新型智能系统开发与应用的校本教研工作模式与实践——以基于知识图谱的高中生物学智适应学习系统开发与应用为例

闫白洋

(上海市行知中学， 上海 201999)

2022年1月，国务院印发《“十四五”数字经济发展规划》，提出深入推进智慧教育，构建高质量教育支持体系；同月，全国教育工作会议提出实施国家教育数字化战略行动，教育数字化转型开启新征程。随着人工智能的发展，新型智能系统的开发与应用成为当前教育数字化改革的热点，仅仅通过教育专家和技术公司开发新型智能系统多会出现“愿景和逻辑很美好，但是无法常态化地进入课堂”“为了使用智能系统而使用”等问题。学校一线教师最了解课堂的逻辑和需求，通过学校教研工作开发新型智能系统将成为重要路径。

现有的教研工作模式多是对已有教学过程的优化或课程资源的开发，局限于学校内部教师的教研。而新型智能系统的开发与应用是一个“从无到有”的工作，也是一个涉及学科教育专家、教育信息化技术专家和技术公司等很复杂的工程，通过现有的教研工作模式是很难实现的。基于此，我校从2018年开始，在上海市“双名工程”高峰计划引领下，通过校本教研工作进行了“基于知识图谱的高中生物学智适应学习系统的开发与实践”，在此过程中，逐渐形成了多维度跨部门联合的新型智能系统开发与应用的教研工作模式，为教育数字化转型的校本教研工作提供参考。

一、设计与推展

“基于知识图谱的高中生物学智适应学习系统的开发与实践”主要包括知识图谱的构建、资源图谱的开发、智适应学习系统(APP)开发、人机协同教学新范式的实践等重要组成(如图1)。整个工程很复杂，既涉及学科课程标准、学科知识结构、学科核心素养、课程资源建设、测评核心素养试题开发技术、系统的课堂教学模式等学科类教学内容，也涉及个性化学习模型、学习画像模型、教学策略模型等大教育理念，还涉及系统的开发、系统的迭代等教育信息化技术。整个建设过程均主要由教师教研工作完成，在智适应学习系统(APP)开发中，还需要教育信息技术专家和技术公司系统协助完成。基于此，我们在进行研发和实践中设计了“知行融合，多维并进”的教研工作模式(如图2)。包括机制建设、工作组群、理论研究、调研教师需求、合作研讨、技术对接、资源开发、资源审核、系统场景设计、资源上传、系统试用、教学范式、成果辐射等。

(一)教研机制与制度为新型智能系统的开发与实践提供保障

基于知识图谱的生物学智适应学习系统的校本开发与实践比较复杂，为促进项目的推进从学校教研层面建设了一系列的机制和制度。在基于知识图谱的高中生物学智适应学习系统校本开发与应用中，组建了校长为组长，教导处、教科室、信息处、年级组和生物学教研组为核心成员的队伍，并制定了部门在项目实施中的职能，保障校本教研顺利开展，形成教学、教研一体化的组织格局[1]。教科室主要参与理论研究和调查需求，生物学教研组主要负责资源开发和课堂实践，教导处和年级组主要负责系统实践的具体安排，信息处主要负责系统教学的设备和网络环境的保障。除此之外，学校还建立了和上海市电化教育馆、上海市师资培训中心、华东师范大学、上海市教育考试院“请进来，走出去”的校本培训机制，确保知识图谱和智适应学习系统的开发有专家指导。因为系统的开发需要和技术公司合作，还需要和技术公司建立工作机制，每2周的项目例会制度，学校将智慧校园的部分经费专款用于基于知识图谱的智适应学习系统的开发与实践。这些机制和制度为项目的实施提供了坚强的保障。

图1 基于知识图谱的高中生物学智适应学习系统的研究框架

图2 新型智能系统开发与实践的教研工作模式

(二)课题引领、全员培训等教研方式促进理论研究与师生需求的调研

基于知识图谱的智适应学习系统的开发和实践是创新性的项目，可供参考的范例基本没有，“无中生有”的教研工作比“有中生优”的教研工作更有难度，需要教师的创新和研究。基于此，基于课题引领的教研工作方式显得更加重要[2]。学校联合外校教师组建了多个课题研究团队，例如，教师和学生学习需求调研团队、生物学核心素养测评技术课题研究团队、教学策略和学习策略模型课题研究团队、知识图谱建立课题研究团队、资源建设课题研究团队、智适应学习系统实践应用研究团队等，通过课题研究引领项目的推进。各团队相互独立又相互协作，并将研究成果及时向其他组教师进行讲座和交流，促进教研组成员共同成长。除此之外，学校还邀请上海市学科名师，上海市电化教育馆、华东师范大学、上海师范大学、复旦大学等学科专家、技术专家、课标专家对团队成员进行全员培训。例如，在针对“生物学核心素养如何融入知识图谱中”的问题，通过多个团队成员的头脑风暴，以及专家的指导，最后形成共识，将生物学核心素养作为知识图谱的一个“实体”，并在资源建设中引导学生的主动建构，形成融入生物学核心素养的资源建设模式。

