面向學科核心素養發展的學生學科認知圖譜構建研究

董曉曉 周東岱 顧恒年

[摘? ?要] 學生學科核心素養發展的有效刻畫對于落實立德樹人根本任務、促進教學提質增效有重要作用。當前學生學科核心素養發展刻畫的粒度過大且零散，尚未有效實現結構化、語義化和可視化。文章運用理論分析方法，在廣義知識視角下的認知結構與核心素養刻畫關系論證的基礎上，以學生學科核心素養刻畫為目標，以學生學科認知結構為中介客體，以知識圖譜技術為工具，厘定了學生學科認知圖譜的內涵與外延，構建了學生學科認知圖譜結構和圖式，并從刻畫學生學科核心素養生成、發展以及學業質量水平達成的視角給出了圖譜構建的實踐示例，以期為全面、精準刻畫學生學科核心素養發展提供支撐與參考。

[關鍵詞] 學生學科認知圖譜； 學科核心素養發展； 認知結構； 圖譜圖式； 廣義知識觀

[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，主要從事教育領域知識圖譜研究。E-mail：dongxx336@nenu.edu.cn。

一、引? ?言

學生學科核心素養發展的有效刻畫對于落實立德樹人根本任務和促進教學提質增效有重要作用。既有學生學科核心素養刻畫的研究成果主要有兩類：（1）依據基礎教育各學科課程標準給出的學科核心素養水平劃分與描述[1]，以學科成績單[2]、學習檔案袋[3]等形式刻畫學生的學科核心素養。這類方法因評價粒度偏大，難以精準刻畫學生學科核心素養的生成狀態和發展趨勢。（2）在細粒度知識單元上評價學生的學科關鍵能力，并以“知識內容—思維結構雙向細目表”表征學生學科關鍵能力的生成狀態[4]。這類方法缺少對必備品格和價值觀的評價，刻畫不完整。近年來，隨著基于圖可視化方法關注度的提高，涌現出一些以認知地圖[5]、學習認知地圖[6]、學習認知圖譜[7]等刻畫學習者特征的研究成果。但是，這些成果僅關注狹義的學科知識且忽視了學生認知發展的動態性，尚不能適應學生學科核心素養發展刻畫的需要。

因此，本研究在廣義知識視角下的認知結構與核心素養刻畫關系論證的基礎上，以學生學科核心素養刻畫為目標，以學生學科認知結構為中介客體，以知識圖譜技術為工具，厘定學生學科認知圖譜的內涵與外延，構建學生學科認知圖譜結構和圖式（Schema），進而構建刻畫面向學生學科核心素養發展的結構化、語義化和可視化學科認知圖譜，為全面、精準刻畫學生學科核心素養發展提供支撐與參考。

二、學生學科認知結構與核心素養刻畫的關系

認知結構是教育心理學領域的重要概念，皮亞杰、布魯納等心理學家認為，學習使新材料或新經驗和舊材料或舊經驗結為一體，形成一個內部的知識結構，即認知結構[8]。奧蘇貝爾在既關心學生原有知識經驗系統又關注學習材料本身的邏輯關系以及區分學科覆蓋范圍的基礎上，提出認知結構就是學生頭腦中的全部觀念或在某一特定知識領域內的內容和組織[9]。教育技術學界對認知結構的認識大多借鑒了奧蘇貝爾的思想，認為認知結構就是指學生現有知識的數量、清晰度和組織結構，在宏觀上將其界定為學生所掌握的知識，但未對知識的范疇、清晰度及結構的概念或操作性定義進行進一步的說明或描述[10]。

