素養導向下學科教學生態鏈知識圖譜構建方法研究

摘要：在教育數字化轉型背景下，學科知識圖譜構建是基礎性工作。針對當前教育領域知識圖譜構建視角局限，難以全面刻畫學科深層邏輯的問題，本研究以學科核心素養為導向，構建信息科技學科“知識-技能-素養”三維融合的知識圖譜，并以“項目-活動-學習資源”支撐體系進行落地，以期推動學科核心素養的有效落地，強化學科教學生態鏈，為教育領域知識圖譜構建和教育數字化轉型提供參考。

關鍵詞：核心素養；知識圖譜；教學生態鏈；信息科技

中圖分類號：G642" " " 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）17-0139-04

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

《新一代人工智能發展規劃》將知識圖譜技術列為核心共通技術之一，倡導構建大規模、跨領域、多學科的綜合性知識圖譜[1-3]。學科知識圖譜作為知識圖譜在教育領域的應用，旨在支持學科教學設計和資源組織管理[4]，其圖結構有助于學生知識結構化[5]，是推動智慧教育發展的重要突破點。然而，傳統知識圖譜構建往往局限于知識點層面，難以體現學科核心素養的培養。為此，本研究以學科核心素養為導向，構建信息科技學科的“知識-技能-素養”融合知識圖譜，以期推動核心素養落地，強化學科教學生態鏈，為教育數字化轉型提供參考。

1 學科知識圖譜現狀分析

在圖譜建構方面，美國亞利桑那州立大學的Chun-Jen Chung等研究者使用NLP技術在網絡實驗室學習平臺上構建了一個名為CyberKG的知識圖譜，為學習者量身打造了個性化的知識圖譜，以最大限度地提高學生的學習成果，為其學習過程提供了有針對性的支持和引導[6]。S.Bhaskaran等[7]結合了學生的個人特征，運用基于語義的知識圖譜建模和協同過濾算法，打造了一款基于知識圖譜的推薦系統。該系統通過結合學生特征和知識圖譜的建模，為個性化學習提供了更智能的支持，從而協助學生根據其學習偏好找到適合自己的內容。在圖譜應用方面，亞利桑那州立大學采納了Knewton的自適應學習技術[8]，將其融入混合教學模式中，實踐結果顯示，學生的課程退出率從13%顯著降低至6%，而課程通過率則從66%上升至75%[9]。此外，Carnegie Learning平臺也在數學學習領域應用了知識圖譜技術[10]，通過該技術更深入地洞察學生的學習狀態與需求，從而為其設計個性化的學習資源和路徑。哈佛大學推出的教育博客平臺Harvard EDcast，則利用知識圖譜整合學習內容，進行個性化推薦與展示[11]，并搭建了一個促進知識交流與分享的互動平臺，加強了師生間的互動與合作。

分析發現存在以下幾個問題：1） 教育領域的知識圖譜大多僅關注知識點間的關系，且研究多集中在技術層面。2） 現有知識圖譜模式構建在目標定位、邊界或應用范圍上界定不明確，未體現學科核心素養發展的教育理念，無法滿足教育教學需求。3） 缺乏多維度的知識圖譜研究與構建，無法有效落實學科核心素養發展的教育理念。

2 素養導向下學科教學生態鏈

學科教學并非孤立存在，而是由多個相互作用的環節構成的教學生態鏈。教育的核心在于“培養什么人，為誰培養人”，學科核心素養正是對這一問題的回應，它明晰了學科教育的育人價值[12]，是教學生態鏈建設的導向和核心。核心素養作為“三維目標”的深化和升華[13-14]，需要分解成可操作的子目標體系，包括知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀[15]。

本研究借鑒三螺旋理論[16]，探討“知識”“技能”與“素養”如何在學科教學中相互作用、協同發展，并通過“資源-活動-項目”的支撐體系，促進教學生態鏈的螺旋式上升（如圖1） 。學科核心素養是學科教育的精髓和育人功能的集中體現[17-18]。然而，其抽象性和綜合性導致許多教師難以在教學實踐中有效落地。因此，本研究提出利用知識圖譜將學科核心素養具象化、可操作化[19]，為教師提供精準的教學指導，推動核心素養教育目標的落地。