(三)协同教研、骨干示范等教研方式促进知识图谱与资源建设

知识图谱对于一线教师比较陌生，为促进教研团队对知识图谱的学习，学校购买了关于知识图谱的书籍，例如复旦大学肖仰华教授编著的《知识图谱概念与技术》、王昊奋等所著作的《知识图谱方法、实践与应用》，并邀请复旦大学肖仰华教授、清华大学许斌教授对研究团队成员讲座和指导。并要求骨干教师以“光合作用”章节进行基于“知识树”—“知识图谱”的方式构建知识图谱，上交给专家进行审核和修改，不断完善形成“光合作用”章节的知识图谱，然后通过骨干示范的形式展示知识图谱的建设过程和技巧，进行全员培训，引领团队成员建立其他章节的知识图谱。知识图谱完成后，需要对知识图谱中每一个末级“实体”配制文字、微课、试题、动画、图片等资源。因为涉及的必修模块末级“实体”数量多达300多个，需要对每个末级“实体”建设资源，仅仅依靠学校教研组是很难实现的，基于此，学校教研工作从学校扩展到其他学校的协同教研方式。通过“双名工程”高峰计划、攻关计划和种子计划建立了200多名的教师团队。整个实施过程是，学校教科室和教研组共同开发了资源的开发模式，并经过多次研讨和修改，制作一个“小样”，尤其是微课的设计模式是“情境任务”—“概念建构”—“问题解决”，然后对200多名教师进行培训，并分配任务进行资源建设。在此过程中，会进行资源案例的分享和交流，通过资源的建设提高教师对新课程理念、学科概念和学科核心素养的理解，尤其是测评学生生物学核心素养的试题开发对教师的专业能力和教学能力有了很大的提高。

(四)多元合作、网络教研提升系统开发的效率

基于知识图谱的智适应学习系统(APP)的开发仅仅依靠学校教研是很难实现的，只能学校教研团队、技术公司、信息技术专家等进行多元合作。学校教研团队提供知识图谱、资源、教师和学生所需的教学场景等，技术公司负责系统(APP)的开发、测试、迭代等。信息技术专家负责理论支撑、知识路径推送逻辑开发、技术指导等。学校教研建立了三方合作的机制和方式，以及例会制度、评价制度等。同时发挥协同教研的优势，将团队成员分为“综合组”“资源审核组”“资源打标组”“应用试点实践组”等，技术公司按照教研团队的建议建立了基于知识图谱的智适应学习系统，并上传相关的资源，教研团队对资源进行打标和修正，并进行系统的试运营，不断地完善系统的功能。设计的系统学习场景包括：一是课堂教学场景，基本逻辑是教师备课—智能分组—推送个性化资源—学生课堂自主学习—教师课堂精准提问和教学—解决问题—推送个性化作业，主要探索课堂教学“1加1”的路径。二是新课教学场景，基本逻辑是选择章节—推送学习资源—试题推送—学习结果诊断—推送个性化学习资源—……。产生数据可以利于教师精准备课，主要探索课前备课“1帮1”的路径。三是自主复习场景，基本逻辑是选择章节—设计目标—试题推送—学习结果诊断—个性化推送学习资源—个性化试题推送—学习结果诊断—……，主要探索课后辅导“1对1”的路径。

(五)课堂联动、实证教研等教研方式探索新型智能系统的应用

在学校教导处、信息处和年级组的安排下，智适应学习系统进行了多轮的试点实践，在试点实践中进行骨干示范、课堂联动的教研方式，进行同课同构、同课异构、异课同构等，并进行案例分享[3]。建立了智适应学习系统嵌入课堂教学的四种教学形态，以及每个教学形态的流程(如图3)。开设了多次市区级公开课进行研讨。利用实验班和对照班进行实证教研，论证基于知识图谱的智适应学习系统在发展学生生物学核心素养中的价值。提炼总结了智适应学习系统嵌入课堂的优势，包括：实现了学习路径的可视化，为精准教学提供依据；实现了学生诊断精准化，提高课堂教学效率；首次通过KPM算法为学生课外自主而个性化学习进行智能推送。