所謂學習就是認知結構的發展變化，其本質是活動，具有需求、動機、目標導向性與動態過程性。朱德全等認為，學習是一種有邏輯的認知活動，學習的認知邏輯要求對學生學習“掌握了什么”“掌握得怎么樣”進行清晰明確的回答[11]。忽視“掌握了什么”或僅靜態說明“掌握得怎么樣”，難以全面深刻闡釋認知結構的內涵。學科知識不僅包括學科基礎知識與基本技能，還沉淀、蘊含了知識創生者所具有的正確價值觀、必備品格和關鍵能力，體現為“價值旨趣+問題+方法（論）+研究結論”的一體化[12]。從廣義的知識視角切入拓展或重新厘定認知結構的內涵，能夠更加全面地解析學生認知結構，促進其認知發展。同時，學生學科核心素養的生成是在學科基礎知識和基本技能基礎上培養學生正確價值觀、必備品格和關鍵能力的連續統過程，各學科具體的核心素養要素之間（包括不同類型核心素養要素之間、同類型不同核心素養樣態之間，核心素養樣態指結合最小知識單元落實的學科核心素養要素）亦存在關系，如物理學科核心素養要素是“相互聯系的有機整體”，物理學科物理觀念核心素養要素落實到“電與磁的聯系”和“磁場”知識元所分別體現的“電流的磁效應”觀念樣態與“磁場”觀念樣態之間也存在關聯[1]。倘若學科認知結構中的知識范疇是“價值旨趣+問題+方法（論）+研究結論”一體化的知識體系，學科核心素養是相互聯系的不同類型核心素養要素以及同類型不同核心素養樣態的有機整體，那么，聚焦某一特定學科對學生認知結構的表征就能實現對學生學科核心素養的刻畫。

由此，本研究以全面刻畫學生“掌握了什么”“掌握得怎么樣”的雙重目標作為邏輯起點，結合學科核心素養發展理念，提出廣義知識視角下學生學科認知結構的概念，即學生個體在特定時間點（或時間區間內），聚焦某一特定學科，已建構的學科知識體系及建構度。其中：（1）“知識”指“價值旨趣+問題+方法（論）+研究結論”一體化知識，即學科核心素養的全集。（2）依據知識組織理論，學生已建構的學科知識體系由不同粒度的學科知識單元及學科知識單元間關系構成。（3）“學科知識單元間關系” 指學生個體經由問題解決所建構的知識單元間關系而不是學科知識體系中知識單元間的固有關系，具體指不同粒度學科知識單元（含不同粒度學科核心素養要素）之間、同一粒度學科知識單元（含不同類型核心素養要素以及同類型不同樣態核心素養）間的關系，即知識體系中縱向和橫向兩方面的關系。（4）建構度包括知識單元建構度和知識單元關系建構度。知識單元建構度指在該知識單元范疇內，學生個體所建構的知識與人類社會共同知識的一致程度。知識單元關系建構度指學生建構的知識單元間關系與學科知識體系中知識單元間固有關系的一致程度。知識單元關系建構度對知識單元建構度有影響，二者具有相關關系。依據計量精準性原則，知識單元建構度和知識單元間關系建構度均應為連續量。

三、學生學科認知圖譜的意蘊解析與結構構建

基于廣義知識視角下學生學科認知結構的概念及其表征能夠刻畫學生學科核心素養的發展，為了能夠實現學生學科認知結構的表征，本研究結合知識圖譜技術，進一步提出學生學科認知圖譜概念，并在其意蘊解析的基礎上構建學生學科認知圖譜結構。

（一）學生學科認知圖譜內涵指向學生學科核心素養發展的系統、全面和精準刻畫

基于前面的論證，對學生學科認知結構的表征能夠實現學生學科核心素養的刻畫。但是如何表征學生學科認知結構還是一個未解的問題。同時，學生學科核心素養發展具有邏輯性、規律性、動態性等特點。在實際教學過程中，迫切需要動態獲得學生認知發展相關數據并有效挖掘數據背后深藏的學生學科核心素養發展趨勢、異常和模式，進而為學生提供適應性的教學干預服務[13]。換言之，就是要通過對學生學科認知結構的結構化、語義化和可視化表征，發現和挖掘學生學科核心素養發展的趨勢、異常和模式。知識圖譜作為領域知識語義化、結構化和可視化表征的有效手段，已成為各行各業從數字化向智能化轉型升級的關鍵技術之一[14]。因此，本研究結合學生學科認知結構表征的需求和知識圖譜技術優勢，提出學生學科認知圖譜概念。學生學科認知圖譜是一種面向學生個體核心素養發展，聚焦某一特定學科，對特定時間點（或時間區間）學生學科認知結構的結構化、語義化和可視化表征的圖網絡。旨在通過學生學科認知結構的表征來刻畫學生學科核心素養發展，準確反映各學科獨特教育價值在學生身上的發展與落實情況，其內涵指向學生學科核心素養發展的系統、全面和精準刻畫。

