基于知识图谱的新型教材建设与应用路径探索

2023-09-09刘超黄荣怀王宏宇

中国大学教学 2023年8期

刘超　黄荣怀　王宏宇

摘要：教材是教育教学的关键要素，也是落实立德树人根本任务的基本载体。党的二十大明确提出“加强教材建设和管理”“推进教育数字化”，对教材工作和教育数字化作出总体部署。高等教育承担着全面提高人才自主培养质量的重要使命，加强教材工作特别是推动数字教材建设和管理探索，对于优化高等教育体系、提高育人质量、建设教育强国具有重要的价值和意义。基于此背景，本文梳理了国内外新型教材推广政策与实践，尝试厘清“基于知识图谱的新型教材”的概念内涵、体系特征及价值意义，旨在探索其未来发展方向与路径。

关键词：教育数字化战略行动；知识图谱；教育知识图谱；新型教材；教材出版

刘超，高等教育出版社党委书记、社长；黄荣怀，北京师范大学智慧学习研究院院长，教授；王宏宇，重点领域教学资源建设项目管理办公室主任。

在党的二十大报告中，首次把教育、科技、人才进行“三位一体”统筹安排、一体部署，并放在论述“高质量发展是全面建设社会主义现代化国家的首要任务”之后的突出位置。这一部署极具战略意义和深远影响。“尺寸课本、国之大者”，党的二十大报告首次提出“加强教材建设和管理”，表明了教材建设国家事权的重要属性，凸显了教材工作在党和国家事业发展全局中的重要地位。“十四五”开局提出的“教育新基建”规划和“新兴领域教材研究与实践项目”研究课题，标志着中国教育信息化发展进入了新发展阶段，这个新阶段的主要任务是利用互联网提供的表征、数据采集与分析，以及知识编排、组织等新型工具，对人类既有知识的再一次系统地搜集、整理和重新组织、编排，为智能社会打造认知基础设施。教育部关于战略性新兴领域“十四五”高等教育教材体系建设的工作部署中特别提到，鼓励合理应用数字技术，探索数字教材等新形态教材建设。

建设中国特色高质量教材体系必须适应教育数字化的要求，创新教材内容呈现形式、传播渠道和服务模式，实现教材资源的有效聚集和高效转换，提高教材服务教育数字化背景下教学改革的能力[1]。作为教育出版的国家队、主力军，高等教育出版社坚持积极探索教育出版在内容建设、业态创新等方面的新路径，以高质量出版助推教育高质量发展，助力高校教学改革和教育强国建设。

随着“教育数字化战略行动”的不断推进，国家智慧教育公共服务平台正式上线运行，教育智能化的应用场景日益丰富。知识图谱作为认知智能的关键技术，在教育信息化走向教育智能化阶段的重要基础作用愈发凸显。通过梳理国内外新型教材推广政策与实践，分析知识图谱应用于新型教材的典型特征，有助于厘清“基于知识图谱的新型教材”的概念内涵及价值意义。

一、基于知识图谱的新型教材建设研究

1．国内外新型教材发展现状

（1）国外新型教材推广政策与实践。目前，我国新型教材发展仍处于起步阶段，而以美国、韩国为代表的发达国家已然将发展新型教材纳入了国家教育发展规划，在新型教材理念、推广政策与实践经验上展现出领先优势[2]。从中也可以发现，政府仍是数字教材发展与应用的主要推动者。

在教育信息化和全美第三次課程改革的大背景之下，美国的中小学新型教材建设以数字教科书和在线课程为抓手，致力于创建以学生为中心的数字学习环境，为学生的学习和实践搭建“脚手架”[3]。2001年成立的国家教育技术董事协会（State Education Technology Directors Association，SETDA），是代表美国各州和地区教育技术和数字学习领导者的主要非营利会员协会，旨在通过广泛的宣传和教育计划，协助各州及地区通过技术政策和实践改善教育。SETDA于2012年至2019年发布了5份关于美国数字教科书发展的报告。美国教育部与联邦通信委员会于2012年成立“数字教材协作小组”，为各州、学区和学校发展数字教材提供指导。该小组于同年发布《数字教科书战略集》（Digital Textbook Playbook），被视为美国数字教科书的发展蓝图，旨在帮助K–12学校教育工作者实现向丰富、互动性和个性化的数字学习环境过渡。培生（Pearson）、麦格劳—希尔（McGraw-Hill）、学乐（Scholastic）、霍顿·米夫林·哈考特（HMH）等K–12领域主要教育出版商，以及苹果、微软、三星、戴尔、AT&T 等硬件设备和信息技术商均参与了《数字教科书战略集》的编制过程。美国教育部于2018年开始施行的开放教材试点计划（Open Textbooks Pilot Program，OTP）是一项美国联邦政府拨款计划，支持符合条件的高等教育机构创建新的开放式教科书，并扩大开放式教科书在学位授予计划课程中的使用。例如其支持大型开放教科书项目LibreTexts，旨在将LibreTexts项目扩展为下一代开放教育资源教科书的建设、传播和使用中心，创建一套开放的在线教科书和其他教学材料，用于本科和职业技术教育课程。

