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學科核心素養發展導向下教育領域知識圖譜模式構建方法研究

2022-05-16 20:40:08董曉曉周東岱黃雪嬌顧恒年李振
電化教育研究 2022年5期
關鍵詞:學科核心素養

董曉曉 周東岱 黃雪嬌 顧恒年 李振

[摘? ?要] 教育領域知識圖譜是教育人工智能需要優先開展的基礎性工作。知識圖譜模式是圖譜構建的核心,但既有研究中欠缺對圖譜模式的關注。文章提出了一種以學科核心素養發展為導向,根據教育領域知識進行目標分解、子領域劃分、應用需求和邊界確立,融合知識組織與教育教學原理規律來定義實體類型、實體屬性和實體關系的教育領域知識圖譜模式構建方法。基于該方法,構建了面向學科知識體系的高中物理學科知識圖譜模式,并以高中物理 “電磁場與電磁波初步”知識模塊給出了學科知識圖譜的示例,該圖譜在實際教學應用中取得了良好的效果。

[關鍵詞] 學科核心素養; 教育領域知識圖譜; 知識圖譜模式

[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] 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,實現了大量無序資源信息的有序化組織與結構化重構,成為新時代知識表示最具潛力的發展方向[1]。《新一代人工智能發展規劃》將知識圖譜構建與學習技術視為新一代人工智能的關鍵共性技術之一,并提出要構建涵蓋數十億實體規模的多源、多學科和多數據類型的跨媒體知識圖譜[2]。任友群認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現個性化授導的基礎,是教育人工智能領域需要優先開展的基礎性工作[3]。

知識圖譜在教育領域的研究由來已久,早期可視化表征教育前沿、熱點以及發展趨勢時提及的知識圖譜為“科學知識圖譜”[4]。現階段,伴隨人工智能在教育領域的快速融合發展,教育領域所提及的知識圖譜主要指Google知識圖譜在教育領域的融合發展,伴隨出現的有教育知識圖譜、學科知識圖譜等概念[5-6]。知識圖譜模式(Knowledge Graph Schema)是對領域內概念、概念屬性及概念間關系的抽象表達與存儲,確定知識圖譜模式是知識圖譜構建的核心[7]。梳理分析教育領域知識圖譜既有研究發現,研究者多從技術角度關注教育領域知識圖譜的構建,欠缺對教育領域知識圖譜模式構建的關注,少數涉及教育領域知識圖譜模式的相關研究,也沒有在方法層面給出相應闡述。通用知識圖譜和其他領域知識圖譜的模式構建雖具備一般性,但缺少教育領域特征地融入與細化,難以對教育領域知識圖譜模式的構建提供有效指導。鑒于此,我們在系統梳理分析的基礎上,深入探究滿足教育教學需求的知識圖譜模式構建方法,以期進一步推動教育領域知識圖譜的應用與發展。

二、教育領域知識圖譜模式構建研究綜述

教育領域知識圖譜模式構建的目標是對教育領域知識圖譜實體、屬性及關系進行明確界定,對其可行的范疇加以明確說明[8]。當前,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系,也就是定義知識圖譜模式的實體類型、實體屬性和實體關系[10-13]。在全面檢索既有教育領域知識圖譜相關研究的基礎上,我們遴選了與圖譜模式高度相關且有代表性的文獻,按照圖譜模式構建方法與結果進行梳理分析,見表1。

分析發現存在以下幾方面問題:(1)既有教育領域知識圖譜模式構建對其目標定位、邊界或應用范圍界定不夠明確也不盡相同,未有效落實學科核心素養發展的教育理念,據此構建的圖譜亦不能有效滿足當前教育教學的實際需求。(2)教育領域知識圖譜與非教育領域知識圖譜相比有其獨特的目標定位和應用需求,其構建需要教育領域知識的融合與指導,但已有構建中都少有相應的體現,存在融合切入點不明晰、缺少抓手問題。(3)既有教育知識圖譜模式中實體類型、實體屬性和實體關系的確定缺乏顯性依據和系統考量,多是簡略提出依據“學科教學規律”“教學大綱”等籠而統之的主觀認定,欠缺科學性和準確性保證,且不同程度的存在實體類型和實體屬性區分不清晰、屬性定義不明了,以及實體關系定義與教育領域特征欠適配等問題。

