基于學科知識圖譜的高校教學模式研究

李春艷，王傲君（湖北經濟學院法商學院，湖北 武漢 430205）

一、引言

在國家大力推進信息化與教育化“兩化”融合、建設創新型國家和人才強國等一系列戰略背景下，教育部印發了《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》及《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》文件，要求將信息技術充分與高等教育教學融合，對教育教學模式進行改革，培養學生自主學習能力、應用能力和創新能力。

學科知識圖譜在課程教學中的應用，較好地采用先進的信息技術手段解決教學資源共享、個性化學習服務、教育規模化與專業化、教育個性化的諸多問題，全面系統地為教育者提供多維度的知識，充實教育者的學習空間，有助于學習者在頭腦中進行系統知識架構和關聯，激發學習者的自主應用和創新能力，進而促進學習者主動進行相關知識的探索、學習、實踐和創新，為面向系統的、過程的、多維度的、動態的教育評價提供可能。所以充分挖掘學科知識圖譜在當前教育理念與教育學習方式變革中的潛在作用，以課程項目建設和教學實踐為切入點，深化拓展其與終生學習、自主學習和創新能力人才培養演進相結合的研究空間。

二、學科知識圖譜的教學內涵

2018年，教育部發布了《高等學校人工智能創新行動計劃》(教技［2018］3號)，提出:“推進智能教育發展，推動學校教育教學變革，在數字校園的基礎上向智能校園演進，構建技術賦能的教學環境”。基于學科知識圖譜的課程教育教學模式有別于零散性的教學模式，傳統教學模式以單獨分割的離散知識結構組成的知識點為資源進行教學，例如課程的每個知識點的設置、多個教材章節的展示等包含文字、視頻、音頻等的知識組織結構[1]。而基于學科知識圖譜的教學模式則基于一定的算法偏好進行數據的自動挖掘、深入抓取學習者的個人偏好、學習弱點和上升能力，并以此作為教育教學知識的組織框架，利用數據挖掘、界面多態化、人工智能等現代技術，實現課程教學內容、教學方法的智慧化和多元化，形成“課堂集體教學、線上自主學習、后臺數據分析、學習軌跡分析、線下交流鞏固”的個性化、智能化、泛在化教學新模式，推動開放課程資源的應用，助推教育、產業、人才和創新四大鏈接有機結合，從教師、教材、教法方面提升教育的發展水平，創建合理清晰的學科知識網絡。

學科知識圖譜作為一種大容積、在課程內容與教學多維度資源之間建立連接的語義網絡，最終以可視化的技術實現各個知識的展示、知識節點之間關系的建立以及整體框架的架構，旨在對教育語義計算、教學內容的語義關聯、教學模型架構、綜合平臺建立、智慧答疑系統開發、學習個性化服務等方面發揮重要的技術性作用。學科知識圖譜將深刻影響教與學的流程，精準評估教與學的績效，推動因材施教從而提高學生的創新精神和實踐能力[2]。所以需要將學科知識圖譜這一信息技術更好的應用到教育教學中，努力為學生和教師構建一個多維度知識呈現的教與學的環境，主動服務教師教學需求，實現對學生個性化學習內容、個性化學習路徑、個體學習問題解決方案的系統支持，持續推進高校教學智能化建設和教學改革與發展。

三、學科知識圖譜的技術構建

結合課程需求在技術層面構建基于雙圖模型的學生和教學資源的知識圖譜，形成知識推理網絡模型，為學生的個性化教學方法研究提供理論支撐和基礎框架；采用知識搜索技術評估實體或鏈接之間的關聯度，建立匹配規則，支持個性化的教學資源的推薦、學習路徑的優化等[3]，具體包括如下方面。

基于雙圖模型建立學生與教學資源的知識圖譜。首先，通過特征工程和表示學習的方法建立主題實體和關系的向量表示；其次，利用上位圖結構表征學生實體及關聯網絡，下位圖結構表征各類教學資源實體及關系；最后，建立上位圖和下位圖實體與鏈接的映射，形成學生和教學資源的組合知識推理網絡模型。

針對不完備的知識圖譜，通過多源知識庫導入和鏈接預測對其進行增強，利用維基百科等相關領域的公開知識庫，運用知識抽取技術，引入外部知識庫的實體和關系；利用知識圖譜嵌入模型預測實體和關系的匹配程度，基于鏈接預測技術利用多源知識庫進行知識的有機融合和補全，進一步提高知識圖譜的完備性和推理能力。

