知識(shí)圖譜如何賦能課堂教學(xué)評(píng)價(jià)？*——以小學(xué)階段優(yōu)質(zhì)數(shù)學(xué)課“平行與垂直”為例

宋 宇 肖 菁 湯 娜 劉冰曼 賈琛琛

知識(shí)圖譜如何賦能課堂教學(xué)評(píng)價(jià)？*——以小學(xué)階段優(yōu)質(zhì)數(shù)學(xué)課“平行與垂直”為例

宋 宇1肖 菁2[通訊作者]湯 娜2劉冰曼1賈琛琛3

（1．華南師范大學(xué) 人工智能與課堂教學(xué)交叉研究中心，廣東廣州 510631；2．華南師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東廣州 510631；3．廣州市華僑外國(guó)語(yǔ)學(xué)校，廣東廣州 510095）

課堂教學(xué)是學(xué)校教育和人才培養(yǎng)的主陣地，而課堂教學(xué)評(píng)價(jià)是影響教育教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。為了提高課堂教學(xué)評(píng)價(jià)的有效性和科學(xué)性，文章基于知識(shí)圖譜，通過(guò)文本分詞、關(guān)鍵詞抽取、知識(shí)點(diǎn)挖掘、語(yǔ)義表征、相似度計(jì)算五個(gè)環(huán)節(jié)，提煉課堂教學(xué)中的關(guān)鍵內(nèi)容并以可視化形式呈現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)之間的復(fù)雜關(guān)系，進(jìn)而通過(guò)與教學(xué)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵內(nèi)容相對(duì)照，客觀監(jiān)測(cè)真實(shí)課堂教學(xué)在多大程度上實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的教學(xué)目標(biāo)。為驗(yàn)證知識(shí)圖譜在課堂教學(xué)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用效果，本研究以小學(xué)階段優(yōu)質(zhì)數(shù)學(xué)課“平行與垂直”為例，展現(xiàn)知識(shí)圖譜賦能課堂教學(xué)評(píng)價(jià)的過(guò)程，結(jié)果顯示知識(shí)圖譜能被有效應(yīng)用于課堂教學(xué)評(píng)價(jià)。文章的研究有助于教師客觀地了解教學(xué)水平、完善教學(xué)策略，創(chuàng)建優(yōu)質(zhì)課堂，并為教師專(zhuān)業(yè)發(fā)展和教育質(zhì)量監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)支撐。

知識(shí)圖譜；課堂教學(xué)評(píng)價(jià)；關(guān)系網(wǎng)絡(luò)；語(yǔ)義匹配

課堂是學(xué)校教育的主陣地，課堂教學(xué)質(zhì)量直接關(guān)系著基礎(chǔ)教育發(fā)展和人才培養(yǎng)水平，而課堂教學(xué)評(píng)價(jià)是影響教育教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。2020年，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)《深化新時(shí)代教育評(píng)價(jià)改革總體方案》，突出強(qiáng)調(diào)評(píng)價(jià)在教育發(fā)展中的指揮棒作用，要求強(qiáng)化過(guò)程性評(píng)價(jià)，充分利用信息技術(shù)提高教育評(píng)價(jià)的科學(xué)性、專(zhuān)業(yè)性、客觀性[1]。隨著課程教學(xué)改革的不斷推進(jìn)，課程內(nèi)容更加豐富，教學(xué)交互過(guò)程更為復(fù)雜，這就對(duì)評(píng)價(jià)方法和技術(shù)提出了更高的要求。但是，傳統(tǒng)的圍繞課堂教學(xué)過(guò)程開(kāi)展的評(píng)價(jià)多依賴(lài)專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)和主觀分析，難以展開(kāi)規(guī)模化分析且難以提供科學(xué)、客觀的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。因此，如何精準(zhǔn)展現(xiàn)課堂教學(xué)過(guò)程，開(kāi)展循證式、個(gè)性化的課堂教學(xué)評(píng)價(jià)，成為了提高課堂教學(xué)質(zhì)量的重要課題。作為智能技術(shù)的重要組成部分，知識(shí)圖譜能夠以結(jié)構(gòu)化的方式描述包括概念、領(lǐng)域知識(shí)、語(yǔ)義等實(shí)體之間的關(guān)系，在學(xué)生個(gè)性化輔導(dǎo)、學(xué)科知識(shí)建構(gòu)等教育領(lǐng)域逐漸釋放其價(jià)值[2]。在開(kāi)展過(guò)程性課堂教學(xué)評(píng)價(jià)時(shí)，知識(shí)圖譜能夠以可視化的形式有效表征課堂教學(xué)過(guò)程，為每節(jié)課的教學(xué)狀況精準(zhǔn)畫(huà)像，提煉課堂教學(xué)中的關(guān)鍵內(nèi)容并展現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容之間的邏輯關(guān)系，通過(guò)與教學(xué)預(yù)期目標(biāo)相對(duì)照，有助于科學(xué)評(píng)價(jià)課堂教學(xué)水平，客觀監(jiān)測(cè)課堂教學(xué)目標(biāo)的完成情況。基于此，本研究嘗試應(yīng)用知識(shí)圖譜開(kāi)展課堂教學(xué)評(píng)價(jià)，為深入了解教學(xué)水平、提升課堂教學(xué)質(zhì)量提供客觀依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

