基于最近发展区的学科知识图谱构建及大单元设计研究.pdf
《基于最近发展区的学科知识图谱构建及大单元设计研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于最近发展区的学科知识图谱构建及大单元设计研究.pdf(9页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、远程叔育杂志学习新论基于最近发展区的学科知识图谱构建及大单元设计研究基于最近发展区的学科知识图谱构建及大单元设计研究郑志宏马涛孔新梅方海光摘要智能时代知识组织方式正发生深刻变革,学科教学函需明确如何基于结构化知识进行整体性的大单元设计,以实现学科核心素养培养。研究提出基于最近发展区理论的学科知识发展框架,以学科知识图谱构建过程为研究对象,分析并实施学科知识图谱技术路线,提炼大单元特征提取与质量评估方法,构建出面向大单元设计的信息科技学科知识图谱。大单元设计是一体化设计思想,研究依据学科知识图谱、大单元设计关键要素和基本步骤,提出了自底向上、自顶向下两类大单元设计模式。案例实践研究表明:学科知识
2、图谱可降低实践类知识的教学设计难度,弥补新任教师在学情分析等方面的不足,为大单元教学的设计与实施提供依据,促进结构化知识在教学的深度应用。关键词 最近发展区;学科知识图谱;大单元设计;信息科技中图分类号 G420DO110.15881/33-1304/g4.2024.02.007一、引言知识图谱是一种结构化的语义知识库,在医疗、购物、教育等多个领域得到了发展与广泛应用,为大规模知识互联和语义检索奠定了知识与技术基础。2017年,我国将知识图谱作为人工智能发展的关键共性技术,提出建设大规模多源、跨学科、跨媒体、跨数据类型的知识图谱(国务院,2 0 1 7)。同年,教育部等六部门(2 0 1 7)
3、提出利用知识图谱技术建设数字资源新型基础设施,通过协同教育资源智能标注,优化教育资源供给服务。在知识图谱的教育应用层面,有研究认可知识图谱在资源智能推荐和学习干预方面的作用(方海光,等,2 0 2 2 a)。从通用技术到垂直领域应用,知识图谱对教育的影响已深人到育人层面。结构化是知识图谱的显著特征,我国教育部门正通过跨学科的人才培养方案和评价方式,推动知识内容结构化。义务教育课程方案(2 0 2 2 年版)(以下简称课程方案提出“突出课程内容结构化,各学科设计跨学科主题学习”,对内容结构化提出明确要求(教育部,2 0 2 2)。普通高中学校办学质量评价指南将加强跨学科综合性教学作为优化教学评基
4、金项目:本文系2 0 2 1 年北京市社会科学基金规划项目“教育机器人支持的人机协同新型“双师课堂”研究”(项目编号:21JYB011)2 0 2 2 年度北京市数字教育研究课题重点课题“双师课堂新型教学模式体系研究”建设(项目编号:BDEC2022080001)的阶段性研究成果。作者简介:郑志宏(通讯作者),硕士,北京市海淀区教育科学研究院教育科研教师(北京1 0 0 0 8 3);马涛,特级教师,北京市海淀区教育科学研究院教育网络与数据中心主任(北京1 0 0 0 8 3);孔新梅,首都师范大学教育学院在读博士研究生(北京1 0 0 0 48;方海光,博士,首都师范大学教育学院博士生导师、
5、教授(北京1 0 0 0 48)。引用信息:郑志宏,马涛,孔新梅,方海光,2 0 2 4.基于最近发展区的学科知识图谱构建及大单元设计研究.远程教育杂志,42(2):56-64.56文献标识码 A文章编号 1 6 7 2-0 0 0 8(2 0 2 4)0 2-0 0 56-0 9价方式的评价指标(教育部,2 0 2 1)。人才培养方案和评价方式的变化表明,培养学习者综合性学习能力和核心素养是新时代的育人价值导向,应通过知识图谱技术建立跨学科的知识网络,重构教育资源关系和学习方式,以结构化知识内容促进学习者综合问题解决能力和核心素养发展。如何推动知识内容结构化和跨学科教学,已成为学界研究的焦点
