基于教育知識圖譜的智慧伴學機制研究與探索

摘 要：計算機類專業(yè)教學存在生師比偏高、伴學機制重形式輕內(nèi)容、學生綜合實踐應用能力不足等問題。為解決這些問題，提出了基于教育知識圖譜的智慧伴學機制。該機制融合了同伴學習、合作學習、導生制等基本思想，構建了由教師、高年級導生、同年級學生共同參與的立體化伴學機制。通過構建智慧伴學大數(shù)據(jù)平臺，打破了時空限制，實現(xiàn)了伴學組織的信息化、伴學過程的數(shù)字化和伴學管理的智慧化。設計了教育知識圖譜賦能智慧伴學策略，以解決傳統(tǒng)教學模式中知識點孤立、學生學習主動性不足、綜合應用能力較差等問題，實現(xiàn)知識點的網(wǎng)絡化、立體化教學。指出了伴學機制未來的研究方向，即構建線上與線下有機融合的混合式伴學模式，教育知識圖譜質(zhì)量保障，創(chuàng)新智慧伴學平臺數(shù)據(jù)分析與應用。

關鍵詞：教育知識圖譜；智慧伴學；同伴學習；合作學習；精準教學

新一代信息技術被列為“十四五”期間國家九大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之首，而電子信息產(chǎn)業(yè)集群是河南省七大萬億級重大先進制造業(yè)集群之一。計算機類專業(yè)作為新一代信息技術專業(yè)人才培養(yǎng)的主要載體，具有廣闊的發(fā)展空間。目前，全國高校已有3000個左右的計算機類專業(yè)點，在校生數(shù)量名列前茅。計算機類專業(yè)人才供不應求，就業(yè)前景看似光明，但人才培養(yǎng)質(zhì)量卻未能完全滿足市場需求，導致人才培養(yǎng)與市場需求之間存在結構性失衡。因此，如何提高計算機類專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量已經(jīng)成為高校亟待解決的問題。

實踐能力、編程能力和知識的綜合運用能力是計算機類專業(yè)人才的核心培養(yǎng)目標。目前，各高校計算機類專業(yè)學生規(guī)模的不斷擴大與師資力量緊缺并存，任課教師難以為每個學生提供充分有效的指導。同時，計算機類專業(yè)課程的難度相較于其他專業(yè)課程較高，大多數(shù)學生又不善于主動向老師和同學請教，使得問題越積越多，最終可能導致他們失去學習興趣，許多課程也無法取得預期效果。為解決計算機類專業(yè)師資緊缺的問題，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，基于教育知識圖譜的智慧伴學機制成為一種有效的途徑。

智慧伴學是同伴學習與合作學習等的數(shù)字化實現(xiàn)，其充分利用大數(shù)據(jù)、人工智能等前沿信息技術，極大地豐富了同伴學習與合作學習的實現(xiàn)形式，從而有效提升了學習效果。王有升等學者指出，同伴學習能夠有效關注并充分利用學生之間的差異，促進學習程度不同的學生共同進步。同時，他們對如何以“教學相長”的同伴學習為核心，引領課堂教學變革進行了深入探索。學者韓笑對我國改革開放40年來的合作學習研究進行了系統(tǒng)綜述，并指出了我國合作學習的未來發(fā)展趨勢。

眾多學者對教育知識圖譜進行了深入的探討和研究。其中，李艷艷等人討論了學科知識圖譜在智慧教育中的構建路徑，并指出了學科知識圖譜在智慧教育應用中面臨的挑戰(zhàn)。李振等人闡述了教育知識圖譜的內(nèi)涵與技術框架，并指出了教育知識圖譜在學生畫像構建、智能學習問答、個性化學習路徑推薦、精準教學以及數(shù)字化教材建設等領域具有廣泛的應用前景。

本研究首先對同伴學習、合作學習以及教育知識圖譜等基礎理論進行了詳細闡述，指出了當前計算機類專業(yè)教學中所面臨的生師比偏高、伴學機制重形式輕內(nèi)容、學生綜合實踐能力不足等問題。針對這些問題，從立體化伴學機制設計、智慧伴學大數(shù)據(jù)平臺構建和教育知識圖譜賦能智慧伴學等方面提出了基于教育知識圖譜的智慧伴學機制。

一、理論基礎

（一）同伴學習

同伴學習是學習者通過尋求同學的支持和幫助，獲得知識和技能的過程。在沒有教師直接指導的情況下，通過同伴之間的互動來改善學習的一種合作學習方式。英國的托平教授和美國的爾利博士系統(tǒng)化地提出了同伴學習支持模型，并指出了同伴學習的特點：幫助者在為他人學習助力的同時，也能夠提升自己；同伴幫助能夠有效地補充專業(yè)教學，但不能完全替代；同伴幫助旨在讓所有參與者都能從中獲益。此外，他們還指出了同伴學習的常見形式，包括同伴指導、同伴建模、同伴監(jiān)控以及同伴評估等。