一 相關(guān)研究

1 課堂教學(xué)評(píng)價(jià)研究

課堂教學(xué)是學(xué)校教育和人才培養(yǎng)的主陣地，提高課堂教學(xué)質(zhì)量是新時(shí)期基礎(chǔ)教育工作的重要要求[3]。而課堂教學(xué)評(píng)價(jià)是指對(duì)教學(xué)活動(dòng)的準(zhǔn)備、實(shí)施和結(jié)果進(jìn)行測(cè)量、分析、價(jià)值判斷的過(guò)程，衡量教師是否有明確的教學(xué)目標(biāo)并能否依據(jù)教學(xué)目標(biāo)安排和組織教學(xué)[4]。課堂教學(xué)評(píng)價(jià)的有效性直接關(guān)系著優(yōu)質(zhì)課堂的創(chuàng)建和教育教學(xué)質(zhì)量的提升，是教學(xué)方式的調(diào)節(jié)器和教師專(zhuān)業(yè)發(fā)展的助推器[5]。課堂教學(xué)評(píng)價(jià)分為過(guò)程性評(píng)價(jià)和終結(jié)性評(píng)價(jià)，其中，過(guò)程性評(píng)價(jià)注重教學(xué)的過(guò)程監(jiān)測(cè)，突出教師的專(zhuān)業(yè)發(fā)展和學(xué)生的成長(zhǎng)需要[6]。在過(guò)程性教學(xué)評(píng)價(jià)中，知識(shí)的講授水平處于基礎(chǔ)性和關(guān)鍵性的地位，教學(xué)評(píng)價(jià)要求教師在講解教學(xué)內(nèi)容時(shí)能夠突出重點(diǎn)，抓住關(guān)鍵，注重新舊知識(shí)的內(nèi)在聯(lián)系，體現(xiàn)知識(shí)的系統(tǒng)性和整體性[7]。以往研究主要采用傳統(tǒng)觀評(píng)課的方法對(duì)教學(xué)水平進(jìn)行過(guò)程性評(píng)價(jià)，如宋秋前等[8]采用訪談和專(zhuān)家評(píng)判的方法，從知識(shí)技能、過(guò)程方法、情感態(tài)度三方面對(duì)課堂教學(xué)進(jìn)行評(píng)價(jià)；Howe等[9]采用觀察法與人工編碼的方法，從基礎(chǔ)知識(shí)習(xí)得、高階思維培養(yǎng)等方面對(duì)教師的教學(xué)水平進(jìn)行評(píng)判。然而，僅依靠傳統(tǒng)的觀察法、質(zhì)性評(píng)價(jià)等方法容易出現(xiàn)主觀性過(guò)強(qiáng)、規(guī)模化分析能力較弱的問(wèn)題，且難以判讀教學(xué)內(nèi)容是否具備系統(tǒng)性和關(guān)聯(lián)性。

