教育领域知识图谱研究新趋向：学科教学图谱

周东岱 董晓晓 顾恒年

[摘   要] 人工智能时代背景下，构建面向不同层次教育的知识图谱是教育数字化转型需要优先开展的基础性工作。针对当前教育领域知识图谱研究关注视角单一、难以全面刻画教学系统内在逻辑的困境，文章采用理论分析方法，基于教与学过程中的逻辑转化提出了学科教学图谱的概念，解析了其深层内涵，建构了学科知识、学科学习活动、学生学科认知发展三视图融合的结构模型。文章阐释了学科教学图谱“冷启动—热启动”双阶段构建与演化过程，并给出了实践案例，以期为教育领域知识图谱创新发展和教育数字化转型提供支撑与参考。

[关键词] 知识图谱； 教育领域知识图谱； 学科教学图谱； 教学逻辑； 教育数字化转型

[中图分类号] G434            [文献标志码] A

[作者简介] 周东岱（1970—），男，吉林长春人。教授，博士，主要从事智能教育、教育领域知识图谱研究。E-mail：ddzhou@nenu.edu.cn。

一、引   言

2023年2月，教育部部长怀进鹏在世界数字教育大会上指出，数字化转型是全世界教育转型的重要载体和方向[1]。教育数字化转型中不变的是教育的社会使命，而需要改革或转变的是利用数字技术重构学习方式、教育方式和优化教育治理与决策。教学信息论认为，教学系统是教学要素之间、教学主客体之间的网络关系系统，教学系统的发展取决于网络关系系统中的逻辑转化，即教学逻辑[2]。全面、精准揭示教学系统的内在逻辑，是有效实现教育数字化转型的基础和前提。

知识图谱作为一种语义网络，凭借其语义化、结构化的典型特征，已经成为人工智能时代各行各业数字化转型的关键技术之一[3]。应用知识图谱技术赋能教育教学被认为是教育数字化转型的基础性、前提性工作[4-7]。近年来，相继涌现出教育知识图谱、学科知识图谱、学习认知图谱、学习路网（以下统称教育领域知识图谱）等概念与实践。但是既有的教育领域知识图谱研究视角单一，尚不能实现教与学过程中各种教学要素之间的网络关系与内在逻辑的全面刻画。

因此，本研究在总结梳理教育领域知识图谱既有研究与实然困境的基础上，剖析其应然定位，提出研究新趋向“学科教学图谱”的概念与内涵，进而建构学科教学图谱的结构模型、阐明其构建和演化过程，以期为教育领域知识图谱创新发展和教育数字化转型提供支撑与参考。

二、教育领域知识图谱的研究缘起、研究现状与实然困境分析

（一）教育领域知识图谱的研究缘起

从教学系统论出发，教学是师生基于学习材料合理设计并积极参与学习活动的育人过程，兼具静态结构和动态过程的双重属性。尽管学界对于教学系统的认识存在多种“要素说”[8-14]，但从教学系统的静态结构与动态过程两方面综合来看，教学系统除了教师、学生、教学内容等结构要素外，还包括教学目标、教学活动、教学评价等过程要素。全面、精准地刻画教学系统各种要素间的静态结构和动态过程逻辑，对于变革教与学方式、提高教学质量和效益具有重要意义与价值。2012年，Google公司提出知识图谱（Knowledge Graph）概念和相关技术，旨在将碎片化的数据组织成系统化的网络，进而提供知识服务[3]。知识图谱不仅能够实现领域知识的语义化、结构化组织与表示，而且能够进一步支撑实现领域逻辑的刻画、状态分析与诊断、推理预测等，因而已成为人工智能时代各行各业数字化转型的关键技术之一。立足教育领域，学界专家认为，在人工智能时代背景下，构建面向不同层次教育的知识图谱是教育人工智能需要优先开展的基础性、前提性工作，能够为教育数字化转型提供重要支持[4-7]。

（二）教育领域知识图谱的研究现状

为全面总结既有教育领域知识图谱的研究现状，本研究从类别、研究者、概念、所表征内容四个方面对既有的代表性研究成果进行系统梳理与分析，将既有研究归纳为学科知识组织类、学习过程设计类和学生认知發展类三种类型，见表1。