（二）針對不同教學場景，學生學科認知圖譜的外延具有多種尺度、多種形式的表現

構建學生學科認知圖譜的目的在于通過對學生學科核心素養發展的刻畫，準確反映各學科獨特的教育價值在學生身上的發展與落實情況。在實際教學過程中，不同教學場景或階段存在不同的刻畫側重點。例如：根據知識組織原理和基礎教育課程標準強調的過程評價要求，存在適應較小知識簇的小尺度學生學科認知圖譜，或適應某一課程（學科）、某一學段下具體知識模塊的較大尺度的學生學科認知圖譜。再如：根據基礎教育課程標準落實教育評價改革的要求，既存在側重刻畫學生在不同階段或不同知識粒度下學科核心素養發展的學生學科認知圖譜，也存在綜合考慮學生學科核心素養與課程內容的學業質量水平的學生學科認知圖譜等。因此，本研究認為，針對不同實際教學場景，學生學科認知圖譜的外延因適應不同知識粒度、不同教育教學需要，具有多種尺度、多種形式的表現。

（三）學生學科認知圖譜結構構建

為了能夠有效構建學生學科認知圖譜圖式，本研究在學生學科認知圖譜的內涵與外延基礎上，從圖譜構成的必要因素視角，遵循要素析出的必要性、獨立性等原則[15]，進一步析出學生學科認知圖譜的5個關鍵要素，并根據要素與要素之間的核心關系，建構學生學科認知圖譜結構。

1. 學生學科認知圖譜的關鍵要素

（1）學生。學生是學習的主體，學生學科認知圖譜旨在刻畫學生個體學科核心素養發展，因此，學生標識是學生學科認知圖譜不可缺少的最基本要素。

（2）學科。不同學科具有各自獨特的學科知識邏輯和價值取向，承載著不同的學科核心素養，需清晰表征學生學科認知結構進而刻畫學科核心素養發展。

（3）時間戳。時間是自然界中所有實體和關系都具有的重要屬性，時間戳是對某一特定時間點（或時間區間）的表示[16]。學生學科核心素養具有發展性，學生學科認知結構隨時間的變化而發生動態的演化。

（4）知識單元建構度。根據基礎教育課程標準中學科核心素養評價和學業質量評價的要求，知識單元建構度包括知識單元學業建構度和知識單元所承載的學科核心素養建構度。此外，按照表現性、過程性和發展性評價相結合的教學評價原則[17]，知識單元建構度還應該滿足結果性和過程性結果描述的需要。

（5）知識單元關系建構度。知識單元關系建構度是對學生建構的知識單元間關系與學科知識體系中知識單元間固有關系一致程度的描述，也是不可缺少的要素。

2. 學生學科認知圖譜的核心關系

從學生學科認知圖譜概念的內涵出發，可知學生學科認知圖譜中各要素之間主要存在六個方面的關系，具體包括：（1）學生學科認知圖譜是對學生學習具體學科的學科認知結構的表征，學生要素與學科要素之間存在一對一的學習（相關）關系；（2）學科是由知識單元與知識單元間關系構成的一個體系，學科要素與知識單元建構度要素、知識單元關系建構度要素之間存在約束性相關關系；（3）學生的學科知識建構度包括知識單元建構度和知識單元關系建構度，因而學生要素與知識單元建構度要素、知識單元關系建構度要素之間存在主客體相關關系；（4）知識單元建構度與知識單元間關系建構度相互依賴、互相影響，知識單元建構度要素和知識單元關系建構度要素之間存在相關關系；（5）學生學科認知結構隨時間變化而發生動態演化，時間戳要素分別與知識單元建構度要素、知識單元關系建構度要素存在約束性相關關系；（6）不同粒度的知識單元間有上下位或包含關系，知識單元建構度要素和知識單元關系建構度要素在各自內部之間存在相關關系，相互協調，達成動態發展。