2 知識(shí)圖譜及其在教育評(píng)價(jià)的應(yīng)用

知識(shí)圖譜是一種揭示領(lǐng)域知識(shí)、概念、關(guān)鍵內(nèi)容等實(shí)體之間關(guān)系的結(jié)構(gòu)化語(yǔ)義分析方法，此方法在2003年由美國(guó)國(guó)家科學(xué)院召開(kāi)的“Mapping Knowledge Domains”主題研討會(huì)上被正式提出[10]。作為智能技術(shù)的重要分支領(lǐng)域，知識(shí)圖譜能以可視化的方式表征語(yǔ)義之間的復(fù)雜邏輯關(guān)系，系統(tǒng)展現(xiàn)學(xué)科知識(shí)體系結(jié)構(gòu)和層次關(guān)系，在揭示教學(xué)路徑生成過(guò)程和教學(xué)特征建模方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[11]。近年來(lái)，知識(shí)圖譜逐漸在教育領(lǐng)域得到重視，并主要被應(yīng)用于學(xué)科知識(shí)體系建構(gòu)、概念關(guān)系抽取、學(xué)習(xí)路徑推薦等方面。例如，范佳榮等[12]提出通過(guò)建設(shè)學(xué)科知識(shí)圖譜，可以有效表征知識(shí)建構(gòu)過(guò)程，從而促進(jìn)學(xué)生思維的發(fā)展；李振等[13]借助知識(shí)圖譜進(jìn)行知識(shí)元抽取和關(guān)系挖掘，可以診斷學(xué)習(xí)者的認(rèn)知狀態(tài)，從而為其推薦適合的學(xué)習(xí)路徑。在課堂教學(xué)評(píng)價(jià)方面，知識(shí)圖譜能夠呈現(xiàn)課堂教學(xué)內(nèi)容、知識(shí)建構(gòu)過(guò)程和問(wèn)題探究過(guò)程，為開(kāi)展課堂教學(xué)評(píng)價(jià)提供了重要的手段。例如，如崔京菁等[14]以翻轉(zhuǎn)課堂中的小學(xué)古詩(shī)詞教學(xué)為例，借助知識(shí)圖譜有效呈現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，展現(xiàn)個(gè)體與群體知識(shí)建構(gòu)過(guò)程，為改進(jìn)教學(xué)提供了策略支持。

通過(guò)梳理前人的研究成果，可以發(fā)現(xiàn)：課堂教學(xué)評(píng)價(jià)以質(zhì)性分析和傳統(tǒng)量化統(tǒng)計(jì)分析為主要的研究方法，新型課堂教學(xué)中的教學(xué)內(nèi)容更為豐富、多元，知識(shí)建構(gòu)過(guò)程也更為復(fù)雜，亟需更新評(píng)價(jià)技術(shù)，為教師提供更為精準(zhǔn)、客觀的診斷反饋結(jié)果。目前，知識(shí)圖譜較少被應(yīng)用于課堂教學(xué)評(píng)價(jià)，且相關(guān)分析結(jié)果仍依賴(lài)專(zhuān)家進(jìn)行解讀，故其價(jià)值潛力有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。為此，本研究采用知識(shí)圖譜對(duì)課堂教學(xué)過(guò)程中產(chǎn)生的話語(yǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行語(yǔ)義抽取，提煉課堂教學(xué)中的關(guān)鍵內(nèi)容并構(gòu)建其關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而通過(guò)與教學(xué)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵內(nèi)容相對(duì)照，來(lái)科學(xué)判定課堂教學(xué)在多大程度上完成了既定的教學(xué)目標(biāo)，以期更加科學(xué)、精準(zhǔn)地開(kāi)展課堂教學(xué)評(píng)價(jià)。

二 知識(shí)圖譜賦能課堂教學(xué)評(píng)價(jià)的方法

本研究提出的知識(shí)圖譜賦能課堂教學(xué)評(píng)價(jià)的方法主要包括三個(gè)部分：第一部分為知識(shí)圖譜的實(shí)體構(gòu)建，旨在對(duì)課堂教學(xué)過(guò)程進(jìn)行解構(gòu)，從而提煉課堂教學(xué)中的關(guān)鍵內(nèi)容、知識(shí)點(diǎn)，包括文本分詞、關(guān)鍵詞抽取和知識(shí)點(diǎn)挖掘三個(gè)環(huán)節(jié)；第二部分為知識(shí)圖譜的關(guān)系構(gòu)建，旨在呈現(xiàn)課堂教學(xué)內(nèi)容之間的復(fù)雜關(guān)系、建構(gòu)知識(shí)關(guān)系網(wǎng)，包括語(yǔ)義表征和語(yǔ)義相似度計(jì)算兩個(gè)環(huán)節(jié)；第三部分為教學(xué)內(nèi)容完成度監(jiān)測(cè)，通過(guò)采用語(yǔ)義匹配方法測(cè)算真實(shí)課堂教學(xué)過(guò)程在多大程度上覆蓋了教學(xué)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵內(nèi)容，從而為評(píng)價(jià)課堂教學(xué)水平提供客觀依據(jù)。