学科知识组织类研究主要关注学科知识、学习资源等教学原材料的结构化组织与表征，研究者通常将其称之为学科知识图谱。例如，李艳燕等提出围绕学科知识或与知识相关的学习（教学）资源，构建学科知识图谱并在智慧教育中开展应用[15]。学习过程设计类研究主要关注教与学过程中的个性化学习资源序列或学习行为序列。例如：钟绍春等从助力智慧课堂角度出发，提出了学习路网的概念[18]。孔维梁等综合考虑学生特征、学习资源和学习活动因素构建了学习路径图谱[19]。学生认知发展类研究主要关注学生个体的认知发展，运用知识图谱表征学生的认知结构。例如，万海鹏等在学科知识图谱基础上，基于学生对知识点掌握程度和知识间关联关系理解程度的评价构建学习认知图谱[21-22]。

（三）教育领域知识图谱的实然困境分析

既有教育领域知识图谱研究现状的梳理结果隐含了当前存在的三方面实然困境。第一，学科知识组织类别的图谱关注学科知识、学习资源等客观存在的学科知识的结构化组织和表示，虽然能够表征教什么、学什么的内容及结构，但是难以表征师生根据知识内容结构与性质设计适切教与学过程以及学生认知发展的动态过程逻辑。第二，学习过程设计类别的图谱虽然关注了学习行为的时序性，但是缺少对学习行为间包含、因果等复杂语义关系的考量，不仅尚不能精准表征师生根据知识内容结构与性质设计适切教与学过程，而且更难以表征学科的知识内容与结构以及学生认知发展逻辑。第三，学生认知发展类别的图谱虽然拥有学生学得怎么样的语义，但难以表征师生根据知识内容结构与性质设计适切教与学过程的动态过程逻辑。

深入分析当前教育领域知识图谱研究与实践的实然困境，其背后隐藏的深层次学术问题在于以下两点：其一，定位欠准确，概念模糊。一些既有研究把教育领域知识图谱归类为知识图谱概念及技术在教育领域的实践应用或工程项目开发，未深入地对概念的内涵与外延进行剖析与厘定，导致存在如表1所示的多种含义模糊或不一致的表述。其二，关注视角单一，系统性不够。既有研究多数从单一视角看待教育领域知识图谱，未建立多视角融合的综合性认识，难以全面覆盖并刻画教学系统各种要素的网络关系与逻辑转化。

鉴于既有教育领域知识图谱研究尚存在概念模糊、视角单一等局限和不足，尚未充分发挥出其在教育数字化转型中应然的基础性和前提性作用，构建新的理论认知已成为领域内的一项共识。

三、学科教学图谱的意蕴解析

从上述分析可知，从理论层面上提出教育领域知识图谱的新概念，进而厘清其内涵，对于系统刻画教学系统的内在逻辑、推动和支撑教育数字化转型是十分有益且非常必要的。

教学信息论认为，教学是一种逻辑的存在。朱德全等提出教学逻辑是教学系统中主客体关系的动态转换逻辑，教学系统基于主客体关系的逻辑转换生成知识逻辑、授导逻辑（原文为“教学逻辑”组块，为与教学逻辑区分，以下称之为“授导逻辑”）、学习逻辑和认知逻辑四个逻辑组块，其中，知识逻辑回答教师教什么、学生学什么的内容问题，授导逻辑和学习逻辑回答教师怎么教、学生怎么学的过程问题，认知逻辑回答学生学得怎么样的结果问题，四个逻辑相互关联、支撑，共同发力，促进教学的有序化和有效化发展[23]。

基于此，本研究对学科知识组织、学习过程设计、学生认知发展三个视角下相互孤立的教育领域知识图谱的实然定位进行统一、融合，提出学科教学图谱概念。本研究认为，学科教学图谱是系统整合观和教学逻辑观视角下知识图谱技术在学科教学中拓展应用的产物，其内涵指向对教学系统内在逻辑（知识逻辑、授导逻辑、学习逻辑以及认知逻辑）的系统刻画，并通过结构化、语义化的图网络外化表征。其中包含以下三重意蕴：

