基于知識圖譜的中小學數字化課程開發探究

［摘 要］信息技術與學科教學融合是信息化教學改革的發展趨勢。作為融合與教學改革的重要組成部分，數字化課程資源的建設和應用隨著技術與理論的更新，在理念、工具以及實踐應用等方面有了新進展，呈現出新特性。文章以Adobe套件技術為例，整合知識圖譜與序列，闡述了數字化課程開發的新理念與關鍵技術，實踐應用方面從演示型、網絡型、移動型等方面提出了多媒體課件制作策略與案例，以期為移動互聯時代中小學數字化課程開發提供借鑒。

［關鍵詞］數字化課程；多媒體課件；知識圖譜

［中圖分類號］G434 ［文獻標識碼］A ［文章編號］1008-7656（2023）02-0046-08

引言

隨著我國教育信息化的快速發展，信息化教學的應用日益廣泛。作為教育信息化的重要組成部分，數字化課程資源建設是中小學教師信息技術與學科教學融合的基礎，課程制作的質量和效率直接影響信息化教學、融合教學的質量和效率。因此，《中小學教師信息技術應用能力標準（試行）》將數字化課程資源開發列為中小學教師教學能力標準之一[1]，納入全國中小學教師信息技術應用能力提升工程的30項教學微能力范疇。提升數字課程資源開發能力成為該工程的主要工作目標，成為教師培訓工作的主要內容。

教育大數據、知識圖譜等人工智能技術的教育應用與智能終端的普及，為數字化課程開發、多媒體課件制作及其實踐應用等注入了新的活力，在理念與技術等方面呈現出新理念和新特性，既有機遇也有挑戰。2021年，教育部發布《關于公布新興領域教材研究與實踐項目的通知》，通知涉及人工智能、集成電路等領域教材建設，其中就有“基于知識圖譜的新型教材研究與實踐”，嘗試基于人工智能技術建立一套知識表征、抽取與組織的新策略、新機制[2]。鑒于此，本研究從資源開發角度探究基于知識圖譜的數字化課程開發策略。

一、數字化課程開發的新理念

得益于技術的發展，移動互聯網的教育應用不僅有效地擴展了在線學習，在突破時空局限的基礎上將在線學習向泛在學習、個性化學習延伸，而且幫助用戶通過各種智能終端便捷地獲取有價值的學習資源，滿足多元化的學習需求，突出了以人為本的教學理念。因此，數字化課程開發、多媒體課件制作在理論指導、制作技術、知識呈現形式、資源標準化與結構化等方面涌現出了許多新的理念。

（一）教學理念多元化

現代教育改革不斷深化，例如教育數字化行動、教育教學評價改革[3]、智能技術教育應用[4]等，促使教育技術貫穿教學過程的各個環節，而不同的融合、不同的設計也形成了教學理念的多元化，比如情境式教學、沉浸式教學、混合式教學、翻轉式教學、探究式教學、在線協同教學、自適應學習等。不同的教學理念產生了不同的教學需求，對課程資源的制作產生了重要影響。比如，建構主義學習理論強調以學習者為中心，注重學習者的自主、積極建構知識的過程。依據建構主義學習理論制作的課程資源，應以有利于學生獲取知識為根本目的，實現學生知識的積極建構，促進學習者的主動探索、主動發現和協作學習。

隨著知識圖譜、教育大數據等人工智能技術的應用，從資源推送、學習路徑規劃、知識問答等角度為學習者的自適應學習、協作學習等多元化教學提供了新的思路，對其課程資源制作中的知識關聯、知識表征、教學素材組織、數據分析、應用測評診斷等提供有價值的參考[5]。

（二）知識可視化

讀圖時代的到來，知識以圖解的方式表征，能夠詳細描述信息的基本部分，將模糊的信息轉變成清晰的外在形態，從而促進知識的傳播、交流和創新。在教育技術領域（尤其是知識可視化領域），知識表征是指知識的外在表現形式，與此相對應的是承載知識的圖解手段，也是直接作用于人的感官的材料[6]。作為知識可視化的典型代表，語義圖示在協作學習過程對于問題解決協同化可提供概念性支持與認知性支持，如概念圖、思維導圖、建模等，建構對學習任務及其解決方案的理解模型，有利于學習者、學習同伴、學習環境、學習內容之間的社會性交互，促進學習者對知識的深層次理解[7]。