1 知識(shí)圖譜的實(shí)體構(gòu)建

（1）文本分詞

文本分詞是知識(shí)圖譜構(gòu)建的基礎(chǔ)。為了提高分詞的準(zhǔn)確性，本研究使用基于BERT（Bidirectional Encoder Representations from Transformers）模型、雙向門(mén)控循環(huán)單元與條件隨機(jī)場(chǎng)相結(jié)合的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)課堂教學(xué)的轉(zhuǎn)錄文本進(jìn)行詞法分析。其中，BERT模型能夠根據(jù)字粒度并結(jié)合上下文信息進(jìn)行通用語(yǔ)義的表征學(xué)習(xí)，在用自然語(yǔ)言理解相關(guān)任務(wù)方面表現(xiàn)優(yōu)異；門(mén)控循環(huán)單元是循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種變體，擅長(zhǎng)對(duì)全局結(jié)構(gòu)進(jìn)行特征學(xué)習(xí)；而條件隨機(jī)場(chǎng)是一種用來(lái)標(biāo)記和切分序列化數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)模型，是自然語(yǔ)言處理領(lǐng)域用于序列標(biāo)注的一種經(jīng)典模型。文本分詞的實(shí)施過(guò)程如下：首先，將課堂教學(xué)轉(zhuǎn)錄文本輸入BERT模型，通過(guò)多層堆疊的雙向Transformer網(wǎng)絡(luò)，將文本轉(zhuǎn)換成語(yǔ)義向量空間上的初始特征嵌入表示；隨后，使用雙向門(mén)控循環(huán)單元對(duì)BERT模型輸出的字符向量序列進(jìn)行全局特征表示學(xué)習(xí)，得到文本的上下文語(yǔ)義特征；最后，將正向序列和反向序列上的全局語(yǔ)義向量進(jìn)行拼接、融合，之后輸入到條件隨機(jī)場(chǎng)進(jìn)行特征解碼，得到包含字符、詞性、詞邊界、實(shí)體類(lèi)別在內(nèi)的序列標(biāo)注輸出信息，經(jīng)轉(zhuǎn)換后得到文本的分詞結(jié)果。

（2）關(guān)鍵詞抽取

關(guān)鍵詞抽取是在課堂教學(xué)轉(zhuǎn)錄文本分詞結(jié)果的基礎(chǔ)上，首先對(duì)課堂教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)的停用詞進(jìn)行過(guò)濾，只保留指定詞性的詞語(yǔ)。隨后，結(jié)合詞頻統(tǒng)計(jì)特征，使用TextRank算法對(duì)內(nèi)容文本中的關(guān)鍵詞進(jìn)行抽取。TextRank是一種經(jīng)典的基于圖的排序算法，被廣泛用于關(guān)鍵詞抽取和文本摘要，其基本原理是通過(guò)固定大小的滑動(dòng)窗口在詞序列上構(gòu)建中心詞與相鄰詞的無(wú)向圖，同時(shí)根據(jù)詞之間的共現(xiàn)信息構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，并迭代計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)詞節(jié)點(diǎn)的權(quán)重，再根據(jù)權(quán)重結(jié)果排序得到關(guān)鍵詞。最后，基于TextRank算法計(jì)算得到關(guān)鍵詞，將關(guān)鍵詞在課堂教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)的頻次與總詞數(shù)的比重作為權(quán)重值，并通過(guò)預(yù)先設(shè)定的權(quán)重閾值對(duì)低頻的關(guān)鍵詞進(jìn)行過(guò)濾，得到最終的關(guān)鍵詞集合。

（3）知識(shí)點(diǎn)挖掘

為了進(jìn)一步從關(guān)鍵詞集合中挖掘與課堂教學(xué)密切相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)概念，本研究將知識(shí)點(diǎn)挖掘任務(wù)轉(zhuǎn)換成判斷關(guān)鍵詞與知識(shí)點(diǎn)是否相關(guān)的分類(lèi)任務(wù)和關(guān)鍵詞之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘任務(wù)。

①分類(lèi)任務(wù)方面，首先對(duì)關(guān)鍵詞數(shù)據(jù)集進(jìn)行人工標(biāo)注，即按照與知識(shí)點(diǎn)相關(guān)、與知識(shí)點(diǎn)不相關(guān)兩種類(lèi)別對(duì)每一個(gè)關(guān)鍵詞進(jìn)行標(biāo)注。然后，將標(biāo)注好的關(guān)鍵詞輸入到分類(lèi)器中進(jìn)行監(jiān)督學(xué)習(xí)。分類(lèi)器訓(xùn)練完成以后，將新的關(guān)鍵詞輸入其中，即可得到表示關(guān)鍵詞與知識(shí)點(diǎn)相關(guān)程度的置信度數(shù)值。最后，根據(jù)設(shè)定的置信度閾值，篩選出符合條件的關(guān)鍵詞作為知識(shí)點(diǎn)概念。