其一，强调学科教学图谱的学科性。任何一门学科作为相对独立的知识体系，都具有独特的知识、技能与方法以及思维方式，不同的学科会对学生的发展产生不同的影响，在教育教学上具有不可替代的作用和意义[24]。教育知识图谱、学习认知图谱、学习路网等概念在不同程度上都弱化了学科独特的育人功能。

其二，强调学科教学图谱的系统性。学科教学图谱从教学系统论与教学信息论出发，强调教学是一种师生基于学习材料合理设计并积极参与学习活动的育人过程，契合了教与学过程中基于师生主体的“目标—内容—活动—评价”一体化结构，全面揭示教学系统的内在逻辑，摒弃了已有教育领域知识图谱研究存在的视角单一、碎片化等积弊。

其三，强调学科教学图谱的适应性。教与学的本质是活动，应具有个体的独特性和适应性。针对不同类型的知识内容应存在与之相适应的教学策略，针对不同发展状态下的学习者的个性化特征应存在适应性的学习活动和学习资源，单纯依靠静态的学习资源或者脱离学习内容结构与性质以及学习者特征的教与学过程都难以促进有效学习的发生。

四、学科教学图谱的要素分析与结构构建

结构主义方法论认为，认识对象不是看事物的现象，而要重视其内在的整体结构。认识学科教学图谱，必定要认识它的结构，既要分析学科教学图谱的构成要素，又要阐明其如何刻画教学系统的内在逻辑。因此，本研究首先基于学科教学图谱的意蕴内涵以及教学系统的基本构成要素，映射抽取学科教学图谱关键构成要素，然后根据教学系统的内在逻辑，推演建立学科教学图谱结构。

（一）学科教学图谱的关键构成要素分析

教学系统是由教学主体（也就是教师、学生及共同体）设计的、使各种教学要素结合在一起，共同实现教学目标的活动体系，通常认为主体、目标、内容、活动和评价是教学系统的基本要素[25]。学科教学图谱本质是对教学系统内在逻辑的刻画与表征。本研究依据教学系统的基本构成要素，基于学科教学图谱的意蕴内涵以及要素确立的必要性和独立性原则，映射抽取出学科教学图谱的五个关键构成要素及其子要素，如图1所示。

1. 主体

教师和学生作为教与学实践过程中“人”的因素，既是教学的主体，也是教与学活动得以展开的物质载体。主体要素具体指代教师、学生以及共同体（生生共同體和师生共同体）。

2. 目标

教学目标是教与学活动的第一要素且应然具有统领作用，目标要素依据学科育人的总目标进行分解。在广义知识范畴下，学科知识不仅包括学科基础知识、基本技能与方法，还蕴含知识创生者所具有的态度或价值观。因此，教学目标既包括学科中基础知识、技能与方法（能力），也包括蕴含在基础知识、能力背后的态度或价值观[26]。

3. 内容

内容是教与学过程中最实质性的存在，涵盖了教什么、学什么。从知识创生出发，学科教与学内容不能简单等同于学科中抽象的概念、命题与理论，重在学科知识创生的情景、问题、过程的还原。由此，内容要素是对完成学科某一学习目标所涉及的学科知识体系以及对其中具体知识单元进行还原的学习对象（资源）的抽象。

4. 活动

教与学的本质是活动，隐喻了怎么教、怎么学。活动是学生核心素养生成的问题解决过程，包含多个相互关联的、满足不同需求的具体学习活动。由此，活动要素既是完成学科某一学习目标所包括的所有学习活动（教师教的活动和学生学的活动）的抽象，还内隐了学习活动间的关系（即活动结构）。

5. 评价

教学评价围绕目标回答学生学得怎么样的问题，即要回答学生个体在特定时间点，聚焦某一特定学科，已形成的学科基础知识、能力与态度。在广义知识范畴下，学科是学科基础知识、能力与态度一体化的知识体系。而认知结构是指学生现有知识的数量、清晰度和组织结构（知识状态和知识结构）[25]。因而，在广义知识范畴下，评价要素具体可分解为知识状态与知识结构。