6、问题。在知识层面,崔允(2019a)提出新课标更重视知识点的联结及其应用,因此教学设计应从单个知识或单元设计转变为大单元设计。在素养层面,龙安邦等(2 0 2 3)主张通过大结构意义联通和大单元教学设计等方法,将素养元素与逻辑内蕴于教学内容。知识和素养层面的学界观点,共同指向以结构化知识进行整体性设计的教学理念,即大单元教学。最近发展区是指“学生实际发展水平与潜在发展水平之间的距离”(Vygotsky,1987),这为根据学情构建结构化知识、确定大单元教学起点和教学设计提供理论依据。本研究在最近发展区理论视域下构建面向大单元教学的信息科技学科知识图谱,探索如何基于学科知识图谱进行内容结构化的大
7、单元设计,进而为学科知识图谱发展JOURNAL OFDISTANCE EDUCATIONViews on Learning和大单元教学研究提供理论和实践参考。二、理论基础与研究现状(一)“最近发展区 的可视化发展“最近发展区 是维果斯基(LevVygotsky)社会文化理论的核心观点,表现为学生实际发展水平与潜在发展水平之间的距离。其中,实际发展水平是指当下解决问题的水平;潜在发展水平是指在别人帮助下能够达到的水平。布鲁纳(Jerome SeymourBruner)根据最近发展区的观点,提出支架式教学策略(王光荣,2 0 0 4)。这一策略以脚手架作为最近发展区的具象比喻,帮助教师更好实施教学
8、设计。随着图示技术的发展,思维导图等图式工具成为帮助学生整合新知和原有认知结构,建立新的图式和意义建构的脚手架图式工具(陈敏,2 0 0 5)。教师也尝试使用统计方法对支架式教学的学生发展水平进行测评(盖淑华,2 0 1 0)。在学情诊断和精准教学方面,有研究通过收集、诊断和计算学习者对学科概念的理解数据,用数据和图像呈现学习者不同最近发展区的能力表现和认知状态(刘宁,等,2 0 2 0)。目前,基于最近发展区理念的教育研究更倾向学情、知识、学习过程、学习结果的数据化和可视化,旨在实现精准的学情判断和教学干预。知识和资源的数字化,将建立教学内容与学习过程的统一数字基础,有利于基于最近发展区的教
9、学实施和学生个性化成长。(二从“知识图谱”到“学科知识图谱”知识图谱(Knowledge Graph,KG)概念源于知识工程与专家系统的研究(Bakker,1987),是一种以符号形式描述概念及其相互关系的结构化语义库(刘娇,等,2 0 1 6)。从图式视角而言,知识图谱是一个由节点和边组成的网络,其中节点表示现实世界的实体或概念,实体间的关系形成节点间的边。知识图谱在教育领域衍生出教育知识图谱、学科知识图谱等概念,用于表示学科教育中教学元素、实体关系等形成的语义网络。目前学界并未就学科知识图谱构建的逻辑起点达成共识,但形成基于知识、基于资源、基于问题和基于素养四类观点。(1)基于知识的观点将
10、学科知识作为基本单元,建立知识点、知识关系的意义映射,认为此类方法能够在提供课程目标表征、检查课程内在一致性等方面指导教学(杨开城,2 0 1 1)。(2)基于资源的观点认为学科知识图谱的节点由知识点或与知识点相关的教学资源所组成,可根据学习者需求推荐多模态资源(李艳燕,等,2 0 1 9)。(3)基于问题的观点认为课本知识属于间接经验,学生需通过解决问题或完成任务等条件才能习得知识内容(范佳荣,等,2 0 2 2),并提出以知识簇为节点,问题为线索,能力培养为目标,构建知识、方法与问题有序组织的图式(钟绍春,等,2020)。(4)基于素养的观点将知识单元与学科核心素养水平建立联系,进行层次划
