面向深度學習的動態知識圖譜建構模型及評測

姜強 藥文靜 趙蔚 李松

[摘? ?要] 深度學習回應時代訴求，指向“核心素養”改革，回答了“培養什么樣的人”的問題，回歸了學習本質。知識圖譜有助于促進學生深入思考，提高問題解決能力、批判性思維和創新能力，實現深度學習。但以往知識建構存在組織靜態、孤立的局限，基于ARCS動機模型和知識建構理論，從協同知識建構、動機策略和學習環境建構面向深度學習的動態知識圖譜模型，具有動態生成、及時反饋、交互共享等特點，突出學生的主體性、能動性，增強學習體驗。以大學生為研究對象，利用文本挖掘、滯后序列分析等方法評測動態知識圖譜建構模型。結果表明，實驗組學生在學習成績、注意力程度等方面均優于控制組，尤其對中低水平動機學習者產生積極影響，顯著提高了學生在完成任務過程中的感知注意力、自信心和滿意度。動態知識圖譜建構發展思路可從重塑任務前計劃、社會認知開放性、意義協商及生成性教學等方面尋找突破口，催生深層次認知能力與高階思維。

[關鍵詞] 深度學習; 動態知識圖譜; 協同知識建構; ARCS模型; 文本挖掘; 滯后序列分析

[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] A

[作者簡介] 姜強（1978—），男，遼寧丹東人。教授，博士，主要從事個性化自適應學習研究。E-mail：jiangqiang@nenu.edu.cn。

一、引? ?言

知識圖譜作為思維可視化的重要表征方式，彰顯知識發展進程與結構關系，是超越“淺層知識傳授”，發展高階思維能力，實現深度學習的有效途徑。目前，國內外學者對于知識圖譜的研究與利用主要集中于兩大方面，其一是實現知識圖譜可視化展示，采用文獻挖掘工具（如CiteSpace）探析熱點主題與特點，如李金臻利用知識圖譜對我國當前智慧教育研究的前沿、熱點與趨勢進行可視化分析[1];杜文彬采用知識圖譜可視化展示了STEM教育研究的發展脈絡[2]。其二是將知識圖譜作為學習支持工具幫助學生學習，新加坡學者陳文莉教授利用知識表征工具 GroupScribbles構建知識圖譜，證實了知識圖譜能夠有效促進雙交互（面對面和在線）環境中的第二語言學習，提高學習成績[3];Dias在學習管理系統和概念圖工具相結合的環境中構建知識圖譜，證實了社會建構主義方法與知識框架融合可以使建設性地反思和組織互動成為可能[4];Lin開發了智能概念圖提取與顯示診斷學習系統，表明自動化構建診斷知識圖譜有助于幫助學生全面理解學習表現[5];陳明選將協作引入概念圖評價活動，結果顯示活動之后學生的知識表征水平有所提升，概念圖工具構建的知識圖譜評價可以精致化知識結構、糾正知識偏差[6];余勝泉研究團隊將知識圖譜應用于翻轉課堂中，以小學語文古詩詞教學為例驗證了知識圖譜可以提高學生自主學習的積極性，促進學生對知識的深入思考和內化[7]。此外，臺灣學者黃國禎教授證實了利用概念圖工具構建的知識圖譜能夠提升自我認知、自我反思和自我評價等元認知能力以及閱讀理解與歸納總結能力[8]。

可見，知識圖譜被廣泛接受并集成到教育實踐中，被認為是提高學生學習成績和促進知識保留的有效策略。然而當今時代的知識習得以知識的創生為目標，已有研究多數實現的是一種基于概念圖的靜態知識建構模式，存在兩個問題：（1）不完整，知識圖譜中很多實體之間潛在的關系沒有被挖掘;（2）擴展性較差，不便于向知識圖譜中添加新實體。關于知識建構不僅有時間點層面的暫時性和靜態性，也存在變化過程的動態性和持續性。本研究通過“人腦智慧”，基于本體理論實現知識協同編輯、共建共享的動態知識圖譜，突出學生參與、體驗、生成和價值領悟，進而實現對學習知識的同化、順應，從知識掌握走向智慧生成，達到深度學習。