韩国数字教科书是在国家数字教育发展战略的整体规划之下发展起来的，致力于以数字化教育提升国家的教育竞争力[4]。作为最早发展数字教科书的国家之一，从2007年起，韩国政府和教育部即开始推行“数字教科书计划”，至今已有十多年，在新型教材开发应用方面积累了较为丰富的经验[5]。数字教科书的商业化预示着学校教育迎来革命性的变革，韩国政府将该推广计划分为六大领域十六项任务开展（见表1）[5]。

2011年10月，韩国教育部发布“促进智慧教育的行动计划（2011—2015）”（Action Plan on Promoting SMART Education），主要任务之一是开发和应用数字教科书。2013年5月起实施“数字教科书的开发和激活计划”（Development and Activation Plan of Digital Textbooks），目标是开发完整的数字教科书系统，建立将课堂和家庭学习相联系的数字教科书体系。2014年7月，韩国教育部提出强制性“中小学软件教育推广计划”（Promotion Plan of Elementary and Secondary Software Education）计划，对所有中小学学生进行系统的公共软件教育，以促进数字教科书的有效应用与推广[5]。根据韩国教育研究信息院2021年发布的教育白皮书，从2014年到2021年，韩国全境使用数字教科书的中小学由163所增长到10755所[6]。在十多年的发展过程中，韩国数字教科书的开发应用逐渐理性，不再试图用数字教科书完全取代传统纸质教科书，而是注重两者优势的结合与互补，融入更多数字技术，以丰富数字教科书的类型和功能[5]。

（2）国内新型教材发展现状。早在2003年，高等教育出版社便率先开展新形态教材建设。新形态教材（亦称融媒体教材）是以纸介质教材为核心，与数字化资源相配合的新型教材产品，前身是由书配盘演化而来的书配学习卡模式，通过网络平台为师生提供数字资源增值服务。2011年到2021年教育部先后出台多项政策推进新形态教材建设。如2011年《教育部关于“十二五”普通高等教育本科教材建设的若干意见》中就提出要“推进数字化教材建设”，2018年教育部《教育课程教材改革与质量标准工作专项资金管理办法》中明确“包括开展数字教材等新形态教材的研发、试点和推广等”；2023年教育部《关于组织开展战略性新兴领域“十四五”高等教育教材体系建设工作的通知》，再次提出了“鼓励合理应用数字技术，探索数字教材等新形态教材建设”[7]。随着互联网和移动互联网的快速发展以及二维码的普及，新形态教材也不断升级换代。通过纸介质教材和数字化资源的一体化设计，新形态教材可以充分发挥纸介质教材体系完整、数字化资源呈现多样和服务个性化的特点，形成相互配合、相互支撑的知识体系，大大提高教材的适用性和服务课程教学的能力[7]。从应用上来看，当前高等教育数字教材尚未形成规模化应用，只在部分学校、专业或课程开展应用尝试。整体来看，目前我国数字教材的发展分为五个层次：第一个层次是阅读浏览，能够准确完整地把教学内容呈现出来供用户阅览；第二个层次是实现个体的人机交互，如划线、批注、添加书签等；第三个层次是支持与其他学习者互动，实现社会化学习，如分享笔记、弹幕、评论等；第四个层次是建立师生关系，实现基于数字教材的基础性师生互动，如教师查看学生的阅读数据，画重点或批注给学生看，布置阅读任务，查看学生答题情况等；第五个层次是将数字教材与各类在线学习平台或工具相结合，支持各教学活动的开展，如作业、考试等，与其他教学资源、学习工具、智能学习技术深度融合，形成课程教学整体解决方案[7]。