11、分,提出学科知识图谱是学生学科认知结构化、语义化和可视化表征的图网络(董晓晓,等,2 0 2 3)。综合上述观点,本研究认为学科知识图谱是以育人价值导向和学科问题的逻辑关系为核心,连接学科知识、学科活动、领域教育资源、学生学科认知的多维图式结构。(三)整体性导向的“大单元设计”“大单元设计”即大单元教学设计,其理念源于单元教学,蕴含系统论、布鲁姆“掌握学习”格式塔学派“整体论”等教育思想(徐鹏,2 0 2 1)。相近概念有大观念教学、大任务教学。学科核心素养提出以后,我国单元教学的形式发生较大变革,由此引发了学界对大单元设计的理论与实践探索。关于大单元设计是什么,当前学界有两个视角。一是从大单
12、元教学与核心素养的关系进行定义。把大单元教学理解为学习事件、完整的学习故事或微课程,是一个指向素养的、相对独立的、体现完整教学过程的课程细胞(崔允,2 0 1 9 b);有学者认为语文大单元设计是以语文学科大观念为统领、核心素养为取向的单元整体教学(李卫东,2 0 1 9)。二是从大单元教学的整体性特征进行定义。认为大单元设计需要对单元内容实现要素整合、内容关联和教学统整(荣维东,2 0 2 1);或认为大单元教学应通过精选、开发与重组相关学习内容,还原学习的真实性和完整性(孟亦萍,2 0 1 9)。本研究强调大单元设计的整体性,认为大单元是主题、活动、知识三个层面的内在统一。三、基于最近发展
13、区的学科知识发展框架维果斯基的最近发展区理论(Vygotsky,1987)指出了学生实际发展水平和潜在发展水平,将二者中间距离作为学生的最近发展区。费拉拉(Ferrara)等根据这一理论,提出为特定领域的动态学习档案设计分级提示(Vygotsky,1 999),尝试使用分层的理念对学情和知识进行管理。并认为最近发展区仅代表一段时间内学生发展,其下限是实际发展水平,上限是潜在发展水平,对于超过这一范围的发展水平并57远程叔育杂志学习新论基于最近发展区的学科知识图谱构建及大单元设计研究未作说明。在进人最近发展区之前,学生当前水平可认为是当前发展区,当前发展区包含学生已掌握的知识。因此该区域的能力起
14、点是零水平,代表低于零水平的学习对能力发展没有作用。当学生超越最近发展区,应该有一个区域代表学生未来发展水平的范围,即未来发展区。其上限可定义为未来发展水平,代表长期学习的学习预期。四个能力水平标准和三个发展区域共同划分学生的长期发展水平。最近发展区理论揭示了教学、学习与发展间的辩证关系,三者关系被清晰表达为三位一体的过程(麻彦坤,2 0 0 4)。在课堂教学中,教学活动是课堂教学工作的基本形式,学生学习是课堂学习的主要内容,要实现教学、学习与发展间的辩证统一,可将学科知识作为承载发展需要的内容载体。学科知识是学科教学活动的知识起点并伴随教与学的全部过程,教师根据知识设计教学活动,学生通过参与
15、活动实现知识内化。在学科知识层,学科知识可分为当前知识、最近知识和预测知识。当前知识是学生当前知识水平的映射;最近知识代表学生最易习得或对当前水平提升有帮助的知识;预测知识代表知识水平超过最近发展区后适合学习的知识。在教学活动层,根据学科知识对教学活动的支撑作用,教学活动层可分为教学情境、教学活动和教学路径。在当前发展区,教学活动设计主要围绕学生已习得的知识,此阶段的活动设计主要营造易于学习的资源情境。在最近发展区,学生深度参与教学活动并产生能力水平的变化。在未来发展区,学科知识支持对学生未来发展进行教学路径规划。在学生学习层,根据学生对学科知识内化情况,可分为浅层学习、深度学习和预测学习。在