二、動態知識圖譜的意蘊

（一）動態知識圖譜的實質

知識圖譜使用節點（通常是圓形和矩形）表示概念或者資源，連接線表示節點之間的關系，通過系統地歸納和組織，知識圖譜將大規模、復雜的概念/資源轉化為可視化地圖，幫助學習者通過節點之間的層次和鏈接更好地理解每個概念的含義[9]。從更廣泛的角度看，任何知識基于圖的表示都可以看作是一個知識圖譜，從計算機科學角度看，構建知識圖譜包含信息抽取、知識表示、知識融合、知識推理四個階段，與大數據、深度學習一起，成為推動人工智能發展的核心驅動力?？梢?，目前知識圖譜仍沒有一個共識的定義。本研究將其限制在最小的特征集上進行界定：（1）主要描述現實世界的實體及其相互關系，進而組織成一個圖;（2）定義實體之間可能的類和關系;（3）允許任何實體相互關聯;（4）涵蓋多種主題范疇。知識圖譜有靜態和動態之分，靜態知識圖譜是面向知識點的圖譜，而動態知識圖譜是面向活動的動態事理圖譜，能夠追蹤學習者的知識掌握狀態，可視化展示群體信息，為協同共建、開放共享提供強有力支持，二者差異見表1。

在想法方面，動態知識圖譜重視與問題相關想法的持續產生與改進，想法被視為可改進的，可以發展成更可靠和有效的知識;靜態知識圖譜通常簡單呈現課本概念，旨在讓學習者在有限時間內盡可能有效地掌握某一領域的大量既定知識。集體方面，動態知識圖譜不僅重視個人成就，也重視群體努力，通過評估和整合學生的不同優勢分組，鼓勵學生共同承擔促進集體知識進步的責任，小組是個體目標達成的有效支撐，個人學習成果被視為集體努力的副產品;靜態知識圖譜不是為支持集體學習設計，它通常是為個人學習，尤其是為考試準備，成員通過勞動分工在組中互相學習，個人成就優先于集體目標。認知方面，動態知識圖譜通常圍繞實際問題解決來開展，高度強調小組成員行使認知責任來承擔知識工作者角色，成員在設定目標、管理知識和制定策略方面具有認知主動性;而使用靜態知識圖譜的學生更像是知識的再生產者，他們復制和驗證課本上的概念和知識，間接處理問題。

（二）深度學習與動態知識圖譜的內在邏輯

從格式塔學派、皮亞杰認知發展理論到班杜拉社會認知理論、萊夫的情境學習理論，可見深度學習追求知識創生和真實問題解決，以高階思維為主要認知過程來深層內化知識，體現了個體認知的自我建構和協同建構[10]。透析動態知識圖譜的實質，發現它的作用指向了深度學習的價值取向。具體而言：第一，動態知識圖譜是實現深度學習的重要路徑之一。知識社會是一個學習型社會，學會與他人共享知識是一個人、一個企業、一個國家成功的關鍵因素，是深度學習的基礎。當今世界已由知識轉移變為知識創造，動態生成是促進觀點不斷改進、可持續發展的關鍵，是深度學習的保障。在此背景下動態知識圖譜應運而生，動態建構環境有著強大的互動成分，允許學生建立學習生態系統，以正式和非正式的方式交換知識。在建構動態知識圖譜過程中，學生能夠借助已有經驗對知識進行建構，形成語義知識網絡體系，并對知識進行質疑、反思和批評。第二，深度學習是動態知識圖譜建構的重要旨歸。深度學習強調學習是由內在動機誘發，在于提升學生的學習力，形成積極情感，并獲得辨別、價值認知和判斷能力。教育的本質是促進人的發展，學生不僅是學習生態系統的重要組成部分，也是最終指向對象，環境建構必須回歸教育本質。知識圖譜的動態建構能有效整合學生對具體經驗的感知和經驗理解轉化后的抽象概念，符合深度知識進階發展的一般規律，更好地擴展了知識的深度，培養了學生的高階思維能力，與深度學習內涵有效契合。