（二）学科教学图谱结构构建

学科教学图谱旨在刻画教学系统的内在逻辑。为实现这一目标，不仅需要抽取出图谱的要素，还需要依据教学系统内在逻辑阐明要素间的关系，构建学科教学图谱结构。为此，本研究首先从教学信息论的教学系统内在逻辑出发，从知识逻辑、授导逻辑、学习逻辑和认知逻辑四个逻辑层面，解析出学科教学图谱五要素之间的核心关系。

知识逻辑回答教学“教什么、學什么”的问题，从来源上看，构成教学系统的知识主要是人类创生的知识，从知识创生的角度出发，学科教学内容重在学科知识创生的情景、问题、过程的还原。因此，倘若教学系统的知识逻辑中目标和内容两个要素是必不可少的且存在关联关系，那么刻画教学系统知识逻辑的学科教学图谱的目标与内容两个要素之间亦存在关联关系，而且目标与目标、内容与内容各自内部之间也存在关联关系。

授导逻辑回答教学“谁来教、怎么教”的问题，从教学交互角度出发，Moore等认为教学过程包括学习者与内容交互、学习者与教师交互、学习者与学习者交互三类交互[27]，涉及教学系统的主体、目标、内容、活动四个要素，且存在主体与目标、目标与内容、目标与活动、内容与活动、主体与内容、主体与活动、主体与主体、内容与内容、活动与活动内部之间的关联关系。因而，刻画教学系统授导逻辑的学科教学图谱的主体、目标、内容、活动要素之间也应然存在着上述九种关联关系。

学习逻辑回答教学“谁来学、怎么学”的问题，与授导逻辑相类似，从教学交互角度来分析，刻画教学系统学习逻辑的学科教学图谱的主体、目标、内容、活动要素之间，也应然存在着主体与目标、目标与内容、目标与活动、内容与活动、主体与内容、主体与活动、主体与主体、内容与内容、活动与活动的关联关系。

认知逻辑回答学生“学得怎么样”的问题，通过教与学过程性和结果性评价来获得教与学目标达成度。从评价角度来分析，涉及教学系统的主体、目标、评价三个要素，且存在主体与评价、目标与评价的关联关系。由此，刻画教学系统认知逻辑的学科教学图谱的主体、目标、评价要素之间存在着主体与评价、目标与评价的关联关系。

综合以上四个层面，学科教学图谱五要素间关系复杂，存在十多种的关联关系。基于这些核心关系来建立一个完整复杂的结构比较困难，即便勉强建立一个复杂模型，其可理解性与可视化表征的效果也不尽如人意。事实上，随着信息系统功能越来越多、规模越来越大，任何一个大型复杂信息系统结构描述都存在上述问题。为了解决这一问题，国际电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，简称IEEE）在软件密集系统体系结构描述标准P1471-2000中提出了多视图体系结构描述的概念模型，即：一个系统的结构描述可以选择一个或多个视角，包括一个或多个视图，视角的选择以体系结构描述支持的风险承担者及其关注点为依据[28]。

由此，本研究借鉴IEEE软件密集系统体系结构描述标准的思想，基于学科教学图谱的内涵、特征以及要素，构建了多视图融合的学科教学图谱结构，即“学科知识视图、学科学习活动视图、学生学科认知发展视图”三合一的学科教学图谱结构，如图2所示。

其一，关注知识逻辑刻画的学科知识视图。此视图从教师、学生两类主体的教与学需求出发，关注于回答“教什么、学什么”问题的学科知识以及与之适配学习对象（资源）的组织，并通过学科教学图谱中目标、内容两个要素以及二者之间的关联关系，刻画教学系统内在的知识逻辑。其二，关注教学过程逻辑刻画的学科学习活动视图。此视图从教师、学生、共同体三类主体的教与学需求出发，关注于回答“怎么教、怎么学”问题的教与学过程设计与分析，并通过学科教学图谱中主体、目标、内容、活动四个要素以及要素间的关联关系，刻画教学系统内在的授导逻辑和学习逻辑。其三，关注认知逻辑刻画的学生学科认知发展视图。此视图从学生主体出发，关注于回答“谁掌握了什么、掌握得怎么样”问题的教与学效果分析，并通过学科教学图谱中主体、目标、评价三个要素以及要素间的关联关系，刻画教学系统内在的认知逻辑。