16、当前发展区,学生习得的知识和教学活动并不能实现能力水平的质性变化,属于浅层学习。在最近发展区,学生真正实现知识内化和能力水平获得发展,实现了深度学习。在未来发展区,学生根据学习兴趣、天赋特长等因素决定学习内容和教学活动,属于预测学习。本研究构建了基于最近发展区的学科知识发展框架,描述学科知识、教学活动、学生学习与学生发展水平划分,共同形成学科知识在教与学不同层面的微观分析,如图1 所示。四、基于最近发展区的学科知识图谱构建基于最近发展区的学科知识发展框架将学科知识作为教学活动和学生学习的基础条件。作为面向58未来发展水平未来发展区预测学习一教学路径预测知识潜在发展水平最近知识当前知识1教学活动
17、1最近发展区深度学习实际发展水平图1 基于最近发展区的学科知识发展框架学科的知识库,学科知识图谱的构建应建立在课程标准、学科教学与学习规律基础上。在教学活动层面,学科知识图谱发挥主题知识聚合、单元知识融合的作用。为此,在构建学科知识图谱时,应将大单元的教学需要作为大单元特征提取和质量评估的必要条件。在学生学习层面,学科知识图谱是学生检验当前发展水平的知识依据,其知识元实体和知识关系应客观、正确映射学生真实水平,以便于学生正确指向未来发展区。(一)学科知识图谱构建的技术路线学科知识图谱的构建,是指以教材、课标等教育数据源为基础构建知识本体、实体和关系,以网络资源、平台资源等开放数据源的数据进行知
18、识实体填充、标签提取和特征融合,面向知识逻辑和学科要求,进行质量评估与关系约束的学科知识网络表征过程。本研究基于学科知识发展框架构建了信息科技学科知识图谱,其构建过程的技术路线,如图2 所示。(1)数据源分类:数据源分为教育数据源和开放数据源。教育数据源是国家或地方审核通过的教育资源,如课标、国家或地方教材等,具有明确的育人导向价值;开放数据源包括网络资源、开放平台中的教育资源等。教育数据源是学科知识图谱构建的数据基础。课标数据是本体构建和实体学习的最根本数据源。网络资源、开放平台等开放数据源是学科知识图谱构建的数据拓展,通过填充实体、建立知识节点关系,为补全知识图谱提供资源。(2)学科本体构
19、建:知识专家对术语提取、属性建模和本体关系学习的规则进行定义,通过参考其他学科知识图谱建立术语、本体关系和基本属性列表,根据信息科技学科知识要求改进并完善本体构建。教学活动层学科知识屋教学情境我层学习当前发展区零水平一JOURNAL OFDISTANCE EDUCATIONViews on Learning本体构建教育数据源规则定义教材、课标等育术语提取人价值导向数据属性建模本体关系学习育人知识导向延申开放数据源网络资源、平台资源等非开放数据(3)学科实体学习:通过无监督的数据统计及有监督学习提取知识元名称,听取学科特级教师和一线经验教师的建议对提取结果进行修正,为知识元赋予基础属性建立知识元
20、实体。通过半自动化标注的方式,将知识元实体回归课程标准,寻找实体关系并建立实体链接,实体关系包括从属、类别等。在此过程中基于学科本体完成实体填充。(4)多模态特征数据提取:根据学科知识图谱的本体要求和知识内涵差异,将数据源的结构化、半结构化、无结构化数据提取类别标签、属性标签、认知水平标签等多模态特征,为新标签建立标签引用路径并作为知识元基础属性。(5)多模态特征标签融合:标签系统是学科知识图谱完成知识元属性构建的核心模块,通过标签获取与重定向建立知识属性与知识元相互联系。面对同名不同义的标签,进行同名实体消歧,完成标签重命名。面对同义不同名标签,进行共指实体消解,完成标签统一命名。(6)图谱