三、學科核心素養發展導向的教育領域

知識圖譜模式構建方法

目標是要達到的境地或標準。核心素養是我國教育方針的具體化,要解決當前教育領域知識圖譜尚不能滿足教育教學實際需求的問題,首先需要以學科核心素養發展為導向對教育領域知識圖譜進行教育目標價值定位和應用需求分析,明確其構建目標與應用范圍;其次,要根據教育教學基本原理,將教育領域知識圖譜的總體目標定位與應用范圍進行有效分解與逐級精化,突破教育領域知識融合切入點不清晰、缺少抓手問題;此外,還需充分融合知識組織領域及教育教學領域的原理規律,系統定義實體類型、實體屬性和實體關系,以保證模式的科學性和準確性。基于此,我們提出以學科核心素養發展為導向,根據教育領域知識進行目標分解、應用需求和邊界界定、子領域劃分,融合知識組織與教育教學原理規律來定義實體類型、實體屬性和實體關系的教育領域知識圖譜模式構建方法,構建流程如圖1所示。

(一)學科核心素養發展導向的教育領域知識圖譜模式構建目標及應用需求分析

正確理解與明確教育教學目標是教育領域知識圖譜模式構建的第一步。培育學生發展核心素養已成為我國新一輪教育教學改革的基本理念和價值追求,核心素養回應了教育教學中“培養什么樣的人”以及“如何培養人”的根本核心問題,要“沉浸”到具體學科,通過確定各學科核心素養得以落實[23]。因此,滿足學科核心素養發展的價值追求是當下教育領域知識圖譜模式構建的總體目標。

在學科核心素養發展目標導向下進行圖譜應用需求分析的主要目的是在歸納用途的基礎上,厘清圖譜的邊界或應用范圍。通過分析表1,可將教育領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)和面向自適應學習系統應用(類別三)三類。類別一側重對知識內容的組織表達,具備知識內容的語義信息即可滿足需求,但由于缺乏學習資源、學習活動等的語義信息,難以滿足類別二或類別三的應用需求。類別三側重在知識內容表征的基礎上,實現對學習資源、學習活動的適應性推送,其圖譜模式不僅需要知識內容的語義信息,還需要附加與之相關的學習資源、學習活動等語義信息才能滿足應用需求。由此可見,不同應用需求的邊界不同,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建應用需求和邊界的關注。因此,在模式構建之初,需在學科核心素養發展目標導向下,根據應用需求界定模式構建的邊界范圍,破解缺少目標定位和應用需求分析、邊界不清晰的問題。

(二)學科核心素養發展導向的教育領域知識圖譜模式構建目標分解

學科核心素養發展涉及教育者、受教育者和教學內容等多方面要素,因此構建以學科核心素養發展為導向的教育領域知識圖譜不能胡子眉毛一把抓,需要將總體目標和應用需求有效分解成各個組成部分,形成系列目標體系[24]。

信息系統分析設計中常采用層次體系結構的方法對復雜問題進行分解,將一個復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、教學內容和教學手段是教育構成的四要素,教育內容指用于教育教學的知識體系和資源,教育手段指組織教育教學的活動。教育領域知識圖譜的范疇包括對教育領域知識、資源、學習活動等的組織表征,不直接涉及教育教學的主客體(教師和學生)。因此,綜合目標分解和層次體系結構原則,根據教育領域知識圖譜范疇在教育基本構成要素上的反映,把發展學科核心素養整體目標分解為學科知識子領域、學習資源子領域和學習活動子領域(如圖2所示),在每個子領域再根據教育相關原理和規律為模式增加應用所必需的語義信息。

具體而言,學科知識子領域側重對學科知識內容語義描述;學習資源子領域在第一層基礎上附加對學習資源媒體、難度、類型等屬性的語義描述;學習活動子領域在前兩層基礎上附加對學習活動時間順序、組織策略等屬性的語義描述。三者之間存在層級遞進的邏輯調用關系。此方法在達成符合教育教學基本原理并適應學科核心素養發展需求的同時,解決了既有研究融合教育領域相關原理和規律切入點不明晰、缺少抓手的問題。

(三)學科核心素養發展導向的教育領域知識圖譜子領域圖譜模式構建

學科核心素養發展導向下的子領域圖譜模式構建是要將學科核心素養的內涵與發展學科核心素養的教育教學需求投影到具體子領域,在各子領域邊界內,融合知識組織與教育教學原理規律定義適應于學科核心素養發展的實體類型、實體屬性和實體關系。