②關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘任務(wù)方面，首先將課堂教學(xué)中的每一個(gè)句子或段落出現(xiàn)的關(guān)鍵詞作為一個(gè)獨(dú)立的集合，然后使用Apriori算法對(duì)所有集合中的關(guān)鍵詞頻繁項(xiàng)集進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)頻繁項(xiàng)集結(jié)果挖掘知識(shí)點(diǎn)概念之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則。Apriori是一種較為經(jīng)典的通過(guò)挖掘頻繁項(xiàng)集獲得序列模式的算法，其核心思想是在數(shù)據(jù)項(xiàng)集上通過(guò)連接產(chǎn)生候選項(xiàng)及其支持度，并通過(guò)剪枝產(chǎn)生頻繁項(xiàng)集，進(jìn)而挖掘出關(guān)鍵詞之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則。最后將Apriori算法輸出的頻繁項(xiàng)集包含的關(guān)鍵詞作為知識(shí)點(diǎn)概念，并與前文所述的經(jīng)分類(lèi)器訓(xùn)練的知識(shí)點(diǎn)概念進(jìn)行合并，得到最終的知識(shí)點(diǎn)概念集合，用于構(gòu)建知識(shí)圖譜的實(shí)體。

2 知識(shí)圖譜的關(guān)系構(gòu)建

（1）語(yǔ)義表征

基于初步構(gòu)建的知識(shí)圖譜實(shí)體和使用Apriori算法輸出的關(guān)聯(lián)規(guī)則結(jié)果，本研究將每一條關(guān)聯(lián)規(guī)則當(dāng)前結(jié)果項(xiàng)中出現(xiàn)的知識(shí)點(diǎn)概念作為源詞集合，而將知識(shí)圖譜實(shí)體中其余的知識(shí)點(diǎn)概念作為目標(biāo)詞集合。之后，本研究使用基于知識(shí)增強(qiáng)的持續(xù)學(xué)習(xí)語(yǔ)義理解框架ERNIE，將源詞集合和目標(biāo)詞集合中的所有知識(shí)點(diǎn)概念映射成固定維度的實(shí)值特征向量，便于進(jìn)行后續(xù)的語(yǔ)義相似度計(jì)算。ERNIE采用預(yù)訓(xùn)練技術(shù)對(duì)大規(guī)模語(yǔ)料數(shù)據(jù)進(jìn)行文本詞匯、結(jié)構(gòu)、語(yǔ)義等多方面語(yǔ)言知識(shí)的表示學(xué)習(xí)，可被應(yīng)用于語(yǔ)義匹配、閱讀理解、文本分類(lèi)等自然語(yǔ)言處理任務(wù)。

（2）語(yǔ)義相似度計(jì)算

對(duì)于源詞集合中的每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)概念或教學(xué)關(guān)鍵內(nèi)容，需先分別計(jì)算其與目標(biāo)詞集合下所有教學(xué)內(nèi)容或知識(shí)點(diǎn)的余弦相似度，以作為兩者間的語(yǔ)義相似度；然后，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的關(guān)聯(lián)度閾值與相似程度閾值，將符合條件的目標(biāo)詞與源詞相連，構(gòu)建語(yǔ)義相似關(guān)系（包括語(yǔ)義強(qiáng)相似關(guān)系與語(yǔ)義弱相似關(guān)系），最終得到課堂教學(xué)的知識(shí)圖譜。其中，語(yǔ)義強(qiáng)相似關(guān)系在知識(shí)圖譜中體現(xiàn)為目標(biāo)詞與源詞距離較近，代表兩者在課堂教學(xué)中的知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系較為緊密；語(yǔ)義弱相似關(guān)系則與此相反，其在知識(shí)圖譜中表現(xiàn)為目標(biāo)詞與源詞語(yǔ)義距離相對(duì)較遠(yuǎn)，但反映了知識(shí)點(diǎn)的發(fā)散性和延展性。

3 教學(xué)內(nèi)容完成度監(jiān)測(cè)