研究啟發式實體與關系的匹配算法，啟發函數基于上位圖實體與關系向量的語義距離，在下位圖中搜索對應實體與關系的圖結構，搜索相似的節點和路徑，反之亦然。首先，將主題實體映射到知識空間維度的向量以及知識庫的實體向量，再通過啟發函數對相似度進行評價，最后利用語義搜索方法計算實體與關系向量的語義距離，求解損失函數，尋找最優的相似節點和路徑。通過知識圖譜的實體與關系最優匹配，實現學生的個性化教學資源優化配置。

技術構建協同演變進程，研究學科知識圖譜及服務平臺，對學習者的學習行為和學習內容進行有效預測，推薦學習路徑，解決課程教育規模化與學生學習個性化矛盾的機理與路徑，研究創建與課程結合緊密的合理清晰的學科知識網絡，構建學習興趣遷移路徑，促進多學科知識融合的人才培養。

四、知識圖譜驅動的高校教學應用

以筆者所在的學院為例，學院目前所開設的三門跨專業綜合實驗課程，通過仿真企業運作的真實經營環境，讓學生運用已經掌握的專業知識，應用到企業的運作中，這些綜合仿真實習課程仿真了市場環境基本要素和主要特征[4]。三門課程內容上相互關聯逐層遞進，能夠形成學科知識圖譜與教育教學融合的完整跟蹤；另一方面，三門課程都是混合式智慧教學環境，有利于搭建學科知識圖譜在智慧教育中的構建流程與應用場景。

在課程教學中，同屬一個模擬實習環境的有16家生產制造公司，未來面臨不定的經營和競爭環境。教學模擬生產制造公司多方面的環境構建、基礎數據與業務規則的設計、業務流程的規范，16家生產制造公司自主選擇經營戰略和決策，針對不同的操作經營、外部環境，體現模擬的真實性和實戰性，其中涉及各種業務規則。

課程教學中，要求生產制造公司必須按照本規則組織公司的生產經營活動，規范公司的生產經營行為，制定公司的各項規章制度，開拓市場，研發新產品；簽訂購銷合同；制定經營計劃和經營方針；制定各項經營決策，安排生產，協調公司運作；組織會計核算，提供財務信息。但是課程教學大綱對于這個部分只規定了較少的專題培訓課時，學生對于知識的掌握和理解是遠遠不夠的，所以利用圖譜提前把這一類知識關聯起來進行線上教學，以結構化的網狀形式集成在一起，提供多元準確的學習資料[5]，初步簡約構建適用于課程教學的部分知識圖譜知識體系，以電子制造有限責任公司各種規則的章程知識點為例。學習者通過點擊平臺界面進入，根據自己的知識掌握情況決定學習內容、時間、播放頻率，經授課教師檢查，即使部分知識點在課上沒有進行詳細講解，學生也能自主理解完成學習。

五、知識圖譜助力教學創新的應用規劃

在研究課程教學模式與學科知識圖譜融合應用的過程中，剖析兩者之間的內在關聯和作用，從教育教學視角切入分析學科知識圖譜與課程的適切性，并討論學科知識圖譜在課程教學中的構建和應用，期望從學科知識圖譜的角度來推動智慧化、個性化以及終身化的教育服務體系的發展。

精選課程知識點，采用特征工程和表示學習相結合的方法，提取學生和教學資源的關鍵特征，利用圖模型表征多類主題實體之間的映射鏈接關系，研究學科知識圖譜模型的技術構建，同時建立知識圖譜搜索路徑和主題實體之間的最優匹配規則，面向學生個體提供搜索。進行數據屬性值抽取和多模態資源的收集，以圖形的形式構建知識點之間的關系，形成系統集中、準確完整、簡潔清晰的知識網絡圖，展示相關知識點的個體知識含義、相互的邏輯關系和多維度聯系。

為學生和教師之間創建多模態互動的教學環境，對學習者之間知識關聯、資源瀏覽記錄、學習情況等行為進行分析，精準評估教與學的績效，實現對學生個性化學習內容、個性化學習路徑、個體學習問題解決方案的系統支持，遵循以學習者為中心，以建設系統化的學科知識圖譜，豐富學習內容為重點，研究學科知識圖譜資源的優化整合和開放共享，更好地促進智慧教育生態的構建。

創建合理清晰的跨專業多學科課程體系，知識圖譜結合課程特點，對課程教學體系中的內容建立關聯，形成資源庫[6]。知識圖譜將該課程所有的知識點清晰地呈現在使用者面前，學生可以通過可視化界面查找到每一個知識點的詳細內容（包括預習內容、復習內容、擴展內容）。

滬江CCtalk作為一款語言類教學直播平臺APP，主打課程是日語。據筆者統計，日語課程在所有語言課程中比重約占66%。下文中，筆者將從三個方面通過具體數據來探討CCtalk日語課程現狀。

