(xué)科知識體系圖譜用于實(shí)驗(yàn)區(qū)展開教學(xué)應(yīng)用實(shí)踐。該圖譜主要用于教師專題備課和學(xué)生課后專題復(fù)習(xí)，教師基于圖譜的知識內(nèi)容和知識間關(guān)系全面把握專題內(nèi)容和結(jié)構(gòu)，并選擇適合的知識內(nèi)容開展專題教學(xué)設(shè)計，學(xué)生按照圖譜組織的知識內(nèi)容和關(guān)系完成專題知識體系的梳理，及時查漏補(bǔ)缺。經(jīng)檢驗(yàn)，該圖譜教學(xué)效果良好，師生反饋效果積極，有效促進(jìn)了學(xué)生知識遷移能力與問題解決能力的發(fā)展。

五、結(jié)? ?語

近年來，知識圖譜作為支撐人工智能從感知智能向認(rèn)知智能進(jìn)階的重要基礎(chǔ)，得到了各大領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。立足教育領(lǐng)域，借助教育領(lǐng)域知識圖譜的拓展應(yīng)用，也為落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展提供了前所未有的發(fā)展空間。本文率先提出了對標(biāo)學(xué)科核心素養(yǎng)構(gòu)建教育領(lǐng)域知識圖譜模式，以及一種以學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展為導(dǎo)向，根據(jù)教學(xué)領(lǐng)域知識規(guī)律進(jìn)行目標(biāo)分解應(yīng)用需求和邊界確立、子領(lǐng)域劃分，融合知識組織與教育教學(xué)原理與規(guī)律來定義實(shí)體類型、實(shí)體屬性和實(shí)體關(guān)系的教育領(lǐng)域知識圖譜模式構(gòu)建方法，在一定程度上豐富和完善了當(dāng)前教育領(lǐng)域知識圖譜相關(guān)研究，希望為相關(guān)研究工作和實(shí)踐開發(fā)提供參考。

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