在數字化課程資源開發中，恰當的知識表征方式有利于學習者對知識的獲得與應用。比如信息技術環境下，在多媒體課件中運用文本、圖形和動畫等多元符號，可以形成圖文聲像并茂的表征。多種表征符號提供多種感官的綜合刺激，有助于學習者在原有的知識上建構新的知識，同時多媒體課件中知識的表征支持多種交互方式，比如同步交互和異步交互，在滿足一對一交流的同時也支持一對多、多對多交流。

（三）課程資源立體化、跨平臺

滿足人們日常學習、生活、工作中處處可學、時時能學的需求，或緩解繼續教育的工學矛盾、開展碎片化學習與移動學習等，首先應整合多元的教學理念、前沿的教學方法、合適的教學手段、優秀的教學案例和豐富的教學資源，以提升教學效率、強化教學效果、優化教學策略，減輕教師在備課、授課、作業、總結、復習、測評、考核等教學工作中的負擔，同時便于學生在課前預習、課后復習。基于上述需求，教師團隊在紙質教材的基礎上，圍繞學科教學知識體系及其教學設計，融合網絡課程、精品課程、慕課、微課、金課，逐漸形成立體化的教學資源，并在PC、智能終端、互聯網等信息技術支持下，實現課程資源教學的跨平臺融合[8]。

立體化教學資源不僅延續了傳統多媒體課件的特點，同時在互聯網技術、多媒體技術的支撐下，促使課程資源的教學由單用戶模式向多用戶協作模式轉化，允許學習者通過計算機、互聯網以群體或小組的形式在不同的地點進行交流、協調、合作及信息共享，由此形成基于網絡的協作式學習系統。

（四）課程資源建設的縱“深”橫“闊”

為了適應經濟社會發展要求與人才培養需求，尤其是學生核心素養與思維能力的培養，課程資源建設不僅要體現出學科知識的深度，還要涉及理論知識、技能知識、實踐案例等，知識點的線性化、網絡化從邏輯上要形成學科知識的內在關聯與系統化。《信息技術學習、教育和培訓簡單課程編列》提出了課程信息編列模型，其中的“個性化課程描述”整合了學科知識的課程、知識點與教學資源，形成了課程資源包[9]。從課程資源描述的角度，其與共享內容對象參考模型（SCORM）、學習對象元模型（LOM）是大同小異。跨學科成為衡量課程資源建設知識廣度的重要標準，課程內容需要在人文社會、自然科學等不同領域實現概括性的描述，相互滲透，突破學科知識的領域界限[10]。同樣，STEM教育是一種跨學科、綜合性的教育理念，由科學、技術、工程、藝術和數學等多個領域共同構成的課程，運用多維的方式思考并解決現實問題。縱向橫向的結合，形成了課程資源建設的縱“深”橫“闊”。

二、數字化課程資源開發策略

教育部頒布的《中小學教師信息技術應用能力標準（試行）》指出，多媒體課件是數字化教育資源的重要組成部分，同時也是廣大一線教師常用的信息化教學工具。以多媒體課件為例，闡述數字化課程資源開發策略，從多媒體課件實踐應用基于的平臺類型，涉及傳統的演示型多媒體課件、網絡型多媒體課件和移動型多媒體課件。

（一）演示型多媒體課件

演示型多媒體課件集文本、圖片、聲音、視頻、動畫于一體，廣泛應用于課堂教學、學術報告以及產品演示等。早期，演示型多媒體課件側重技術性，比較依賴圖文表征，缺乏有效地知識結構化表征工具。同時，由于當時的技術條件（如網絡速度慢、存儲介質容量小等）有限，多媒體課件在存儲、知識保護、共享傳播等方面也受到限制。

新版PowerPoint的功能不斷完善，采用了新的使用界面——功能區（Ribbon），取代了傳統的菜單欄和工具欄，用戶結合可擴展的、面向工作成果的新工作界面，可以更加快捷地找到所需要的命令，提升資源制作的效率。從熟悉教學設計、整合多媒體元素，到理解軟件內容、認識軟件界面、掌握操作流程，再到美化教學課件、呈現動態效果、設置教學交互等策略，形成教學設計—資源開發—交互設置的演示型多媒體課件制作“三階段”[11]，在此過程中，知識可視化很重要——SmartArt圖形（如圖1所示），有助于教學知識邏輯的表征結構化、層次化、圖形化與可視化，這與知識圖譜的理念相切合。