基于學生學科認知圖譜的關鍵要素及要素之間的核心關系，本研究建構了學生學科認知圖譜的結構模型，如圖1所示。

四、學生學科認知圖譜圖式構建

知識圖譜圖式構建是知識圖譜構建必不可少的重要工作，特定領域的知識圖譜圖式構建需要結合特定領域知識。根據團隊前期提出的學科核心素養發展導向下教育領域知識圖譜圖式構建方法[14]，本研究基于學生學科認知圖譜結構模型，確定學生學科認知圖譜的實體類型、實體屬性和關系類型，從而構建學生學科認知圖譜圖式。

（一）實體類型

實體類型是具有相同特點或屬性的實體集合的抽象。根據學生學科認知結構概念及學科認知圖譜的要素與結構模型，本研究首先確定了知識單元建構度這一實體類型，并根據課程標準中對學業質量評價與學科核心素養水平劃分的需要，將知識單元建構度細化為學業質量建構度和學科核心素養建構度。在此基礎上，鑒于學科核心素養落地在具體學科所呈現的不同層級（學科核心素養要素的類型、亞類、樣態的層級關系），將學科核心素養建構度進一步劃分為學科核心素養類建構度、學科核心素養亞類建構度和學科核心素養樣態建構度。

（二）實體屬性

屬性是實體的伴隨物，是對實體的解釋說明，定義各類實體的屬性能夠進一步補充完善相應實體的語義信息。針對實體屬性的定義，本研究遵循“先確定共有，后補充特性”的原則，先確定上述4種實體類型的共有屬性，再針對不同實體類型具體補充需要的特有屬性。

在共有屬性確定方面，根據學生學科認知圖譜概念的內涵和要素，首先為學生學科認知圖譜中的知識單元建構度明確學生標識、學科標識及達到該建構度的時間戳3個必不可少的實體屬性。然后綜合考慮實體的唯一性、清晰性等原則，補充實體類型的序號、名稱、描述3個實體屬性。最后根據知識單元建構度要素描述，補充結果性建構度和過程性建構度2個實體屬性。

在特有屬性確定方面：（1）針對學業質量建構度，根據知識單元不同粒度的需要，確定學業質量建構度所處層級和知識單元名稱2個屬性；（2）針對學科核心素養類建構度，根據學科核心素養大類表征的需要，確定學科核心素養類的名稱屬性；（3）針對學科核心素養亞類建構度，在確定學科核心素養亞類名稱的基礎上，需要該學科核心素養亞類上位的學科核心素養大類的名稱屬性；（4）針對學科核心素養樣態建構度，在確定學科核心素養樣態名稱的基礎上，需要補充該學科核心素養樣態上位的學科核心素養亞類及學科核心素養類的名稱屬性。

綜上所述，分別整合每個實體類型的共有屬性和特有屬性，最終確定學業質量建構度10個屬性，學科核心素養類建構度9個屬性，學科核心素養亞類建構度10個屬性，學科核心素養樣態建構度11個屬性，具體見表1。

（三）實體關系

實體關系是對實體之間內在聯系的重要體現，也是圖譜語義化實現的關鍵。從學生學科認知圖譜要素及結構模型可知，知識單元建構度實體間存在相關或包含關系，倘若任意兩個知識單元建構度實體間存在可量化關系，知識單元關系建構度則反映了關系的程度（即關系的屬性）。由此，本研究根據學生學科認知圖譜的結構模型及已確定的實體類型，確定了相關關系和包含關系兩種實體關系：（1）相關關系根據實體類型和表征目的的不同分為兩種：一是揭示同一層級學科核心素養建構度之間存在的非嚴格量化相關關系；二是揭示學生對學業質量建構度內部同一層級知識單元學業質量建構度之間存在的量化相關關系，由同一層級知識單元學業質量建構度間的相關關系及相關關系量化程度屬性共同描述。（2）包含關系存在三種：一是揭示在學科中同一類型不同層級學科核心素養建構度之間存在的量化包含關系，由同一類型不同層級核心素養建構度間的包含關系及包含關系量化程度屬性共同描述；二是揭示不同層級學業質量建構度之間存在的量化包含關系，由不同層級知識單元學業質量建構度間的包含關系及包含關系量化程度屬性共同描述；三是依據基礎教育課程標準中對學業質量水平與學科核心素養水平的界定，學生學科學業質量建構度與學科核心素養建構度之間存在非嚴格量化包含關系。