虽然高等教育数字教材早有探索，但一直未能形成规模和成熟的市场。近年因新冠疫情，在教育数字化战略、出版融合发展战略等相关政策推动下，数字教材有望迎来快速发展期[7]。国内大型出版社多通过技术合作，围绕纸质教材进行配套数字资源建设，并进行了新形态教材、智能化数字教材解决方案的初步探索。而基于知识图谱的新型教材建设还处于探索和实践阶段，研究主要集中在知识图谱的构建和教材内容的整合方面。今后如何将知识图谱和新型教材应用于教学实践中，还需要克服知识图谱教学应用分析等技术难题，并加强知识图谱与其他教学工具的整合和优化。

2．新型教材基本概念与特征

（1）知识图谱与教育知识图谱。知识图谱是一种大规模语义网络，富含概念、实体及各种语义关系，是目前发展最快、应用最广的一种知识表达和处理工具，并利用可视化的图谱形象地展示特定领域知识的核心结构、发展历史、前沿领域以及整体知识架构。

教育知识图谱基于课程标准与学科教學规律进行构建，并充分考虑学习知识点的先后顺序、同一个知识点在不同学习阶段的不同要求等。教育知识图谱作为教育知识的载体，是教育知识引擎的核心部件，旨在将碎片式、分散的教学资源与相关实体关联成一张巨大的语义网络，进而为教育的智能化应用提供知识支撑。教育知识图谱是教育智能的重要构成，是实现教育智能化的关键基础设施和重要技术工具，是实现各种智能化教育信息服务的基础[8]。

（2）基于知识图谱的新型教材。在新兴领域新形态教材建设与运用的研究中，定义基于知识图谱的新型教材主要是采用文字、图画、色彩、音频、视频、VR、游戏等“多模态”表达元素，以知识图谱为底层逻辑通过网状结构及超链接等编排和组织内容，内容动态及时更新，并通过“服务器＋PC、iPad、智能手机、电子书等设备”的方式发布使用的一种新型教学内容生产、发布和使用的出版形态，是一种结合知识图谱技术的创新教材形式。

它具有以下特征：一是从内容表征来看，新型教材内容表达采用文字、图画、色彩、音频、视频、VR、游戏等“多模态”表达符号。二是从知识组织方式来看，基于知识图谱的新型教材通过算法抽取现有学科中的概念、事实、故事、理论等实体和关系，形成各学科知识融合、联通的知识图谱组织体系，打通了现有教材、课程、学科的边界。利用知识图谱的对齐、关联和合并的运算，能够有效推动新文科、新工科、新医科、新农科，以及交叉学科等知识交叉、融合的发展。三是从教学应用的角度看，基于知识图谱的新型教材资源可支持教师对知识资源的重新混编（remix），可与各类通用在线教学平台无缝衔接，支持教师、学生的多场景、混合式教学，支持基于大数据的学习行为分析和精准教学支持服务。

与其他数字教材对比，上文所提的新型教材在概念上增加了知识图谱的表述，在内容上增加了教材的知识图谱资源，在技术实现上提供了对教材知识图谱编辑工具的支撑。基于知识图谱的新型教材将具备自我生长能力，是动态变化且可反馈的，从而更好地衔接迅速更新的前沿科技，教材建设模式将发生重大变化[9]。

3．新型教材建设的价值与意义

500多年前，旧的百科全书知识体系按照“拉米斯教材范式”，被切片、分类，装进了一本本的印刷教科书中，推动了16世纪的教育改革，也逐步演化形成了今天的专业分工、知识分类体系。未来基于知识图谱的新型教材，将采用实体、关系的图语义网络，建立相互融通的知识体系。利用知识图谱的对齐、关联和合并的运算，还可以支持学科的交叉、融合的变革。这是培养具有交叉学科视野和问题解决能力的互联网时代新型人才、推动学科发展、支持教育高质量发展的一项基础枢纽工程[10]。

（1）从学习者学习角度。基于知识图谱的新型教材将从以下几个方面提高学习者学习效能：一是增强学习的科学性和实践性。知识图谱可以整合各种知识形式，构建更全面、实用的知识体系，也可以通过丰富的实践案例和场景，帮助学生更加深入地理解和应用知识，进而增强学习的科学性。二是促进个性化学习，提高学习兴趣和效率。知识图谱可以根据学生的兴趣、能力和需求，提供个性化的知识信息和学习资源，帮助学生更加高效地学习和掌握知识。三是发展跨学科能力和思维方式。学生借助知识图谱掌握各学科更体系化的知识，这种跨学科的思维方式和能力不仅可以帮助学生更好地适应未来的职业发展和工作环境，还可以帮助他们更好地理解和解决现实世界中的各种问题和挑战。