（二）合作學習

合作學習起源于20世紀70年代初的美國，并在20世紀80年代末傳入中國。它是一種以合作為核心的教學方法，注重學生之間的相互交流、相互幫助和相互配合，通過合作的方式達到學習目的，完成學習任務。合作學習改變了傳統(tǒng)的以師生單向或雙向交流為主的學習模式，它強調(diào)各種教學要素之間的多向動態(tài)交流，有效提升了學生學習的自主性，改善了學習效果。合作學習具有堅實的理論基礎，包括建構主義理論、維果茨基的“最近發(fā)展區(qū)”理論、馬斯洛的需要層次理論和勒溫的群體動力學理論等。這些理論為合作學習在世界范圍內(nèi)的迅速普及和發(fā)展提供了有力的支持。

（三）知識圖譜

知識圖譜是一種基于圖的數(shù)據(jù)結構，本質(zhì)上屬于語義網(wǎng)絡。由于知識圖譜在知識表示、知識組織、語義檢索等方面的顯著優(yōu)勢，被廣泛應用于電子商務、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、企業(yè)服務、電子政務等諸多領域，并產(chǎn)生了良好的實踐應用效果。隨著教育數(shù)字化的不斷深入和迅速普及，教學數(shù)據(jù)和資源日益豐富，如何利用教育知識圖譜有效推進智慧教育已成為亟待解決的問題。從心理學視角來看，教育知識圖譜可以追溯到皮亞杰的認知發(fā)展理論；從哲學視角來看，教育知識圖譜理論依據(jù)來源于伊曼努爾·康德的圖式學說。

二、計算機類專業(yè)教學面臨的挑戰(zhàn)

（一）生師比偏高，對學生缺乏有效指導

在許多高校計算機類專業(yè)學生數(shù)量較大，而教師數(shù)量相對較少，導致生師比偏高。這使得教師難以關注到每一個學生，難以全面了解每個學生的具體學習情況和心理狀態(tài)，無法為每個學生提供細致且全面的指導。此外，由于計算機類專業(yè)課程難度一般偏高，且前后知識點聯(lián)系緊密，一旦學生在某個環(huán)節(jié)遇到困難，若未能及時解決，將會嚴重影響其后續(xù)的學習效果。這不僅會打擊學生的學習積極性和主動性，還可能形成惡性循環(huán)，最終影響學生的整個學業(yè)進程。因此，在生師比偏高的現(xiàn)實情況下，如何實現(xiàn)對每個學生的有效指導，已成為計算機類專業(yè)教學亟待解決的關鍵問題。

（二）同伴學習和合作學習重形式、輕內(nèi)容，教學效果欠佳

同伴學習和合作學習在一定程度上緩解了計算機類專業(yè)師資匱乏的問題，改善了傳統(tǒng)的以師生單向交流或雙向交流為主的教學模式。然而，受時間和空間的限制，在具體實施過程中，同伴學習和合作學習大多局限于課堂上，存在過于注重形式，而對實際的學習過程、教學效果缺乏足夠關注的現(xiàn)象。此外，在同伴學習和合作學習的實施過程中，容易出現(xiàn)極端，即任課教師充分放權給學生，完全由學生主導，任課教師的組織協(xié)調(diào)角色缺失，使得學習過程過于松散且缺乏明確的針對性。對于同伴學習和合作學習的教學效果，目前缺乏科學、系統(tǒng)、有效的評估，這使得教師無法及時了解學生的學習進程并及時作出調(diào)整和改進，教學效果欠佳。

（三）學生綜合實踐能力有待進一步提高

計算機類專業(yè)要求學生具有較強的實踐能力和對知識的綜合運用能力。然而，在傳統(tǒng)的教學模式下，任課教師一般是按照教材的章節(jié)順序進行講解，不同課程教師之間缺乏有效的溝通與協(xié)調(diào)，導致知識點往往以孤立的形式呈現(xiàn)給學生，使得學生“只見樹木，不見森林”。由于缺乏對知識體系的整體把握，學生往往不清楚所學知識點在實際應用中的價值和意義，這大大降低了他們學習的積極性和主動性。同時，由于所學知識點大多是孤立的，學生的綜合實踐能力未得到充分體現(xiàn)，學生運用所學知識進行分析問題和解決問題的能力較弱，有待進一步提高。

三、基于教育知識圖譜的智慧伴學機制

（一）設計立體化伴學模式

融合同伴學習、合作學習以及導生制的基本思想，設計由教師、高年級導生以及同年級學生共同參與的立體化伴學模式。在橫向層面，將同年級學生進行分組，每組中擇優(yōu)選擇一名學生擔任組長；在縱向層面，從高年級學生中，選擇若干實踐能力強、綜合素質(zhì)高的學生擔任導生，每個小組配備一名導生。從整體上看，該伴學模式由任課教師負責整體規(guī)劃、組織實施及監(jiān)督反饋，以確保伴學機制不斷完善并達到預期教學效果。在同年級小組內(nèi)部，主要采用合作學習和同伴學習的方式，鼓勵學生之間相互交流和協(xié)作，共同完成學習任務；在高低年級之間，篩選出優(yōu)秀高年級學生擔任導生，對同組的低年級學生進行指導，發(fā)揮榜樣引領作用，實現(xiàn)以生教生、以生勵生、以生管生和以生評生的教育效果。