1. 學科核心素養發展導向下的子領域圖譜實體類型定義

實體類型是具有相同特點或屬性的實體集合的抽象[25]。為此,在界定學科核心素養內涵結構和實現路徑的基礎上,明確各子領域支撐學科核心素養發展的核心內容和關鍵過程,再從中識別抽取符合實體組成部分的名詞性關鍵詞,明確實體類型。下面以學科知識子領域為例說明實體類型定義過程。

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

根據知識組織的學科性原則[27]和粒度原理[28],知識體系要基于學科規律按照粒度的不同分級處理,并細化到知識表征的最小粒度—知識元[29]。新一輪基礎教育課程改革重視以學科大概念為核心,促進學科核心素養落實發展[30]。因此,針對學科基礎知識與基本技能確定了學科知識體系的最大粒度(學科大概念)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的平滑過渡,還需在二者之間進一步細化知識層級。我國課程標準采用層級化的知識組織方式,如普通高中物理課程標準按照知識模塊、組成模塊的知識單元組織學科知識。由此,我們提出以學科大概念為抓手,引入知識元,將基礎知識和基本技能知識劃分為“學科大概念—知識模塊—知識單元—知識元”不同粒度的知識等級,在此基礎上定義學科大概念、知識模塊、知識單元和知識元4種實體類型。

學科特有價值觀和方法論知識(學科核心素養)同樣存在內在體系,也要根據各學科核心素養內涵結構明確亞類,將學科核心素養亞類落實到具體學科內容并進行多層次細化,再定義相應實體類型。圖3-a和圖3-b給出了學科核心素養發展導向下學科知識子領域圖譜模式的實體類型概念圖和基于Protégé建立的實體類型本體圖。

2. 學科核心素養發展導向下的子領域圖譜實體屬性定義

屬性是實體的伴隨物,需要依附實體而存在,不能獨立存在且不可再分,因實體而得以顯現[31]。實體屬性的定義是對實體語義信息的補充完善,其覆蓋度和精準度一定程度上影響圖譜模式表達信息的準確性。但既有研究存在實體和屬性區分不清、屬性定義不明等問題。為此,我們首先依據屬性不可再分的本質特性對實體與屬性進行區分,然后為了能夠融合知識組織理論和教育教學原理與規律來有效支撐實體屬性定義,進一步把實體屬性分為通用基礎屬性和領域特有屬性兩類。即首先從知識組織的常識性、專業性等原則出發,確定實體的基礎屬性,然后根據教育教學原理規律確定實體的領域屬性。下面以學科知識子領域為例說明實體屬性的定義。

首先對已確定的實體類型進行屬性檢驗,檢驗它們歸屬于實體類型還是實體屬性,然后對確定的實體類型進行屬性定義。以知識元實體類型為例,依據知識組織的有序性、常識性、完整性、實用性等原則[32],確定知識元的序號、名稱、描述、特征4個基礎屬性。然后根據認知科學與認知心理學中知識表示的基本原理[33],確定知識元的類型屬性;根據學科知識體系層級結構,明確知識元在學科知識體系中的具體位置,定義知識元的層級屬性;根據學科核心素養亞類在具體知識元的內容表示,確定知識元所承載的學科核心素養信息。綜上,定義知識元實體類型的序號、名稱、描述、特征、類型、所處層級、所承載的學科核心素養信息7個屬性。圖4-a和圖4-b給出了學科核心素養發展導向下學科知識子領域圖譜模式中知識元的實體屬性概念圖和基于Protégé建立的實體屬性本體圖。

3. 學科核心素養發展導向下的子領域圖譜實體關系定義

關系是指人與人、人與事物及事物與事物之間相互作用、相互影響的狀態,實體關系體現了不同實體之間的內在聯系,是知識圖譜構建的重要環節。已有教育領域知識圖譜的實體關系多由領域專家在本體基礎關系上確定,缺少對教育教學領域特有邏輯關系的考慮,存在難以滿足教育教學實際應用需求的問題。

學習本質上是一種蘊涵順承、因果、調用等關系的活動,能夠有效揭示學習活動演化規律與邏輯。教學邏輯是教師基于對學科教學與學生發展關系認知基礎上形成的關于教學內容與教學活動序列安排的構想,合理的教學邏輯要契合學科知識的結構邏輯和學科知識認知邏輯[34-35]。因此,為了在學科核心素養發展導向下確定既契合學科知識結構邏輯和學科認知邏輯規律,又彰顯學習活動演化規律與邏輯的實體關系,我們從知識的基本關系和領域特有關系兩個角度定義實體關系。