此外，Adobe套件的技術可以突破PowerPoint有關方面的局限性，優化、利用現有的PowerPoint資源，創建包括解說、視頻、動畫和產品演示的多媒體課件。用戶不需要離開PowerPoint創作環境就可以創建出精美的內容，課件制作完成后可以發布成網頁、PDF格式便于在線傳播與共享，相比PowerPoint制作的單純課件可用性更強。利用Adobe套件快速制作課件的策略如圖2所示。

（二）網絡型多媒體課件

1.網絡多媒體化

多媒體技術和Web2.0技術的不斷融合，將多媒體課件移植到網絡環境中，突破了原本簡單文字和圖片組合的局限，有效地提升多媒體課件的交互性、實用性、共享性，學習者能自主控制課程進度，使演示型課件不再受光盤的儲存介質小、資源消耗大的限制，網絡型多媒體課件應運而生，例如在中小學一線教師中常用的交互課件（Articulate Storyline）技術[12]。網絡型多媒體課件的制作在應遵循教學設計原則的前提下，將多種媒體資源結合網頁的知識有效地整合在一起，其制作策略與流程如圖3所示。

2.個別化學習/交互性強

隨著云計算技術的推動，促使學習者的學習方式實現了“4A”學習，即學習者可在任何時間（Anytime）、任何地點（Anywhere）、 任意方式（Anyway）、通過處理與學習相關的任何事務（Anything）。這時的學習不僅注重內容，而且能有效提升個性化學習，尤其是多媒體課件的交互性，從而使網絡型多媒體課件更加符合學習者個性化學習的要求。

根據教學交互層次塔理論，教學交互分為學生與媒體界面的操作交互、學生與教學要素的信息交互以及新舊概念交互。信息交互與概念交互以操作交互為條件和技術保障，操作交互是媒體界面交互性和學生操作媒體熟練程度的綜合體現，是媒體設計和開發的重心[14]。網絡型多媒體課件區別于演示型課件的本質特征在于提供了豐富的操作交互形式，它能讓用戶與媒體對象之間產生互動，實現教師與學生之間的遠程交互。

（三）移動型多媒體課件

智能終端的普及和技術本身的提升為開展移動學習提供了良好的條件。基于手機平臺的移動學習具有多方面的特性：一是訪問不受時間、空間限制，十分便捷；二是學習者可以在“零碎時間”中進行“片段化”學習；三是學習更具個性化，學習者可以根據需要和興趣進行學習；四是能進行及時性交流，可以隨時發布個人的觀點并與他人交流和分享。隨著超文本語言（Hyper Text Markup Language5，HTML5）技術的興起，利用HTML5制作移動型課件能強化網頁的表現功能，它有專門有用于圖形圖像處理，播放視頻和音頻的標簽，以及專門的結構性標簽及本地數據庫等網頁應用的功能，增強了多媒體技術表征功能。因此，Adobe公司的Adobe Captivate 6 和 Adobe Presenter 8，能夠發布基于HTML5的E-learning內容，將制作好的課件發布成swf、pdf等格式，制作出移動型多媒體課件（如圖4所示），從而促進學習者進行移動學習，順應當前信息技術的發展潮流。

隨著信息技術和網絡技術的發展，逐漸涌現出一種新型的教學方式——雙板教學，即基于平板電腦和電子白板進行教學。平板電腦具有功能豐富、方便攜帶等特點，因而成為學生學習的好助手。基于平板電腦的學習具有自主性和普適性，是在線學習的好工具。電子白板可以實現無紙化教學，交互性強，在一定程度上能更好地輔助教師教學。對于移動學習和雙板教學的順利開展有助于開發豐富的學習資源。移動型多媒體課件適應移動學習和雙板教學，順應了時代的潮流[15]。

三、基于知識圖譜的數字化課程資源開發關鍵技術

知識圖譜教育應用的研究中，已經形成了“學科知識圖譜”“教育知識圖譜”的概念表述，其本質都是利用知識圖譜對知識的建模，如Knewton公司利用知識圖譜來呈現知識概念及其關聯，并作為個性化資源制作的依據[16]。而在知識圖譜構建技術與策略上，則是采用知識的本體框架及其語義分析技術，包括知識主體抽取、教學資源關聯、知識序列結構化與課程圖譜融合等關鍵環節和技術[17]，并利用語義分析技術對其學習數據進行整合分析[18]。