五、學生學科認知圖譜構建案例

基于所構建的學生學科認知圖譜圖式，本研究在實驗校針對學科實際教學，結合隨堂測試、單元測試、期中測試和期末測試的過程性和結果性測試結果，在Neo4j+（https：//neo4j.com/）、PyTorch（https：//pytorch.org/）技術環境下進行了學生學科認知圖譜的構建實踐。選取人教版高中物理學科“電磁感應與電磁波初步”知識簇，首先從刻畫學生學科核心素養生成情況的角度給出學生學科認知圖譜示例，然后從刻畫學生學科核心素養發展趨勢的角度給出學生學科認知圖譜示例，最后給出刻畫學生學科學業質量水平的學生學科認知圖譜示例。

（一）基于學生學科認知圖譜刻畫學生學科核心素養生成情況

教育部發布的高中新課程標準僅在粗粒度知識模塊層面上給出了學生學科核心素養階段性發展的水平劃分與描述，難以直接刻畫實際教學中細粒度知識單元所承載學科核心素養生成情況。針對這個問題，已有研究基于布魯姆認知目標分類理論對細粒度知識單元所承載的學科關鍵能力進行測評[18]。事實上，學科知識是學科核心素養的主要載體[19]，在不同類型知識的學習過程（記憶、理解、應用、分析、評價、創造）中，不僅應然生成和發展學科關鍵能力，亦伴隨著相應的必備品格和價值觀的生成與發展。因此，在廣義知識視角下，基于布魯姆認知目標分類的認知過程，對細粒度知識單元所承載的學科核心素養進行測評是可行的。基于此，本研究結合基礎教育課程標準與布魯姆教育目標認知過程，對知識元、知識簇、知識模塊等不同粒度知識單元所承載的學科核心素養進行過程性和結果性評價（因篇幅所限，評價方法另文論述），然后依托本研究提出的學生學科認知圖譜圖式，構建了表征學生學科核心素養生成情況的學生學科認知圖譜。

圖2是在單元測試場景下刻畫學生對“磁場—磁感線”知識簇所承載學科核心素養生成情況的學科認知圖譜，圖中實線矩形框標注的學生、學科、時間戳是認知圖譜的三個基本屬性，不同底紋的橢圓形節點表示該知識簇承載的不同學科核心素養類，不同底紋的圓形節點表示知識簇承載的不同學科核心素養樣態，圓形節點內標注的是學科核心素養樣態的名稱及從過程和結果角度獲得的該核心素養樣態建構度（取值空間：0.0～1.0），圓形節點之間和橢圓形節點之間的實線連線表示學科核心素養類建構度間及學科核心素養樣態建構度間存在的相關關系，橢圓形節點和圓形節點之間的虛線連線表示學科核心素養類建構度與學科核心素養樣態建構度間存在的包含關系，虛線上標注的數字表示該關系建構度的程度屬性（取值空間：0.0～1.0）。圖譜實際操作中點擊圓形節點出現的虛線矩形框標注的是序號、名稱、學科核心素養樣態名稱、學科核心素養亞類名稱、學科核心素養類名稱等屬性。

表2給出了“磁場—磁感線”知識簇所承載的學科核心素養。該知識簇的4個知識元承載了電流的磁效應觀念、電磁知識作用于生產生活、磁場觀念、磁感線模型建構、安培定則、磁與現代科技的應用6個具體的物理學科核心素養樣態，體現了物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任4類學科核心素養的一體化。圖2刻畫了學生（學號1001005）在學習完成后對該知識簇承載的6個物理學科核心素養樣態的生成情況，解決了此前難以在細粒度知識單元上刻畫學生學科核心素養生成情況的問題。此外，學生學科認知圖譜還能夠支撐學生學習異常診斷，從圖2可以看出，學生的磁場觀念的過程性建構度為0.4，而結果性建構度為0.8，二者存在較大差距，需要教師及時關注與干預。

（二）基于學生學科認知圖譜刻畫學生學科核心素養發展情況

學生學科認知圖譜不僅能夠表征學生的核心素養生成情況，而且能夠表征學生核心素養發展情況。圖3展示了2名學生（學號1001003和1001005）在隨堂測試、單元測試、期中測試和期末測試四種不同測試場景下“電流的磁效應觀念”核心素養樣態的發展情況。