為了分析真實(shí)的課堂教學(xué)過(guò)程能在多大程度上完成教學(xué)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵內(nèi)容，本研究采用語(yǔ)義匹配方法，通過(guò)文本語(yǔ)義量化的形式，對(duì)課堂教學(xué)過(guò)程中每一個(gè)對(duì)話輪次的教學(xué)內(nèi)容覆蓋情況進(jìn)行分析：首先，對(duì)于教學(xué)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵內(nèi)容，采用文本分詞方法抽取關(guān)鍵詞和核心知識(shí)點(diǎn)，并對(duì)它們進(jìn)行詞向量表征；隨后，將課堂教學(xué)中每一個(gè)輪次的內(nèi)容文本輸入到BERT模型，獲得教學(xué)轉(zhuǎn)錄文本中每一個(gè)字符的詞向量，并對(duì)所有詞向量求平均值，以作為當(dāng)前輪次話語(yǔ)的特征向量；最后，對(duì)教學(xué)設(shè)計(jì)中的每一個(gè)關(guān)鍵詞所對(duì)應(yīng)的詞向量與課堂教學(xué)中每一個(gè)輪次的內(nèi)容文本所對(duì)應(yīng)的句向量進(jìn)行余弦相似度計(jì)算，獲得取值范圍為0～1的相似度——上述關(guān)于計(jì)算語(yǔ)義相似度的做法也是自然語(yǔ)言處理領(lǐng)域的通用技術(shù)范式。為了驗(yàn)證該方法的可靠度，本研究選取25節(jié)課例（共4871條語(yǔ)料），邀請(qǐng)兩位學(xué)科專(zhuān)家對(duì)課堂教學(xué)話語(yǔ)的教學(xué)目標(biāo)覆蓋度進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)采取李克特七點(diǎn)計(jì)分法，其中1分代表覆蓋度非常低，7分代表覆蓋度非常高。之后，通過(guò)歸一化處理得到人工評(píng)價(jià)結(jié)果，再與機(jī)器計(jì)算的得分進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，得到相關(guān)系數(shù)區(qū)間為[0.68, 0.89]（大于0.65標(biāo)準(zhǔn)值），且呈顯著相關(guān)。由此可見(jiàn)，語(yǔ)義匹配方法具有可靠性，語(yǔ)義相似度能夠體現(xiàn)實(shí)際課堂教學(xué)過(guò)程對(duì)教學(xué)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵內(nèi)容的覆蓋情況。

三 知識(shí)圖譜賦能課堂教學(xué)評(píng)價(jià)的實(shí)踐應(yīng)用

為了驗(yàn)證知識(shí)圖譜在課堂教學(xué)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用效果，本研究以小學(xué)階段優(yōu)質(zhì)數(shù)學(xué)課“平行與垂直”為例，展現(xiàn)其知識(shí)圖譜的構(gòu)建過(guò)程，具體如下：首先，將該課堂的教學(xué)錄像轉(zhuǎn)錄為文本形式；接著，采用BERT模型、雙向門(mén)控循環(huán)單元與條件隨機(jī)場(chǎng)相結(jié)合的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)轉(zhuǎn)錄文本進(jìn)行解剖和分詞處理；隨后，提取課堂教學(xué)中的高頻關(guān)鍵詞，并進(jìn)一步從關(guān)鍵詞集合中挖掘出與本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容密切相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)概念；最后，通過(guò)計(jì)算余弦相似度來(lái)呈現(xiàn)概念之間的關(guān)聯(lián)性。在構(gòu)建的知識(shí)圖譜中，實(shí)體是從課堂教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)概念抽取而來(lái)，實(shí)體之間的關(guān)系則根據(jù)教學(xué)內(nèi)容或知識(shí)點(diǎn)概念間的語(yǔ)義相似度來(lái)構(gòu)建。

經(jīng)過(guò)實(shí)體構(gòu)建和關(guān)系構(gòu)建兩個(gè)步驟，本研究得到“平行與垂直”課例的知識(shí)圖譜樣例（如圖1所示），可以看出：課例主要圍繞“平行”“垂直”“位置關(guān)系”“直線”“相交”等關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講述，與之相關(guān)聯(lián)的知識(shí)點(diǎn)概念有“直角”“平面”“曲線”“垂足”等教學(xué)內(nèi)容。

圖1 “平行與垂直”課例的知識(shí)圖譜樣例

圖2 以“直線”為中心節(jié)點(diǎn)所延伸的知識(shí)點(diǎn)概念之間的關(guān)聯(lián)圖譜樣例

圖3 以“位置關(guān)系”為中心節(jié)點(diǎn)所延伸的知識(shí)點(diǎn)概念之間的關(guān)聯(lián)圖譜樣例

為了揭示課堂教學(xué)內(nèi)容、知識(shí)點(diǎn)概念之間的關(guān)系，本研究以“直線”為中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行延伸，得到如圖2所示的知識(shí)點(diǎn)概念之間的關(guān)聯(lián)圖譜樣例，可以看出：教師在授課過(guò)程中采用了“三角板”“寬度”“形狀”等外延知識(shí)點(diǎn)概念對(duì)平行與垂直的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展，使學(xué)生能夠更好地通過(guò)三角板工具學(xué)習(xí)寬度、形狀等知識(shí)點(diǎn)，從而更加有效地掌握平行與垂直的相關(guān)知識(shí)。