3 素養導向下學科教學知識圖譜模式構建方法

本研究采用自頂向下的方法構建學科知識圖譜，并以學科核心素養為導向，構建“知識—技能—素養”融合知識圖譜。知識層以學科教材和多模態學習資源為基礎[20]；技能層以學科技能和實踐活動為核心；素養層以新課標核心素養為導向，并與實踐項目關聯。知識是基礎，技能是應用，素養是目標，三者相互支撐，共同促進學生全面發展。

3.1 素養導向下學科教學知識圖譜的結構構建

3.1.1 素養導向下學科教學知識圖譜的構建目標

學科核心素養揭示了學科育人的價值觀念，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。學科核心素養是一個復雜的抽象概念。因此，構建學科核心素養發展導向下的知識圖譜需要將總體目標有效分解成子目標。

“三維目標”即：知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀[21]。整個教學過程中，三者不可分割，相互依存。核心素養之于三維目標是既有傳承的一面更有超越的一面。因此，本知識圖譜以“知識”為基礎，“技能”為中心，“素養”為目標進行構建，而過程與方法貫穿整個教學活動，將通過“資源—活動—項目”的形式在圖譜中展現出來。情感態度價值觀作為隱性元素持續貫穿于前兩個顯性目標當中，具有內在性和非直觀性，無法在圖譜中直接體現。本研究將知識、技能、素養作為知識圖譜構建子目標，旨在強化學科教學的專業性與針對性，聚焦于學科核心素養的形成，從而為一線教師提供強有力的支持。

3.1.2 素養導向下學科教學知識圖譜結構模型

本研究構建的學科知識圖譜采用“知識-技能-素養”三層結構。知識層描述學科知識元及其關系，技能層描述學生通過練習形成的技能及其與知識層的聯系，素養層描述學生學科核心素養的發展狀況，并與知識層和技能層相互支撐，構成完整的學科核心素養體系（如圖2所示） 。

1） 知識層。知識層以學科知識元為節點，描述知識元之間的關系和在學科結構中的位置，該層是學科知識圖譜中最基礎的部分，其本質就是圍繞學科主題具體的知識網絡展示所有知識的整體結構，包括知識點的先后順序、包含與被包含等關系，為技能層和素養層提供支撐。

2） 技能層。技能層描述學生通過學習和練習形成的動作技能、心智技能和熟練技能，并結合相關活動元，支撐技能習得。活動元是指在學習過程中能夠促進學生技能形成和發展的各種活動和任務，為素養導向下的教學提供明確的方向。

3） 素養層。素養層是第三層學習圖譜，映射學生學科核心素養領域，是整個知識圖譜最具有根本性和統領性的部分。素養層是知識圖譜的核心，旨在反映學生學科核心素養的發展水平，其構建基于知識和技能的雙重支撐，強調學生的跨學科能力、批判性思維、創新能力等，體現學科性、科學性、教育性與人本性。

3.2 素養導向下學科教學知識圖譜本體構建

本研究參考七步法構建知識圖譜本體，借助本體編輯工具以人工構建的方式構建教學生態鏈知識圖譜的模式層，并以教材、新課標、多模態學習資源等為數據來源。本體構建分為知識層、技能層和素養層，并定義了包含、平行、順序等關系類型[22]。

1） 確定本體概念。本體概念的確定基于教材、新課標和多模態數據，將具有相同特性的實例抽象為概念。以初中信息科技學科為例，核心概念包括數據、算法、網絡、信息處理、信息安全、人工智能等。

2） 建立概念層級結構。概念層級結構通過兩種關系來呈現：① 子集關系：從課程、章節、知識點的視角，對學科概念進行層級劃分。② 概念關系：從知識結構角度，包括順序、平行和包含三種關系。

3） 確定概念屬性。概念屬性包括數據屬性和對象屬性。數據屬性描述知識元的特征，例如難易程度、知識描述、學段、學習目標（基于布魯姆認知目標分類法） 。對象屬性描述知識實體之間的關系，包括普通關系（如同義、兄弟、前驅后繼、包含、對立等） 和特殊關系（如因果、變換、相關） 。

3.3 總體構建思路

知識圖譜的構建方法主要分為三種：① 人工構建方法，需要依靠專家選定實體與關系，這種方法雖然準確度較高，但需要投入大量的人力和時間。② 自動化構建方法，它利用人工智能技術來構建知識圖譜，但由于缺乏人工監督，其準確性相對較低。③ 半自動化構建方法，結合了人工監督和深度學習技術。作為教學活動的核心數字化資源，學科知識圖譜是為教師和學生群體特別設計的關鍵教學輔助工具，其知識的準確性是實現高效教學輔助效果的基礎。