（一）知識主體抽取

知識建模的前提是確認模型中的各級節點、父節點和子節點，也就是課程章節中知識點及其從屬知識點，如果再考慮其屬性（比如技能知識、理論知識、實踐知識等）與關系，則可理解為知識圖譜的知識主體。實際工作中，要劃分知識結構中基本單位具有難度，在某個邏輯上可以認為是基本單位，但換一個角度可能就不是了，基本單位中又包含著另一個基本單位，難以區分。所以，從知識主體的角度來劃分知識結構有助于梳理不同知識的關系。所謂“抽取”，就是從領域知識中將不同知識點獨立出來，為后續縱向、橫向的知識關聯作鋪墊。

（二）教學資源關聯

文本、動畫、視頻、圖片是課程資源的主要素材，再加上教材、案例、作業、清單、測評等其他教學資源，圍繞知識主體中不同知識點進行關聯，形成教學資源的組織與聚合，從而避免資源無序、離散的問題，便于學習者的有序學習[19]。例如，慕課中根據知識章節的順序，線性聚合不同微視頻及其作業等資源，主要是知識的縱向關系（通常為章、節、點）。而依據知識圖譜所關聯、聚合的資源，在縱向的基礎上，還有橫向的跨領域、跨學科（如教育學與計算機科學），而縱向與橫向結合，則形成了知識與資源關聯的不同拓撲結構。

（三）知識主體關聯

知識關聯的本質，可以理解為知識關系序列的結構化，大部分課程資源是以先前知識、后續知識的線性關系為主。從知識圖譜的角度，還包括了更多的知識關系，常用關系如表1所示。

（四）課程圖譜融合

在知識主體抽取、關聯基礎上，圍繞領域知識的邏輯，整合對應的教學資源，即可形成不同層次課程知識及其教學資源的知識圖譜（如下頁圖5所示），縱向上或是某個知識模塊、某個章節、某門課程，也可以是橫向上的跨學科的多個課程之間的關聯。根據知識的內在與外在關聯，既可以自上而下，也可以由下而上的多層次關聯。在融合過程中，需要注意標記知識與知識之間關系類型，如不同形狀表示不同知識主體、不同連接線表示上下位的層級關系等。此外，在課程圖譜融合過程中，會存在知識缺失的情況，需要教師經過多輪、迭代式的知識補充，在實踐中不斷地更新課程的知識圖譜。再者就是不同領域、跨學科的知識對齊，避免領域、學科之間的矛盾。

四、基于知識圖譜的數字化課程資源開發案例研究

課程資源開發以信息技術應用能力提升系列課程為例，周期整體分為四個環節（如圖6所示）：前期圍繞知識主體劃分與圖譜構建的相關問題開展調研，在對課程知識體系梳理、分析、重構的基礎上，以“點、線、面”的思路對所有知識及素材基于知識圖譜進行聚類融合。在第二環節，一方面以多媒體課件為基礎，整合HTML5、STORM、Flash、微視頻、Articulate Storyline等媒體技術，構建不同類型的課件資源，在技術上實現數字化課程資源的開發，另一方面按照知識圖譜的邏輯，進行課程知識與資源的關聯，為后續環節課程體系提供支撐。在第三環節參照TPACK體系按照技術知識、課程知識、案例知識等，從邏輯上構建系列化的數字化課程資源與知識圖譜。最后的第四環節為教學應用，面向學習者開展數字化課程資源的應用，包括微課、慕課、教材等。此案例主要有以下四個方面的啟發。

（一）“點、線、面”的邏輯思路

在數字化課程資源開發前期，對課程知識點及其教學實際問題點進行教研，而系列的“點”的融合，則形成了“線”，既包括了知識主體，還有通過模塊化知識圖譜所關聯的資源包，并在知識圖譜中設置了情境問題、技術策略、案例實操、掃碼演示、擴展練習五個子圖，不同的子圖關聯不同的學習資源，將不同類型的知識進行串聯，從邏輯上引導學習者掌握技術知識與課程知識的相關內容。最后是不同“線”的交叉重組，形成資源的“面”（課程體系）、知識的“面”（不同知識組合）、問題的“面”（觸類旁通），遇到同類問題也能迎刃而解。