在静态结构上，三个视图相互关联、彼此贯通，共同发力构成学科教学图谱的完整体系，并指向教学系统的总目标。在实现逻辑上，学科知识视图是学科教学图谱的首要构建对象，是学科学习活动视图、学生认知发展视图构建的基础；学科学习活动视图的构建在学科知识视图之后，是学生认知发展视图构建的前提；学生认知发展视图的构建则在最后，而且相对学科知识视图和学科学习活动视图来说，还具有生成性。此外，根据教学系统中学生的认知结构导致学习活动、学习活动使学生的认知结构得到发展的迭代演化关系，学科教学图谱不是一经构建生成就静止不变的，而是随着教学的进展持续动态演化。

五、学科教学图谱的构建与实践案例

依据学科教学图谱结构，学科教学图谱三个视图的构建不仅具有逻辑顺序，而且具有动态演化特性。为此，本研究以“冷启动—热启动”双阶段模型阐释学科教学图谱具体构建与演化过程，并以人教版八年级物理上册“光的反射”教学内容为例，说明学科教学图谱的具体实践。

（一）学科教学图谱“冷启动—热启动”双阶段的构建与演化模型

从学科教学图谱结构可知，其构建具有从学科知识视图到学科学习活动视图，再到学生学科认知发展视图的逻辑顺序，且具有动态演化特性。学科教学图谱的构建过程也是其应用并演化的过程。为了清晰描述这一过程，本研究借用计算机系统中的“冷启动”“热启动”概念，以“冷启动—热启动”双阶段的动态构建与演化模型阐述学科教学图谱动态构建过程，如图3所示。

1. 冷启动阶段

冷启动阶段主要指学科教学图谱在实际教学的首次构建阶段，此阶段一般只构建学科教学图谱的学科知识视图，尚未实现学科教学图谱的完整构建。在此阶段，根据国家基础教育课程标准，构建刻画学科知识及其相关学习对象（资源）的学科教学图谱的学科知识视图。然后，应用学科知识视图开展与教学目标相适配的学习活动。由于学习活动尚未结束，此阶段还不能完成学科学习活动视图和相关学生学科认知视图的构建，也不能在学习活动中应用学科学习活动视图和学生学科认知视图。

2. 热启动阶段

在冷启动阶段实现学科教学图谱的学科知识视图构建的基础上，师生应用学科知识视图开展具体学习活动之后，随即转入热启动阶段。在此阶段，根据学习活动构建学科学习活动视图，并根据阶段性学习活动的评价结果，及时生成学生学科认知发展视图，实现学科教学图谱的完整构建；并在随后的学习过程中，全面应用学科教学图谱，实现常态运行。在热启动阶段之后的教学过程中，学生的学科学习活动视图与学生学科认知视图之间存在不断迭代演化的关系，即：开展学习活动之后，不仅能够根据学生阶段性学习活动的评价结果生成学生学科认知发展视图，而且还能以其作为学科学习活动视图更新的触发条件。而后，伴随着学科学习活动视图的更新，又会基于新活动的评价结果生成新的学生学科认知发展视图，实现学生学科认知发展视图的更新，二者之间相互作用、相互影响，实现学科教学图谱的演化。

（二）学科教学图谱实践案例

本研究按照学科教学图谱“冷启动—热启动”双阶段的构建与演化模型，在深圳、大连、长春等地的多所学校进行了教学实践，下面以人教版八年级物理上册“光的反射”知识单元为例，说明学科教学图谱（如图4所示）的具体教学实践。