建設綜合實驗教學平臺，從硬件環境和軟件配置多方面進一步完善智慧學習環境，為學生在教學中開展探究性學習提供先進方法，促進實驗教學理念、模式、方法及手段的完善。

六、學科知識圖譜在教學中的應用意義和挑戰

（一）學科知識圖譜在教學中的應用意義

學科知識圖譜作為智慧教學的技術之一，一方面促進教育認知多元化發展，一方面又能應用于智慧教育體系框架的構建，助力智慧學習綜合資源的建設、重塑、共享和服務。

1.促進個性化課程教學模式的深度生成

在對3年課程中多源學生學習數據記錄、教師教學數據記錄和學生綜合成績數據等多個數據分析的基礎上，建立針對性強的高校學科知識圖譜課程，將學生需求、教師教學要求、課程教學大綱要求和其他相關信息記錄關聯起來，通過架構各種業務知識和進行大數據收集，為學生提供專業和個性化的學習內容，提高教學的完整性和個性化發展。

班級授課的教學方式往往容易忽視學生個性發展，學科知識圖譜的相關功能為教師展示了學生學習情況的個性化信息，并作為教學過程中的參考，同時為教師提供針對不同學生的技術引導，為個性化教學提供輔助。學生個體知識圖譜形成之后，教師更能整體了解把握其學習狀況，合理安排授課時間、內容，高效率完成課堂活動，提升課堂質量。

2.創建合理清晰多元化的學科知識網絡展示

3.促進個性化教育的智能化發展

完整的學科知識圖譜可以的清晰地呈現各種學習軌跡、知識點的學習記錄和最終學習結果，打破了傳統的固定化的學習模式，學生可根據課程需要和特點以及個人知識點掌握情況選擇性學習，提高學習效率和課程成績。教師通過查看學生對知識圖譜的使用軌跡和頻率，掌握每位學生的學習興趣、知識掌握情況，從而可以進行有針對性的教學，為培養學生的職業學習能力和判斷能力奠定基礎。在教育領域，智慧化將是未來發展趨勢，通過多種教學方式提升學生的邏輯思維能力和自學能力，最終形成教師教學質量、學生學習成績、課程教學效果互相提高的良性循環[7]。

（二）學科知識圖譜在教育應用中的挑戰

學科知識圖譜在課程中的輔助應用，助力高校教育教學走向智慧化、個性化以及多專業的融合發展，但其在課程具體教育應用中仍面臨多方面的問題。

1.學科知識圖譜全方面完整構建難度較大

多領域的學科知識圖譜的構建和應用、所有知識點的數據來源需要專業教師的提煉和總結，強調知識的廣度、深度和精確度，同時現在對于課程沒有成熟的學科知識圖譜的模型和算法框架，需要自己架構。

2.學科知識融合挑戰大

課程中不同的供應公司、制造公司、客戶公司等公司組織和管理機構，組成針對多學科、多教學目標、多教學內容、多教學班級的學科知識圖譜框架，需要進行知識本體的融合以及知識點層面的融合，同時針對課程教學大綱深入淺出，與學習者熟悉的知識體系建立關聯，為學生創造直觀的知識情境，實現知識由淺及深的聚合與內化和各種開放性思維方式有效融合，支持學習者和教育者自身知識體系的動態演進。

3.學科知識圖譜的可視化實現

學科知識圖譜的可視化教學技術的實現可以使抽象、復雜、多專業、跨學科的復雜知識、規律或模型簡單化和具體化，讓教學過程變得更加的簡單、直觀、容易，同時可視化方式可以進一步將學生學習的各種歷史數據和記錄，通過各種圖像、表格的形式反饋給任課教師，為教師對學生進行適當的引導和啟發提供數據支持。但是由于參與者的認知方法和學習習慣等方面的差異，學科知識圖譜可視化的實現需要從多方面考慮，要盡可能地為學生創造直觀的知識點情境展示，促進多種可視化表征方式和方法組合的研究。

七、結語

文章以綜合仿真實習相關課程為核心開展學科知識圖譜的教學應用，以知識圖譜為技術基礎、構建應用流程與場景，主要包括基于課程的學科知識圖譜的在線微課教學、知識點展示、視頻音頻資源等，充分將學生掌握的理論知識和企業運行相結合，領悟科學的經濟發展規律與企業管理方法，全方位體驗和實踐企業的管理理念和發展目標，檢驗學生掌握知識的寬度、深度和對知識的綜合運用能力。從教育教學需求和軟件開發的技術角度將復雜的跨專業課程和知識圖譜技術模型構建有機結合起來，同時需要研究團隊加強跨領域合作，深入交叉學科研究，從技術、專業內容、教學方法等多方面將學科知識圖譜與高校教育教學模式融合。