三、面向深度學習的動態知識圖譜建構模型

動態的知識建構有助于建立新、舊知識（之間）的關聯關系，易于學生理解學科知識，創造性地解決實際問題。動機是人類行為中的一個重要概念，在學生深度學習中起著關鍵作用。ARCS動機模型植根于期望價值理論，認為為了激勵學生，教師或教學材料需要做到：（1）吸引并維持學生的注意力;（2）說明學生為什么要學習內容;（3）讓學生相信只要努力就能成功;（4）幫助學生形成一種自豪感[11]。它利用了一個系統的過程，即定義、設計、開發和評估，在動態知識圖譜建構過程中應用該模型能夠有效激發學生學習動機，調節注意力分配。知識建構理論將知識掌握和技能培養目標轉換為發展社區知識，認為培養學生創造力的直接途徑不是任務或活動的設計與完成，而是讓學生積極參與到創造知識的過程中，成為知識創造者[12]。它是基于原則的教學法，其關于觀點的原則（真實的觀點和現實的問題、多樣化的觀點、持續改進的觀點、觀點的概括和升華）、關于社區的原則（學生是積極的認知者、社區知識與協同認知責任、“民主化”的知識、對等的知識發展、無處不在的知識建構）以及關于手段的原則（知識建構對話、權威資料的建構性使用、嵌入活動的形成性評價）為深度學習設計提供機制指引?；诖耍疚奶岢雒嫦蛏疃葘W習的動態知識圖譜建構模型，主要由協同知識建構、動機策略和學習環境構成，如圖1所示。

（一）協同知識建構

協同知識建構是隱性知識與顯性知識之間不斷轉換的動態過程，是個體、群體和組織不同層次之間的迭代。面向深度學習的協同知識建構過程主要包括目標設定、個體建構、集體建構、互動評價、總結反思、知識產品等階段[13]。

1. 目標設定

深度學習強調整體性教學，需要在對學習內容整體分析的基礎上設定學習目標，組織可以引起學生深入思考和持續探究的學習活動來層層推進學習目標的實現。不同的目標層次導向不同的思考深度，學生在多維目標支持下與嵌入在目標中的內容交互，聯結舊經驗。設定良好的目標可以激發學生的好奇心，引發學生深度認知和高階思考。

2. 個體建構

個體建構會增加質疑，學生在個人理解過程中會意識到知識的差距、誤解和沖突。他們能夠通過個人思維重新解釋意義結構來解決沖突或填補空白，從而達到新的理解，在與他人討論之前澄清自己的認知結構，然而卻不能總是從內部解決個人理解的問題，因此，需要進入一個明確的社會過程，并共同創造新的意義。

3. 集體建構

集體建構階段，知識在學習者之間共享與傳遞，學習者不是被動接受者，而是在知識獲取過程中主動參與討論、尋找信息，他們致力于實現共同的學習目標。知識是在同伴之間共同創造和分享的，而不是由某一特定學習者從課程材料或教師那里獲得的。

4. 互動評價

同伴互評和交互協作可以降低孤獨感與焦慮感，增強學習動機?；釉u價活動包括組內與組間評價，主要從作品質量、貢獻大小、協作、溝通能力等方面全面評價學生。互動評價不僅可以提高學習者的思維能力，還可以讓教師更好地了解學生的概念發展，作出更公平的判斷，基于互聯網的匿名性有助于創建和維護一個安全的環境，促成學生更真實的評價。

5. 總結反思

反思是發現差距、更新知識和技能來理解經驗的過程，是持續深度學習的關鍵策略之一。這一階段，學生對自己整個思維過程展開回溯和再思考，接受同伴或教師提出的建議，對知識產品作進一步修改調整，總結問題解決思路，反思知識共建參與過程。

6. 知識產品

協同知識建構需要一個協同的共享工作空間，幫助學生整合、應用以及遷移多維知識。個人努力以圖形或文本的形式在空間中共享，從而促進更嚴謹的構建和溝通，知識產品是學生在這個空間上協同思考的可見結果。

（二）動機策略

1. 注意策略

個體在學習過程中的注意力是可以發生轉移的，會根據任務要求的不同而采用深度學習或淺層學習，注意策略的使用可以使學習導向深度。注意策略包括：（1）好奇心激發：選擇生活中的實際問題引起學生興趣;（2）探究激發：利用圖譜的支架特性鏈接不同媒體形式的學習資源，并適當提出一些問題來激發他們探究的欲望和提高解決問題的技能;（3）可變性：靈活變換教學組織形式、信息呈現方式、知識獲取方式等。