而以“位置關(guān)系”為中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行延伸時(shí)，可以得到如圖3所示的知識(shí)點(diǎn)概念之間的關(guān)聯(lián)圖譜樣例，可以看出：教師在講述位置關(guān)系的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，會(huì)引導(dǎo)學(xué)生尋求“相同點(diǎn)”，并對(duì)知識(shí)進(jìn)行總結(jié)、歸納，注重培養(yǎng)學(xué)生的類(lèi)比聯(lián)系能力，以促進(jìn)學(xué)生的高階思維發(fā)展。此外，中心詞“直線”也與“相交”“垂直”“平行”等教學(xué)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵概念緊密相關(guān)，說(shuō)明教師在教學(xué)過(guò)程中能夠緊扣教學(xué)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容、突出重點(diǎn)，并重視教學(xué)內(nèi)容的連貫學(xué)習(xí)。

本研究從“平行與垂直”課例教學(xué)設(shè)計(jì)中提取的核心教學(xué)內(nèi)容為“平行”“垂直”“位置關(guān)系”“直線”“相交”，計(jì)算課堂教學(xué)中的話語(yǔ)對(duì)以上核心內(nèi)容的覆蓋程度（即語(yǔ)義匹配度），輸出內(nèi)容匹配曲線圖，可以展現(xiàn)真實(shí)課堂教學(xué)過(guò)程對(duì)教學(xué)計(jì)劃中某個(gè)核心內(nèi)容的覆蓋情況——曲線數(shù)值越高，代表越能精準(zhǔn)反映該內(nèi)容；曲線數(shù)值越低，則代表越無(wú)法有效反映該內(nèi)容。本研究以與“平行”“垂直”概念有關(guān)的課堂教學(xué)內(nèi)容匹配曲線圖為樣例進(jìn)行展示，如圖4所示。

圖4 與“平行”“垂直”概念有關(guān)的課堂教學(xué)內(nèi)容匹配曲線圖樣例

表1 課堂教學(xué)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)覆蓋分析樣例

表1例舉了具有高匹配度的課堂教學(xué)話語(yǔ)，如對(duì)話內(nèi)容“互相垂直就是兩條直線相交，它們形成的角是直角，這就叫做互相垂直”較為詳細(xì)地描述了“垂直”知識(shí)點(diǎn)，匹配率為0.875，說(shuō)明此對(duì)話內(nèi)容精準(zhǔn)地概括了“垂直”這一知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)涵與特征，與教學(xué)目標(biāo)“讓學(xué)生初步了解垂直的基本概念，認(rèn)識(shí)垂線”的匹配度較高；而對(duì)話內(nèi)容“就是兩條直線在同一個(gè)水平線上”較為簡(jiǎn)單地描述了“平行”的特征，匹配度相對(duì)低一些，為0.737。

上述課例分析證實(shí)了知識(shí)圖譜能以可視化的形式提煉課堂教學(xué)的核心內(nèi)容與關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，并展現(xiàn)教師如何以關(guān)鍵內(nèi)容為牽引，對(duì)標(biāo)教育教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行教學(xué)組織和設(shè)計(jì)的過(guò)程，有助于清晰、深入地了解課堂教學(xué)狀態(tài)。同時(shí)，知識(shí)圖譜能夠呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)映射，并將內(nèi)隱的知識(shí)建構(gòu)過(guò)程用圖示化方式有效表征出來(lái)，使得高質(zhì)量的課堂教學(xué)過(guò)程所呈現(xiàn)的不是碎片化的知識(shí)點(diǎn)，而是具有系統(tǒng)性、關(guān)聯(lián)性、網(wǎng)格化的知識(shí)點(diǎn)。通過(guò)“平行與垂直”課例的知識(shí)圖譜分析，可以發(fā)現(xiàn)高水平的課堂教學(xué)不僅有助于學(xué)生掌握單一的知識(shí)點(diǎn)，而且能深化學(xué)生對(duì)學(xué)科綜合知識(shí)體系的認(rèn)識(shí)，促進(jìn)高階思維的發(fā)展，并提升學(xué)生的學(xué)科思維能力、總結(jié)歸納能力和遷移運(yùn)用能力。此外，語(yǔ)義匹配方法可用來(lái)客觀地監(jiān)測(cè)課堂教學(xué)能否精準(zhǔn)對(duì)標(biāo)教學(xué)設(shè)計(jì)目標(biāo)、教師是否緊扣課程核心內(nèi)容開(kāi)展有效教學(xué)，可為科學(xué)評(píng)價(jià)課堂教學(xué)水平提供依據(jù)。