在未来的教育教学实践中，我们应该更加注重学生的跨学科能力和思维方式的培养，通过不断探索和应用新型教学模式和工具，为学生提供更加丰富、多彩的学习体验和发展机会。

（2）从教师教学角度。基于知识图谱的新型教材为教师提供了更多的教学工具和参考，能够帮助教师实现个性化教学、知识梳理和整合、高效课堂管理以及反馈与评估，可以有效地促进教师的“对话性”教学和“深刻性”教学[11]。具体来看：一是优化教辅工具，提升课堂参与效果。借助知识图谱，教师更好地组织教学内容和展示知识结构，设计课堂活动和讨论，提升学生参与性。同时，教师可以利用知识图谱来设计课程大纲、整理教学资源、制定教学计划等，提高教学效果。二是助力靶向教学，实现因材施教。知识图谱可以根据学生的学习情况和兴趣特点进行个性化的知识推荐和学习路径规划。教师可以根据学生的知识图谱分析结果，针对性地教学，满足学生多样化教学需求。三是优化知识结构，促进教学资源共享。知识图谱可以将教学内容进行分类、组织和关联，形成一个全面、系统的知识结构，同时整合、共享各种教学资源，有效提高教学资源利用率。

基于知识图谱的新型教材建设是一种具有前瞻性和实用性的教学模式，可以为教育教学带来全新的变革和发展，为未来校内/校外、正式/非正式、随时随地、终身学习提供一个知识学习的支撑框架。数字化教材与知识图谱的结合，可以变革传统的教与学方式，支持构建智能时代的新型教育模式，为学习者提供高学习体验、高内容适配性和高教学效率的教育体系。

二、基于知识图谱的新型教材建设与出版流程再造

1．知识图谱技术对于教材出版的变革影响

有学者提出，出版是将信息进行系统化重组和价值挖掘后封装为可传播和可利用的知识产品的活动，几千年文明史，就是信息传播载体及信息封装方式变革的历史[12]。信息时代人们一直致力于创建一套知识生产的“数字‘新工具”，知识图谱作为知识工程在大数据时代的代表性技术，作为目前发展最快、应用最广的一种知识表达和处理工具脱颖而出。以知识图谱为核心的人工智能技术推动出版实践创新主要表现为对内推进业务流程再造以及对外提供智能化产品服务两个方面，其在出版领域的应用将从根本上改变出版选题策划、内容编辑、制作环节、生产发布和变现等一系列流程[13]。基于知识图谱建设新型教材，教材的出版模式将发生重大变化。

知识图谱可以帮助教材出版机构实现知识的跨界整合和协同创新。知识图谱通过连接和整合不同领域的知识点、概念和关系，形成跨学科的知识网络，助力教材出版机构与其他机构、企业和个人进行知识共享和协同创新，推动教材内容的不断更新和优化。教材内容可以依托知识图谱网状互联，可以接入多种类型媒体资源、在线数字资源，甚至进入虚拟空间。引入AI大模型应用，教材将具备自我生长能力，从而更好地衔接迅速更新的前沿科技。

基于知识图谱的新型教材出版流程可以实现知识产权的保护。通过对知识图谱的建模和维护，出版社可以更好地管理和保护教材知识产权，防止知识产权的侵权和盗用。

知识图谱可以为教材出版机构提供数据分析和决策支持服务。通过挖掘和分析知识图谱中的数据，获取教材内容的热点和痛点，为教材的更新和改进提供指导和建议。同时，知识图谱还可以为教材出版机构提供市场预测和竞争情报，帮助其更好地把握市场动态和用户需求。

2．新型教材出版流程再造

知识图谱为教材的内容组织、呈现方式、阅读服务方式、更新迭代提供了全新的解决方案，基于知识图谱的新型教材出版流程是一个高效、智能的出版过程。在知识图谱技术的支持下，可以更好地管理、处理和呈现教材资源，为学生提供更加全面、系统、精准的学习体验，能够更好地满足学生和教师的需求，促进知识的传播和应用。在教材出版流程再造方面，可以利用知识图谱实现出版机构与高校之間的深度协作，优化教材的设计和制作流程，提高教材建设的质量和效率。

（1）图谱构建。基于权威专家构建的知识体系框架，利用人工智能技术和自然语言处理技术对已有的知识进行自动分类和归纳，或者利用深度学习技术对知识图谱中的实体和关系进行更深入的分析和抽象。