人教版八年级物理上册“光的反射”知识单元主要包括光沿直线传播、实像、虚像、光路可逆、光的反射定律、镜面反射、漫反射、球面镜、避免光污染等内容。围绕该单元，在学科教学图谱冷启动阶段所构建的学科知识视图的部分内容（如图4的最左层所示），图层中的不同大小的圆形节点表示单元中所涉及的学科核心素养类、亚类、样态[20]以及相适配的学习对象，节点间的边分别表示它们之间的关系，刻画了面向该单元的教学系统内在知识逻辑。

在该单元教学过程中，师生基于冷启动阶段构建的学科知识视图，开展项目式学习。依据学生项目学习过程构建的学科学习活动视图的部分内容（如图4的中间层所示），图层中不同大小的圆形节点代表了学生的学习活动、行为以及具体操作，节点间的边表示了它们之间的横向、纵向关系，刻画了面向该单元的教学系统内在教学过程逻辑。

依据该单元项目教学的过程性和结果性测试结果，生成的学生学科认知视图的部分内容（如圖4的最右层所示），图层中不同大小的圆形节点表示学生对该知识单元相关的学科核心素养类、样态的建构度[20]，圆形节点之间连线上标注的数字表示学生对学科核心素养类与样态间关系的建构度[20]，刻画了学生学科核心素养生成情况。

此外，在图4中，学科学习活动视图中节点与学科知识视图中节点间的连线表示了学习活动与学习目标、学习内容与学习活动间的适配关系，与学生认知发展视图中节点间的连线表示了学生认知结构与学习活动之间的相互依赖关系，即学生认知结构引发学习活动，学习活动使学生认知结构得到发展。

学科教学图谱常态运行之后，教师可以综合学生学科认知发展视图和学科学习活动视图，精准探析并及时发现学生的学习异常，并通过为学生个体设计适切的学习活动、推荐适切的学习资源，实现及时、精准的学习干预；学生可以综合学生学科认知视图和学科学习活动视图及时掌握自身的学习状况，并在学科知识视图的支撑下，针对学习所存在的问题自我改进或调节；学生进一步发生的学习活动及其认知结构的发展将由此后不同时态的学科教学图谱所刻画。本研究通过准实验法和访谈法等方法，验证了教学中应用学科教学图谱不仅能够提高学生的学科核心素养水平，而且能够在一定程度提升学生学习的心流体验、降低学生的认知负荷。

六、结   语

综合系统整合观和教学逻辑观的视角研究学科教学图谱及其在教与学过程中所需承担和发挥的实际角色与职能，是从根本上促进教育领域知识图谱发展的有力举措。本研究在系统梳理分析当前教育领域知识图谱在教与学实践过程中的实然困境的基础上，解析了学科教学图谱的意蕴内涵、确定了学科教学图谱构建的关键要素、构建了学科教学图谱的结构以及双阶段演化模型，给出了教学应用案例，能够为推动教育领域知识图谱创新发展以及教育数字化转型提供支撑与参考。

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A New Trend of Knowledge Graph Research in Education： Subject Teaching Graph

ZHOU Dongdai，  DONG Xiaoxiao，  GU Hengnian

（School of Information Science and Technology， Northeast Normal University， Changchun Jilin 130117）

[Abstract] Under the era of artificial intelligence， the construction of knowledge graphs for various levels of education emerges as a fundamental task that needs to be prioritized in the digital transformation of education. The researches of current knowledge graph in education generally focus on a single perspective and are difficult to comprehensively depict the inherent logic of teaching systems. Using theoretical analysis， this paper puts forward the concept of subject teaching graph based on the logical transformation in the process of teaching and learning， analyzes its deep connotation， and constructs a structural model that integrates subject knowledge， subject learning activities and students' subject cognitive development. This paper explains the dual-phrase construction and evolution process of "cold start-hot start" of the subject teaching graph， and gives practical cases， in order to provide support and reference for the innovative development of knowledge graph in education and the digital transformation of education.

[Keywords] Knowledge Graph; Knowledge Graph in Education; Subject Teaching Graph; Pedagogical Logic; Digital Transformation of Education