2. 關聯策略

與學習者的過去經驗、先前知識、當前興趣、未來期望或職業目標相關的活動也有助于支持教師激發學生對教學的積極態度。關聯策略包括：（1）熟悉：給學生提供熟知的案例，將教學與學生的經驗聯系起來;（2）目標導向：要求學生鏈接優秀作品網站，對比自己的設計思路，找到目標所向;（3）動機監測：為學生提供合適的增強學習動機的選擇、任務和影響。

3. 信心策略

害怕失敗，自信心不高，容易導致學生被動、機械地接受淺層知識，相反，信心越高，學習就越有深度。信心策略包括：（1）成功機會：必要時提供有用信息，增加成功機會，協助學生建立對成功的積極期望;（2）學習條件：要明確學習要求并形成一套獎勵制度，可以通過圖譜張貼表示“贊”的小圖標來表達對同伴的肯定，也可以是教師或同伴的口頭肯定;（3）自我控制：讓學生自主決策，引導學生正確歸因，讓他們清楚地知道成功是基于自身的努力和能力。

4. 滿意策略

深度學習以內在學習需求為動力，當學習過程是有趣的、激發興趣的或有回報的，學生不僅會感到有動力，而且會對他們投入到學習上的時間和成就感到滿意。滿意包括：（1）內部強化：為學生提供有意義的機會來應用他們新獲得的知識和技能，強化成功;（2）外部獎勵：要對優秀作品進行獎勵，引導學生產生正確的內在學習動機;（3）公平：評價標準要保持一致，公平公正。

（三）學習環境

深度學習涉及的概念通常維度多，耦合關系復雜。知識整合碎片化，孤立線性記憶容易導致淺層學習，無法舉一反三、觸類旁通。要想有效開展深度學習，還需要有智慧學習環境與先進學習工具的支持[14]。WiseMapping作為深度學習動態知識圖譜協同創建工具，具有協同創建、同步更新、信息共享等功能，支持小組集思廣益、深度認知，通過創建一個共享的概念框架來解決復雜問題，其操作界面如圖2所示（詳細情況見研究團隊系列論文《變革與新生：基于眾包的自組織協同知識建構研究》[15]）。在WiseMapping幫助下，小組成員對思維的圖形表示可以動態跟蹤，允許教師監控學生的概念發展，檢查他們的知識脈絡，發現學生的知識盲點。

當由教師或組長創建初始知識圖譜后，通過“與我共享”功能分享給其他同伴，可以選擇“可編輯”和“只瀏覽”兩種形式。其中，選擇“可編輯”形式的圖譜被分享的成員都擁有對圖譜添加節點、修改、共享的權限。成員通過“添加注釋”對節點內容進行解釋，注釋由類似文件夾的小圖標代替，展開形式為成員對內容的詳細討論過程，實現對問題解決的深層次處理。“添加鏈接”可以鏈接學習資源，由網址小圖標代替，方便學生共享資源?！疤砑雨P系”對節點內容之間關系進行表示，結構化呈現復雜關系;共有144種表情圖標供學生使用，是成員之間互相激勵的有效替代。

四、動態知識圖譜建構模型評測

（一）研究設計

1. 研究目的及問題

研究目的是對面向深度學習的動態知識圖譜建構模型進行評測，研究問題有：

（1）動態知識圖譜建構模型是否提高了學習績效？從作品打分成績和同伴互評兩方面進行評價。

（2）動態知識圖譜建構模型是否提高了學習動機？一方面將學生劃分為低動機、中動機和高動機三個層級進行評測;另一方面從ARCS動機四維度進行分析。

（3）動態知識圖譜建構模型對學生的注意力行為產生怎樣的變化？利用滯后序列分析法進行探究。

2. 研究對象

以“網頁設計與開發”課程為切入點，選取某大學教育技術學的52名學生作為研究對象，實驗組和控制組各26人。實驗前，使用學習動機問卷和網頁設計基礎知識對學生的學習動機和成績進行測試，網頁設計基礎知識由20個選擇題構成，共計100分，使用教學材料動機調查問卷IMMS[16]評估學習方法對學生學習動機的影響，包括四個量表36個問題（四個量表的Cronbachs alpha值分別為0.855、0.847、0.82、0.823），采用李克特五分制進行評分。前測結果顯示，組間學生成績和動機均無顯著差異。