四 結(jié)語(yǔ)

本研究基于知識(shí)圖譜對(duì)課堂教學(xué)展開(kāi)過(guò)程性評(píng)價(jià)，通過(guò)文本分詞、關(guān)鍵詞抽取、知識(shí)點(diǎn)挖掘、語(yǔ)義表征、語(yǔ)義相似度五個(gè)環(huán)節(jié)提煉課堂教學(xué)中的關(guān)鍵內(nèi)容，并有效表征知識(shí)點(diǎn)及其復(fù)雜關(guān)系，有助于深入了解課堂教學(xué)特征和水平；同時(shí)，采用語(yǔ)義匹配方法通過(guò)與教學(xué)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵內(nèi)容相對(duì)照，科學(xué)測(cè)算真實(shí)課堂教學(xué)在多大程度上實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的教學(xué)目標(biāo)，為評(píng)價(jià)課堂教學(xué)質(zhì)量提供了科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。此外，本研究以小學(xué)階段優(yōu)質(zhì)數(shù)學(xué)課“平行與垂直”為例，展現(xiàn)了知識(shí)圖譜賦能課堂教學(xué)評(píng)價(jià)的過(guò)程，證實(shí)了知識(shí)圖譜能被有效應(yīng)用于課堂教學(xué)評(píng)價(jià)，表征教學(xué)特征與水平，并為教師提供個(gè)性化的評(píng)價(jià)反饋，有助于提高課程的系統(tǒng)性和綜合性，促進(jìn)深度理解和思維進(jìn)階。研究成果可應(yīng)用于新教師遴選、教研培訓(xùn)和教育質(zhì)量監(jiān)測(cè)等場(chǎng)域，以促進(jìn)教師專(zhuān)業(yè)成長(zhǎng)，提高教師課堂教學(xué)水平，創(chuàng)建優(yōu)質(zhì)高效的課堂，為教育治理和教育質(zhì)量監(jiān)測(cè)工作提供有力支持。未來(lái)研究可進(jìn)一步挖掘知識(shí)工程的技術(shù)潛能，迭代發(fā)展知識(shí)圖譜、知識(shí)森林等方法并與教育教學(xué)場(chǎng)景深度融合，堅(jiān)持“知識(shí)引導(dǎo)+數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”的研究范式，以更有效地提取課堂教學(xué)內(nèi)容、建構(gòu)課程知識(shí)體系，為實(shí)現(xiàn)更加智能、精準(zhǔn)的教育教學(xué)評(píng)價(jià)提供強(qiáng)大助力。

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How does Knowledge Map Enable Classroom Teaching Evaluation——Taking the High-quality Mathematics Course “Parallel and Vertical” in Elementary School Stage as an Example

SONG Yu1XIAO Jing2[Corresponding Author]TANG Na2LIU Bing-man1JIA Chen-chen3

Classroom teaching is the main front of school education and talent training, and classroom teaching evaluation is the key to affecting the quality of education and teaching. In order to improve the effectiveness and scientificity of classroom teaching evaluation, based on the knowledge map, this paper extracted the key content in classroom teaching and presented the complex relationship among knowledge points in a visual form through five links of text word segmentation, keyword extraction, knowledge point mining, semantic representation, similarity calculation. Accordingly, to what extent the real classroom teaching achieved the established teaching objectives was objectively monitored by comparing the key contents with the these in teaching design. In order to verify the application effect of knowledge map in classroom teaching evaluation, this paper took the high-quality mathematics course “Parallel and Vertical” in elementary school stage as an example to present the process of classroom teaching evaluation enabled by knowledge map. The results showed that the knowledge map could be effectively applied to classroom teaching evaluation. The research in this paper could help teachers objectively understand the teaching level, improve teaching strategy and create a high-quality classroom, provide data support for teachers’ professional development and education quality monitoring.

knowledge map; classroom teaching evaluation; relational network; semantic matching

G40-057

A

1009—8097（2023）01—0083—08

10.3969/j.issn.1009-8097.2023.01.009

本文受?chē)?guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目“學(xué)習(xí)分析視角下面向高階思維發(fā)展的課堂互動(dòng)分析與評(píng)測(cè)”（項(xiàng)目編號(hào)：No.61907017）、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“基于因果推理和少樣本學(xué)習(xí)的機(jī)器智能解答研究”（項(xiàng)目編號(hào)：No.62177015）資助。

宋宇，副教授，博士，研究方向?yàn)檎n堂教學(xué)評(píng)價(jià)、教育人工智能、課堂對(duì)話等，郵箱為sungyuepku@foxmail.com。

2022年5月5日

編輯：小米