（2）教材设计。根据学生学习需求和高校教学目标，合理设计教材的结构和内容，以确保教材内容的科学性和实用性。依据现代教学理论发挥智能技术优势，适应学生学习特征，基于知识图谱的内容组织方式，动态组织学习资源，支持学生开展高质量学习。

（3）教材制作和应用。利用知识图谱实现对文档、音视频、VR及数据集等多模态内容的关系表示，帮助出版社更好地将多媒体内容与教材内容相结合。同时，利用知识图谱实现教材与开放资源的拓展链接，甚至可以接入AI大模型服务，帮助学习者更加便捷地使用教材，提高教材的实用性、可交互性。

（4）动态更新与数据分析。利用自动化的知识图谱分析技术及AI大模型，可智能搜索匹配动态资源，实现知识图谱迭代拓展，实时更新前沿拓展知识。利用阅读端分析学习者学习行为，及时了解对教材的反馈和评价，进一步完善教材的内容和结构，同时支持面向高校的学情分析服务。

总之，通过将知识图谱与高校教材出版相结合，可以提高教材内容的质量，实现知识的跨界整合和协同创新，提高知识的传播和推广效果，为学习者提供更好的学习和服务体验。推动建设基于知识图谱的新型数字教材，有望突破传统教材存在的出版周期长、内容更新迟缓、难以与最新行业动态和科研成果紧密结合的困局，构建智能化教材建设新范式，打造一批具有前瞻性的新型教材应用示范项目。未来，随着知识图谱技术的不断发展和完善，其在高校教材出版业务中的创新应用和教学服务具有广阔的前景和价值。

三、未来研究与发展方向

在新型教材建设基础上，基于知识图谱的应用还可以延伸到其他教学领域，如资源库建设、课程建设、在线学习、虚拟实验室建设、未来学习中心建设等。伴随着人工智能技术的不断发展，大语言模型的训练和应用成为常态，未来知识图谱技术将会更加强大和智能化，帮助人们更好地获取和利用知识。基于知识图谱的智能化教学将会是教育领域的新发展方向。

1．当前问题和挑战

首先，知识图谱的应用需要一定的技术和资源支持。当前知识图谱技术的应用还处于初步阶段，面临各种问题与挑战，如在数据存储及质量、算法模型、算力等方面都需要投入大量的资金和高端技术人才支持，需要不断加强知识图谱技术的研究和应用，不断提高其数据质量和准确性。

其次，新型教材在建设与应用中需要不断提高数据安全性。通过持续改进新型教材相关的编辑与服务平台系统，采取相应的安全措施保护用户的隐私信息，保护作者团队的著作权权益，以防止相关信息和内容数据被滥用或被非法获取。

最后，需要不断提升新型教材的监管力度。新型教材因其自身开放性、交互性、媒体类型多样性等原因，其监管面临着新挑战。为推进新型教材建设与应用，就需要依据新型教材标准研发相应的教材管理工具，以信息化手段和工具对教材内容、学习应用、在线交互、资源生成等进行监管，提高教材的质量和可管理性，落实国家对教材管理要求，推动新型教材研究、设计和开发从实验室向教室及市场的推广普及。

2．未来发展方向

第一，需要进一步完善知识图谱的技术标准和规范，明确知识图谱的构建、迭代和使用规则，确保知识图谱应用的有效性和可信度。同时，开发支持新型教材发展的知识图谱工具、教材編辑工具，以及教材发布和应用的支撑平台。此外，需制定国家新型教材标准，以支持新型教材的互操作和重用。

第二，需要加强对知识图谱在教育领域的应用和创新，深入挖掘知识图谱在教育领域的应用潜力。

第三，需要建立健全基于教育知识图谱的应用评价体系，探索知识图谱在教育评价、学科建设和教育资源共享等方面的应用评价标准，保证知识图谱的技术应用和推广具有科学性和可持续性。

第四，应该建立教材创新专项，支持开展“沉浸式教材”、游戏化教材的创新探索，推动VR、元宇宙技术与教材的融合发展。

教育领域是一个复杂和庞大的系统，知识图谱已经且必将在个性化教与学、智能教育系统、教学评估与反馈、课程推荐和学科构建以及教育资源管理等方面为教育提供更智能化、个性化和高效的支持和服务。希望“新兴领域新形态教材研究与运用——基于知识图谱的新型教材建设研究与实践”的成果呈现，能够为我国高校教材体系建设提供新的路径与方向，也能为相关出版机构的转型发展提供理论参考。

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