（二）完善智慧伴學制度保障

立體化伴學模式的有效實施依賴于任課教師、高年級導生的認真組織和指導，以及學生的積極參與。相較于傳統(tǒng)的教學模式，立體化伴學模式要求任課教師投入更多的時間和精力來組織、實施和監(jiān)督伴學過程；高年級導生在提升自身能力的同時，還需承擔對低年級學生的指導和幫助；參與伴學活動的學生可能面臨一定的外部壓力。因此，需要制定系統(tǒng)完善的伴學制度，明確具體組織實施流程，厘清各參與主體的責任與權利，保障各自的不同訴求和切身利益，充分調(diào)動相關主體參與的積極性和主動性，確保伴學效果。

（三）構建智慧伴學大數(shù)據(jù)平臺

為打破時空限制，確保同伴學習、合作學習、導生制能夠得到全面、系統(tǒng)、深入的實施，基于人工智能、大數(shù)據(jù)等前沿信息技術，設計并開發(fā)了智慧伴學大數(shù)據(jù)平臺。該平臺實現(xiàn)了伴學組織的信息化、伴學過程的數(shù)字化和伴學管理的智慧化。智慧伴學大數(shù)據(jù)平臺主要包括伴學管理、信息感知、資源組織和分析應用等模塊。伴學管理模塊主要負責管理伴學過程中涉及的教師、導生、學習小組成員等主體；信息感知模塊主要負責記錄學生的日常學習情況、導生的指導記錄、同伴間的交流情況以及小組任務完成情況；資源組織模塊主要負責各類教學資源的數(shù)字化，并構建知識圖譜；分析應用模塊則基于平臺數(shù)據(jù)提供個性化學習路徑推薦、學業(yè)評估與預警、學生畫像構建以及智能問答等應用服務。

（四）教育知識圖譜賦能智慧伴學

為解決傳統(tǒng)教學模式中存在的知識點孤立、學生學習主動性不強以及知識綜合應用能力較差等問題，針對數(shù)字化教材、教學大綱、教案、講義等資源，構建了教育知識圖譜。對知識點進行系統(tǒng)化梳理和網(wǎng)絡化呈現(xiàn)，并以知識點為核心，實現(xiàn)了同一課程及不同課程之間知識點的互聯(lián)。基于教育知識圖譜，可以有效改變傳統(tǒng)的順序教學模式，實現(xiàn)知識點的網(wǎng)絡化、立體化教學。這能夠使學生全面了解知識點體系的整體架構，真正做到學有所用，從而有效激發(fā)學生的學習興趣，提升學習效果。同時，基于教育知識圖譜，結合學生學習現(xiàn)狀和學習習慣，可以為學生推薦個性化的學習資源和學習路徑，實現(xiàn)精準化教學。此外，還可以生成學生學情畫像，教師和導生可以依據(jù)學生學情畫像全面、深入地了解學生學習情況，并根據(jù)學生實際情況適時調(diào)整指導策略，提高指導質(zhì)量。

（五）加強智慧伴學效果評價

充分挖掘智慧伴學大數(shù)據(jù)平臺所積累的豐富數(shù)據(jù)資源，設計科學、合理的智慧伴學評價指標體系。開展數(shù)據(jù)驅動的智慧伴學效果評價，對任課教師、高年級導生和參與學生等不同主體進行分類評價，全面深入地了解教師和導生的指導情況，以及學生的學習行為和學習效果。制定評價結果反饋與運用制度，形成“實施—評價—反饋—改善—再實施”的閉環(huán)機制，不斷完善伴學過程，提高伴學效果。

智慧伴學機制是應對目前計算機類專業(yè)教學所面臨諸多挑戰(zhàn)的重要途徑，對于提升計算機類專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量具有顯著效果。而教育知識圖譜能夠進一步促進智慧伴學機制的順利實施。但未來仍有若干關鍵問題有待進一步研究：一是如何將同伴學習、合作學習、導生制等全面系統(tǒng)地融入智慧伴學平臺，實現(xiàn)線上與線下有機融合的混合式伴學模式。二是針對海量、多源、異構的教學資源，如何加強多模態(tài)教育知識圖譜的構建，提高教育知識圖譜的建設質(zhì)量。三是充分挖掘智慧伴學平臺積累的數(shù)據(jù)資源和分析學生學習足跡，強化數(shù)據(jù)分析能力，創(chuàng)新數(shù)據(jù)分析應用，從而進一步推動教學質(zhì)量提升。

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責編：應 圖

基金項目：2021年度河南省高等教育教學改革研究與實踐項目“基于學科知識圖譜的智慧教學資源建設與應用研究”（編號：2021SJGLX502）；國家級一流本科專業(yè)建設點“計算機科學與技術”

作者簡介：馬友忠（1981— ），男，洛陽師范學院信息技術學院教授，研究方向為大數(shù)據(jù)管理與分析、教育大數(shù)據(jù)。