图3 指向素养提升的智适应学习系统教学模式

(六)案例分享、宣传讲座等教研方式探索新型智能系统的推广

基于知识图谱的智适应学习系统在上海市和全国进行了有效推广。推广的教研方式包括，将基于智适应学习系统的课例和案例以共享资源包的形式进行推广，在上海市师资培训中心的要求下录制了培训视频课程，正在出版《基于高中生物学知识图谱的智适应学习试验与推广》专著。2020年，智适应学习系统的讲座入选暑期中小幼校(园)长、书记的培训微课程，并在上海市、江苏省、湖南省、黑龙江省、安徽省、江西省等地50多所学校进行宣传和推广。

二、结论与启示

通过构建基于知识图谱的智适应学习系统，形成了新型智能系统开发与应用的教研工作模式，在新型智能系统开发和应用的不同阶段分别实施了课题引领、全员培训、成果分享、骨干示范、案例分享、协同教研、多元合作、网络教研、分层联动、实证教研等。不仅为新型智能系统开发提供教研模式参考，新的项目的研究也可以借鉴此教研模式，在教研实践中提炼了学校教研工作的八个启示。

一是要充分发挥专业引领作用。新型智能系统的开发与实践对于一线教师来说比较陌生，因此，专业引领是教研工作得以深化发展的重要支撑，要重视技术专家、教育专家、骨干教师的参与，要在提供解决问题的思路、指引完成任务的途径和方法等方面使他们发挥必要的引领和指导作用。他们的参与能够拓宽讨论的广度和深度，带给老师全新的视角。

二是要坚持教育科研介入的原则。新型智能系统的开发与实践中充满着挑战，需要教研工作以课题或项目的形式进行长期、深入的研究，通过课题或项目引领，围绕具体主题持续开展教研工作，解决新型智能系统开发中的一系列问题。每一阶段的研究成果都要进行展示，进行总结提炼，形成经验或者发现新的问题。

三是要立足教师和学生的现实需求。新型智能系统要真正能够具有生命力，在教师的教和学生的学中长期常态化发挥作用，教研工作必须立足教师和学生的真需求，要激发教师的参与热情，重视教师全员深入参与，依托学科骨干教师队伍，充分发挥优秀教师在教研工作中的示范引领作用。

四是要关注新时期教育改革的方向。新型智能系统要紧跟新时期教育改革的方向，教研工作也追求学科育人价值，关注课程整合和学生核心素养，将全面育人、全程意识作为教研工作和新型智能系统开发的指导思想。同时，也要重视学生主体的建构、实践，学生的个性化学习等[4]。

五是广泛使用协同教研的方式。新型智能系统的开发与实践仅仅依靠一所学校的教研工作难以实现，不仅需要学校与学校之间跨区域的协同、学校与名师团队的协同，还需要学校与电化教育馆、考试院、技术公司之间的协同。协同教研的优势在于拓展了智能系统开发与实践有关问题的研讨空间和优秀经验的分享空间[5]。也能使得智能系统在更大范围内得以分享和传播。

六是通过网络教研打破时空局限。在新型智能系统开发与实践的教研工作中，要充分利用互联网的巨大优势，积极探索更为方便、快捷的网络化教研方式，尤其是新冠疫情的影响下，更要拓展网络教研的宽度和深度。不仅要探索纯粹的网络教研，更要探索线上线下混合式教研。

七是尝试基于教学诊断的“实证教研”。新型智能系统使用的效果，必须要有证据的支持。而数据作为诊断的依据，利用大数据为教研工作提供清晰、明确的依据。一方面，新型智能系统也要建立基于学生个性特征、学业水平分析、学习过程记录、学科能力的数据库以及学习路径数据库。数据也因此成为教学设计及教学评估的重要依据。另一方面在新型智能系统效果评价时，要使用实证研究方法，用规范的研究方法在教育教学现场开展研究，在真实的教学情境中收集数据，得出翔实可靠的研究结论，以便为教研工作提供确切的依据[6]。

八是加强学校教研工作的制度保障。新型智能系统开发与实践涉及学校的教研实践、网络终端的保障、不同学校的协同教研、学校与其他部门的协同等，比其他教研工作更为复杂，因此，建立完善的教研制度和机制有着重要价值。需要健全学校教研工作组织制度、激励制度、与他校协同制度、与公司合作机制、健全教研系统内部交流学习与成果推广机制等。

新型智能系统开发与应用的教研工作模式及启示进行了辐射和推广，上海市宝山区由教育学院牵头，利用此教研工作模式进行数学、化学、物理等初高中各门学科知识图谱的建设和智适应学习系统的开发，取得了很好的成效。▲