以學科知識子領域為例,首先依據學科知識結構邏輯和認知邏輯,初步明確知識之間的父子、包含、兄弟、平行4種基本關系,然后依據教學邏輯和學習活動演化的規律,補充前驅后繼、因果和調用返回關系,最終確定7種實體關系,見表2。

(四)學科核心素養發展導向的教育領域知識圖譜子領域圖譜模式融合

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,子領域圖譜模式融合就是針對上述每一子領域圖譜模式定義的實體類型、實體屬性和實體關系進行融合,形成一個完整統一的知識圖譜模式。

在圖譜模式構建過程中,獲取的實體類型、關系和實體屬性通常會產生大量的冗余信息。比如,根據基礎教育教學資源元數據規范[36],學習資源子領域中課程內容屬性指該資源與國家課程標準內容框架的對應關系,其與學科知識子領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行聚類歸并處理,以降低圖譜模式的冗余度。此外,實體關系的確定既要考慮同一層級實體類型之間的語義關系,也要考慮不同層級實體類型之間的關聯關系。比如,學科知識子領域、學習資源子領域和學習活動子領域三者之間存在層級遞進的邏輯關系,故要在不同子領域之間考慮添加調用返回關系。

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

(五)學科核心素養發展導向的教育領域知識圖譜模式校驗

為保證圖譜模式滿足實際教育教學的應用需求,需要對其進行評估與校驗,但此前尚無系統的模式評價標準和評價方法。既有教育領域知識圖譜模式多通過專家校驗方法確定,主觀性強,且針對性不足[37]。為此,我們在所提出教育領域知識圖譜模式構建方法和實踐基礎上,提出圖譜模式校驗的三個基本原則:一是對學科核心素養發展目標的一致性進行校驗,保證學科核心素養發展目標貫穿圖譜模式構建始終;二是對邊界范圍是否符合應用需求進行校驗,保證圖譜模式的實用性;三是對圖譜模式是否符合教育教學規律進行校驗,保證圖譜模式的科學性和準確性。

四、學科核心素養發展導向下的教育領域

知識圖譜模式構建案例

我們基于本文方法構建了面向高中物理學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科知識圖譜的構建結果示例并進行了教學實驗。

(一)高中物理學科知識圖譜模式構建

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

(二)高中物理學科知識圖譜構建示例

依據定義的實體類型,確定了“電磁場與電磁波初步”模塊上屬的學科大概念和下含的5個知識單元和18個知識元。依據普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂),確定了物理學科4個學科核心素養和14個學科核心素養亞類,并將其映射落實至知識元。依據表3對實體進行屬性定義,賦予相應屬性信息。

在實體關系定義上,以實體類型所在層級為基礎,綜合考慮層級內部與層級之間的關聯,確定了大概念與知識模塊的父子關系,知識模塊與知識單元的包含關系,知識單元與知識元的父子關系、包含關系,知識單元和知識元內部的兄弟關系、平行關系、前驅后繼關系,學科核心素養及亞類之間的父子關系以及知識元與學科核心素養亞類之間的調用返回關系。

在上述基礎上,運用Neo4j實現了高中物理學科知識子領域圖譜的構建與可視化。如圖6所示,包括56個實體,145條關系。

為檢驗所提圖譜模式構建方法的有效性,將高中物理學科知識體系圖譜用于實驗區展開教學應用實踐。該圖譜主要用于教師專題備課和學生課后專題復習,教師基于圖譜的知識內容和知識間關系全面把握專題內容和結構,并選擇適合的知識內容開展專題教學設計,學生按照圖譜組織的知識內容和關系完成專題知識體系的梳理,及時查漏補缺。經檢驗,該圖譜教學效果良好,師生反饋效果積極,有效促進了學生知識遷移能力與問題解決能力的發展。

五、結? ?語

近年來,知識圖譜作為支撐人工智能從感知智能向認知智能進階的重要基礎,得到了各大領域的廣泛關注。立足教育領域,借助教育領域知識圖譜的拓展應用,也為落實學科核心素養發展提供了前所未有的發展空間。本文率先提出了對標學科核心素養構建教育領域知識圖譜模式,以及一種以學科核心素養發展為導向,根據教學領域知識規律進行目標分解應用需求和邊界確立、子領域劃分,融合知識組織與教育教學原理與規律來定義實體類型、實體屬性和實體關系的教育領域知識圖譜模式構建方法,在一定程度上豐富和完善了當前教育領域知識圖譜相關研究,希望為相關研究工作和實踐開發提供參考。

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