（二）研究過程

研究主要包括前、后測、知識講授與小組活動四個階段。實驗持續10周，每周有120分鐘的課程，每節課包括知識講授和兩到三個小組活動。其中，知識講授階段兩組學生均接受了60分鐘的課堂知識講授，小組活動階段實驗組學生在動態知識圖譜建構環境中完成網頁作品設計。最后，分別對小組和個人作品進行打分，并對學生的學習動機進行測量。

（三）研究結果

1. 學習績效分析

（1）作品成績分析

兩名研究員先對五個學生作品進行打分，討論差異后達到了95%的一致性。結果顯示，實驗組學生作品成績平均值為83.62，控制組為78.13，獨立樣本T檢驗結果顯示，實驗組學生成績顯著高于控制組（p=0.02<0.05）。表明動態知識圖譜有助于深層內化客觀知識，結構化表征任務前計劃，促進作品的高質量完成。

圖3為實驗組學生在動態知識圖譜環境下協同建構的知識圖譜，橢圓標記為學生共同創建的節點，矩形方框是由注釋圖標展開的具體討論內容，“對勾”“點贊”等圖標是學生相互激勵、肯定的代替?？梢钥吹?，學生在動態知識圖譜支持下協同建構節點較多，討論內容較為深入，積極參與到討論進程中。

（2）同伴互評關鍵詞分析

隨機選取了對實驗組學生個人作品的同伴互評內容，并對其進行文本挖掘，編碼得到關鍵詞，在Gephi中輸入邊和節點，形成可視化圖形，如圖4所示。從圖4中可以看到，大家對他們的評價普遍較高，運用了“代碼規范”“合理使用正則表達式”“多媒體元素豐富”“合理使用CSS樣式”等正面詞匯，當然也指出了個別有待改進的地方，但總體評價積極。

2. 學習動機分析

根據學生前測學習動機的高低，將兩組都分為低動機（均值<2.5）、中動機（2.5≤均值≤3.5）和高動機（均值>3.5），前后測學習動機分數顯示，實驗組低和中動機學生后測分數有顯著提高（p=0.0.03<0.05），高動機學生前后測無顯著差異（p=0.19>0.05），控制組中低、中和高動機學生的前后測分數均無顯著差異。說明具有較強互動性、便捷性、協同性的動態知識圖譜，能夠促使低動機學生主動參與互動討論、概念連接、協同共建等活動，激活學習者內在學習動機。由于學習動機較高的學生在學習過程中通?？梢岳米约旱膶W習策略來激發和構建自己的設計理念，所以該實驗對他們的動機影響較小。

同時，對ARCS動機四維度進行分析，在注意維度上，實驗組學生的注意力水平（3.85）高于控制組（3.27），說明動態知識圖譜抓住了學生的興趣，引起了好奇心，幫助學生專注于內容的探索;關聯維度上，兩組無顯著差異，原因可能是學生認為無論選擇哪種學習體驗都和學習目標以及學習過程有關;信心維度上，實驗組學生的自信心水平（3.66）高于控制組（3.12），表明動態知識圖譜有助于簡化和澄清教學材料，增強學習信心，學生對學習過程有更大的控制權，認為他們可以在學習活動中取得成功;滿意維度上，實驗組學生的平均值（3.51）略高于控制組（3.46），可能和平臺功能不完善帶來的不良體驗有關。

3. 注意行為分析

根據學習任務和實驗內容，將學生注意行為分為 “與課程相關的注意行為”“與活動相關的注意行為”和“分心行為”三類，行為編碼方法見表2。

利用GSEQ軟件對學生的注意力行為進行編碼，得到殘差表。如果兩個行為之間的Z值大于1.96，則可以認為行為之間的序列關系具有統計學意義。根據調整后殘差表繪制兩組學習者注意力行為轉換圖，如圖5所示。

控制組C？圮D在兩個方向上都有明顯的順序關系，而D→E存在單向的微弱關系，說明控制組學生沒有充分繪制知識圖譜，小組討論后在電腦上搜索資料的時間較長。此外，控制組與電腦交互、與知識圖譜交互的行為和其他分心行為（C→I、E→I）有顯著關系，比如環顧教室四周（不看課本和教學材料），茫然地盯著周圍等。