21、质量评估:基于学科知识图谱需求建立数据统计与人工相结合的评估方法,根据评估结果对评估维度、评估指标和约束规则进行送代,检查学科知识图谱的完整性、准确性和简洁度。约束规则决定了学科知识图谱能够有效应用于教学过程,其规则制定与经验教师的协同共识有关。(7)大单元设计应用方面:学科知识图谱可基于知识元相互关系形成的知识基本联系,结合大单元实体学习实体抽取实体链接实体填充多模态特征数据多模态特征标签提取融合标签获取与重定类别标签向属性标签同名实体消歧认知水平标签共指实体消解图2 学科知识图谱构建的技术路线教育需要的约束规则来完成知识聚合,最终形成知识结构清晰、单元递进关系明确的学科知识单元。(二)学科
22、知识图谱的大单元特征提取方法学科知识图谱的大单元特征提取就是根据学科教学规律,对学科知识元实体进行聚类分析,决定可进行大单元教学设计的知识范围及知识主题,并将特征提取结果以标签形式存储于知识元实体的标签生成过程。可采用三种方法进行大单元特征提取,如图3所示。特征规则大单元特征提取任务(1)基于规则的特征提取方法。规则可转化为特征的数据统计算法。根据课程标准,信息科技学科为不同年级设置了九个内容模块和六条逻辑主线,共同构成大单元特征提取的规则框架。基于内容模块规则和逻辑主线规则进行算法遍历,得到内容与逻辑主线交织的知识元集合,最后可为遍历生成的知识元集合赋予不同大单元特征。该方法可为具有内在联系
23、的大单元知识快速赋予单元知识联系标签,但不能自动提取融合知识集合的大单元主题。(2)基于德尔菲法的特征提取方法。根据教师对59质量评估评估方法评估维度评估指标约束规则学科知识图谱大单元约束规则知识聚合学科知识单元知识元关系建立学科知识元统计方法混合式方法学科教师德尔菲法图3大单元特征提取方法相互关系大单元标签系统特征远程叔育杂志学习新论基于最近发展区的学科知识图谱构建及大单元设计研究大单元教学的理解,组织多轮的大单元特征意见征集以达成经验共识。该方法需要经验教师主导教学设计,在大单元主题设计方面具有显著优势,能充分发挥经验教师的作用,但形成共识的过程耗时较长,特征提取效率较低。(3)混合式特征
24、提取方法。该方法融合基于规则的方法和德尔菲法的特征提取优势。首先基于规则对大单元特征进行提取,然后由多位经验教师对提取结果进行筛选,并为筛选后的知识元集合分别设计大单元学习主题,最后将提取结果输入到知识元实体的标签系统中。该方法具有很好的查询召回率和较高的单元主题构建效率。本研究即选择该方法进行大单元特征提取。(三)面向大单元的学科知识图谱质量评估目前,学界对知识图谱的研究集中在知识抽取、存储、融合、推理等方面,从业务需求出发的知识图谱质量评估的研究较少,现有研究常与传统数据质量维度(语义完整性、语义简洁性、语义准确性)相结合评估知识图谱数据质量(刘洋,等,2 0 2 1)。为此,本研究通过整
25、理大单元教学的应用需求,结合学科知识图谱知识元实体和实体关系的内容结构,确定了面向大单元的学科知识图谱质量评估指标,应用于信息科技学科知识图谱的数据质量评价,如表1所示。表1学科知识图谱质量评估对象、维度和指标评估对象评估维度完整性实体准确性简洁性完整性关系准确性简洁性面向大单元的学科知识图谱质量评估,数据质量与教学应用价值都应是评估的关键内容。在评价过程中,很难通过单一维度指标来反映知识图谱质量。为此,本研究采取数据统计的定量评估与单元教学的定性评估相结合的方式。在数据层面,为30 4个知识元实体和157 7 对实体关系的数据质量进行定量统计,从完整性、准确性和简洁性三个维度,匹配主题约束规
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 最近 发展区 学科 知识 图谱 构建 单元 设计 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。