具體地，本研究采用了以下步驟來構建課程知識圖譜：① 數據采集與處理：對多領域的數據源進行分析、采集和清洗，確保數據完整性與準確性。② 學科本體構建：整合學科術語、概念和學習資源，以知識—資源單元為基礎架構，構建技能—活動中間層，并借助相關資源和項目來提升頂層的核心素養。通過定義概念層級、關系和約束來構建課程本體。③ 學科知識提取：從文本中提取課程知識點的實體、關系和屬性，形成知識點三元組。④ 知識整合與存儲：為了便于數據的查詢、存儲和更新，并提高可視化查詢系統的效率，將提取的知識點和關系進行整合，并存儲在數據庫中，如圖3所示。

3.4 素養導向下學科知識圖譜更新

知識圖譜的更新對保持其時效性至關重要，更新方式包括全量更新和增量更新[23]，均可通過更新模式層和數據層實現。素養導向下學科知識圖譜的更新應遵循三個原則：以學科核心素養為目標，符合教育教學發展規律，促進學科教學生態鏈的健康發展。

4 素養導向下學科教學知識圖譜模式構建案例

4.1 初中信息科技知識圖譜模式構建

依據上文提出的圖譜模式構建方法，確定了面向初中信息科技知識圖譜模式的實體類型及實體屬性，并基于Neo4j構建了初中信息科技學科體系的圖譜模式，如圖4所示。

4.2 初中信息科技知識圖譜構建示例

本研究以信息科技學科為例，使用Python和Neo4j構建和存儲學科知識圖譜。利用Python的py2neo庫進行數據讀取、節點和關系創建，并將構建的本體數據（CSV格式） 導入Neo4j圖形數據庫進行存儲和展示。選擇Neo4j的原因在于其強大的圖數據處理能力和可視化功能，能夠有效地展示知識圖譜的結構和關系。

由于學科知識圖譜構建的復雜性和龐大性，本實例以《初中信息科技七年級上冊》第一章節“互聯網”為例進行展示。首先，基于課程大綱和教材[24]，在知識層抽取“互聯網”“互聯網概念與應用”“互聯網概念”“互聯網應用”等概念，并關聯相應的學習資源（如擴展閱讀、學習工具） 。其次，在技能層，抽取學生學習后形成的技能，例如“網絡安全技能”，并關聯支撐技能習得的具體活動。最后，在素養層，以《義務教育信息科技課程標準（2022年版） 》定義的四大核心素養（信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任） 為核心節點，并關聯相應的實踐項目[25]。圖5展示了構建的初中信息科技學科知識圖譜片段，共展現出90個實體。并且，圖中不同大小的圓形代表不同層級的實體，圓形越大，層級越高。圓形之間的連線代表實體之間的關系，不同顏色區分實體類別。例如，“傳感器”是“溫度傳感器”的父節點，通過學習“溫度傳感器”學生需要掌握系統設計這一技能，從而培養學生信息意識這一核心素養。那么圖譜中的節點連接關系就應為“傳感器-溫度傳感器-系統設計-信息意識”。圖5從知識層開始構建信息科技知識圖譜，將知識點以學科-章-節-知識點的形式進行劃分，該實例展示了知識、技能、素養之間的關聯，實現了學科教學生態鏈的可視化，并支持學科核心素養的具象化和可操作化[26]。

5 結束語

本研究構建的學科教學生態鏈知識圖譜，以“知識-技能-素養”三層架構模式，實現了學科核心素養的可視化，并通過“資源-活動-項目”支撐體系增強了教學生態鏈的連貫性和穩固性，為復合型人才培養提供了路徑。后續研究將聚焦于以下幾個方面：1） 增強知識圖譜的實用性和時效性，例如開發基于知識圖譜的個性化學習推薦系統；2） 完善各個子領域圖譜的語義關聯性，例如利用知識推理技術發現隱含關系；3） 收集和整合更多不同學科的教學數據[27]，構建更全面的知識圖譜，并研究跨學科知識融合方法；4） 研究如何將教學活動和學習活動中生成的數據實時融入知識圖譜，以保持圖譜的動態更新和時效性，從而為新時代教學研究和實踐提供更精準、高效的支持。

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【通聯編輯：王 力】