實驗組C？圮D和D？圮E的行為序列具有統計學意義，說明學生通過討論、查閱資料不斷對知識圖譜進行修改完善，動態知識圖譜的開放共享特性允許學生進行深入交流、觀點提升和生成集體智慧。與電腦交互（C）和與知識圖譜交互（E）都發現與關注教師對問題的解釋有顯著意義（C→F和E→F），表明知識圖譜的協同建構易激發出新的問題，促使學生對問題進行檢索并認真聽取教師講解。關注教師對問題的解釋（F）還發現有效地增強了與電腦和知識圖譜的交互（F→C和F→E），實驗組在使用知識圖譜期間的注意行為和使用之后的注意行為似乎能夠互相促進，從而形成一個虛擬循環。

總之，面向深度學習的動態知識圖譜建構模型將動機調節策略與深度知識建構路徑有效融合于動態生成性學習環境，通過注釋和圖標將思想深度嵌入需求越來越大的討論內容中，可以擴大主題探究范疇和擴展問題建構深度，提高學生作品質量。模型中動機的激發與維持策略作為深度知識建構的催化劑，對學生的內在動機激發和注意力保持有顯著積極作用。

五、啟? ?示

從教學論角度而言，構建面向深度學習的動態知識圖譜模型需要注重任務計劃前的頂層設計、社會認知開放性、意義協商及生成性教學的創設和運用。教師需讓學生在任務開始前有一個清晰的框架，將所學知識與先前經驗意義聯結，在開放共享的環境中不斷與他人協商討論，建構應用知識，實現整體性教學。

（一）重塑任務前計劃

任務前計劃階段是學生從長期記憶和任務環境中獲取相關信息，設定目標，并開始設計制作作品的準備階段。許多學者探究了任務前計劃的潛力，如李志雪認為寫作前的計劃階段與寫作成績高度相關，更多的時間都應該花在寫作前階段[17]。動態知識圖譜建構模型體現出學生將思想可視化并組織成結構化的關鍵內容，使學生在任務執行過程中處理信息的認知支出最小化，以邏輯和層次的方式產生和分類思想，激發學生自上而下或自下而上的思維，是整體理解、深度加工的前提。

（二）社會認知開放性

開放性體現在社區成員在其話語中所表現出來的認知和關系活動。要想促進主題的深度探究，成員必須保持認知開放性，需在開發知識產品時以認知投入的方式積極參與。意味著智力上的努力，如開發、比較和判斷主張，需要采取批判和靈活的認識論立場，以評估知識主張和發展其他觀點。此外，開放還具有社會維度，實踐向他人敞開心扉可以培養一種自由的氛圍，從而貢獻出不成熟的知識主張。與他人建立關系的技能是與其他社區成員真正互動的先決條件，反過來又支持了與其他成員一起思考的能力。動態知識圖譜建構模型較好地適應了組織內容與學習者的心理結構或圖示，能夠可視化學生感知、理解知識的內部語義網絡，促進認知開放性，超越簡單知識識記，實現高水平認知活動。

（三）意義協商

個體建構過程允許學生自己搜索重要的概念、關系和結構，以便組織自己的理解。作品設計任務沒有預先確定或固定的答案，動態知識圖譜建構模型通過刺激社會認知沖突來引出知識協同構建過程，使學生能夠發現概念使用之間的近似和語義關系，增加同伴之間討論的機會，促進批判理解與知識遷移。通過動態知識圖譜表示概念和關系，可以減少話語的歧義，更容易檢測到不同的觀點，有助于主動探究與意義協商，減少認知沖突，進而培養批判性思維，改善學習效果。

（四）生成性教學

動態知識圖譜允許教師監控學生的知識進展，提供即時的學習指導或提示來幫助學生反思和修改他們的知識結構。教師通過動態知識圖譜能夠感知到學生如何產生、重組和聯系概念信息，理解具有不同個性、文化和背景的學生的學習模式，客觀地評價學習成績和提供建設性的建議。動態知識圖譜建構模型能夠體現出每個團隊成員的學習表現和協作行為，使得教師容易觀察到團隊中每個個體的知識積累和組織過程，方便教師及時引導，對知識遷移應用，從而解決更為復雜的問題，發展學生的問題解決能力和創新意識。