從圖3可以看出，學生1001005隨堂測試時對電流的磁效應觀念的建構度為0.6，隨著學習的推進，在單元測試、期中測試和期末測試階段建構度逐步提升，表明學生通過對后續學習內容的聯系與整合，實現了深度理解與應用。而與學生1001005相反，學生1001003隨堂測試時對電流的磁效應觀念的建構度為0.8，隨著學習時間的不斷拉長，對該觀念的建構度不斷下降（單元測試時0.7，期中測試時0.6，期末測試時0.6），表明學生1001003并未真正掌握該觀念，僅在初學階段形成較為淺顯的理解與應用，造成一種“掌握”的假象，隨著時間的推進，可能由于遺忘等原因導致建構度下降，未真正達到深度學習。

（三）基于學生學科認知圖譜刻畫學生學科學業質量水平

基于本研究提出的學生學科認知圖譜圖式，還能構建刻畫學生在知識簇、知識模塊等不同粒度知識單元上的學業質量水平的學生學科認知圖譜。圖4是刻畫學生（學號1001005）在“電磁場與電磁波初步”知識簇上學業質量水平的認知圖譜示例，圖中實線矩形框標注的是學生、學科、時間戳三個基本屬性，平行四邊形節點表示“電磁場與電磁波初步”知識簇包含的5個小粒度知識簇，平行四邊形節點內標注的是小粒度知識簇的名稱及從過程和結果角度獲得的學生對該知識簇學業質量水平的建構度，平行四邊形節點之間的連線及連線上的數值標注的是學生個體對小粒度知識簇間相關關系的建構度。圖譜實際操作中點擊平行四邊形節點出現的虛線矩形框標注的是序號、名稱、所處層級、知識單元名稱等屬性。

六、結? ?語

本研究面向學生學科核心素養發展刻畫，在廣義知識視角下的認知結構與核心素養刻畫關系論證的基礎上，提出了學生學科認知結構的概念，然后以學生學科核心素養刻畫為目標，以學生學科認知結構為中介客體，以知識圖譜技術為工具，厘定了學生學科認知圖譜的內涵與外延，構建了學生學科認知圖譜結構模型和圖式，并分別從刻畫學生學科核心素養生成、發展及學業質量水平達成的視角給出了學生學科認知圖譜構建示例。研究證實了基于學生學科認知圖譜能夠有效發現和挖掘學生認知發展的趨勢、異常和模式，為后續適應性教學干預服務奠定基礎，解決了既有研究尚不能有效實現學生學科核心素養發展的結構化、語義化和可視化刻畫問題。

本研究成果一方面能夠從學生學科核心素養發展刻畫的角度豐富和完善教育領域知識圖譜相關研究；另一方面也契合全面落實培養擔當民族復興大任時代新人的要求，能夠為系統、全面且精準地刻畫學生學科核心素養發展提供借鑒與參考，助力學生學科核心素養的落實與發展。

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[19] 余文森.論學科核心素養形成的機制[J].課程·教材·教法，2018，38（1）：4-11.

[Abstract] The effective characterization of the development of students' disciplinary core literacy plays an important role in carrying out the fundamental task of fostering virtue through education and promoting the quality and efficiency of teaching. At present， the characterization of the development of students' disciplinary core literacy is too large and fragmented， and it has not been effectively structured， semanticized and visualized. Using theoretical analysis method， based on the demonstration of the relationship between cognitive structure and core literacy from a broad knowledge perspective， taking the characterization of students' disciplinary core literacy as the goal， students' disciplinary cognitive structure as the mediating object， and knowledge graph technology as the tool， this study defines the connotation and extension of students' disciplinary cognitive graph， and constructs the structure and schema of students' disciplinary cognitive graph. And a practical example of the construction of the graph is given from the perspective of portraying students' disciplinary core literacy production， development and academic quality achievement. It is expected to provide support and reference for portraying the development of students' core literacy comprehensively and accurately.

[Keywords] Students' Disciplinary Cognitive Graph; Development of Disciplinary Core Literacy; Cognitive Structure; Knowledge Graph Schema;? A Broad View of Knowledge