（二）“問題—知識”匹配與映射

以教師實際的信息化教學過程所遇到的問題為導向，從技術知識（TK）、技術內容知識（TCK）、技術教學知識（TPK）及技術教學內容知識（TPACK）四個方面匹配一系列的知識，如教學資源獲取與處理中的gif動畫制作、數學物理化學教學中的公式特殊符號的呈現、基于HTML5的課件制作等，構建數字化課程體系，即課程開發周期的第三個階段。其中，問題與知識的匹配與映射則需要知識圖譜的邏輯支撐，映射到教學知識、技術知識、案例知識等。

（三）教學服務

為了緩解中小學教師的工學矛盾，讓中小學教師得以在工作之余便捷地學習，團隊基于課程體系構建了二維碼紙質教材，與慕課、微視頻等資源同步， 通過二維碼的應用打破紙質資源與網絡資源的界線。而在應用過程中，根據教師在線學習數據（視頻學習頻率、資源下載次數、模塊點擊率等），基于知識圖譜的知識關聯邏輯，可以對教師學習軌跡進行統計，發現兩個趨勢——學習聚合與學習發散。前者是教師對于某個知識模塊學習的相對集中，比如微課設計與制作，以該模塊為中心進行縱向的深度學習，包括微課如何設計、視頻如何制作、腳本如何編寫、微課如何應用等，其所關聯的知識點，都和微課設計與制作密切關聯，由此反饋教師對“微課制作”的技術性知識相對更加關注。而“學習發散”則體現教師的橫向拓展，比如利用office技術解決教師工作中的問題，不僅涉及word、PowerPoint、Excel等教學軟件，還有其相關的教學案例，既包含了技術性知識、理論知識，還有案例知識。而這些統計分析，則有助于提升教師培訓的教學設計與教學服務。

（四）應用策略與場景

從教學的角度來看，知識圖譜的整合，不僅有助于強化課程資源的知識表征及其橫向關聯，提升教學效率，幫助知識管理，降低認知負荷，同時也起到輔助性作用，如個性化學習與自適應學習中學習資源的推薦、學習路徑規劃、知識問答等，以及自主學習的調節。再者，有助于提升學習支持服務的精準性與學習體驗，如宋宇等以“數學”學科為例探究知識圖譜賦能課堂教學的過程性評價[20]，駱方等梳理了多模態知識圖譜強化智能測評的有關思路[21]。

（五）存在問題與困難

相對于結構化數據，文本、視頻、圖片等非結構化的多源異構數據的采集、統計、分析，難以完全由計算機處理，要制作高質量的學科知識圖譜、教學知識圖譜，需要投入較大的人力與物力將之與知識圖譜進行整合與分析，包括知識圖譜的去噪、對齊、評估、關聯與構建等方面。

五、結語

隨著移動互聯網的發展，高質量的多媒體教學課件及其課程的制作與開發對信息化教學具有重要的意義。同時，強化教學資源的知識表征及其知識關聯，有效提升知識管理，順應多元化教學新理念，更好地滿足學習者的學習需求，是知識服務時代下教育者需要考慮的重要問題，人工智能技術教育應用的不斷深化為此提供了新的思路，知識圖譜的應用也受到越來越多的關注。

［參考文獻］

［1］中華人民共和國教育部.教育部辦公廳關于印發《中小學教師信息技術應用能力標準（試行）》的通知［EB/OL］.（2014-05-28）［2023-02-16］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A10/s6991/201405/t20140528 _170123.html.

［2］郭文革，黃榮懷，王宏宇，等.教育數字化戰略行動樞紐工程：基于知識圖譜的新型教材建設［J］.中國遠程教育，2022（4）：1-9+76.

［3］陳永平.技術賦能的高職線上線下教學資源質量評價體系構建［J］.職業技術教育，2022（26）：58-63.

［4］郭宏偉.基于智能教育的高校在線課程知識圖譜構建研究——以中國醫學史為例［J］.中國電化教育，2021（2）：123-130.

［5］宋丹，豐霞，何宏，等.知識圖譜與教育大數據協同驅動的自適應學習模式研究［J］.高等工程教育研究，2022（1）：163-168.

［6］趙慧臣.知識可視化視覺表征的形式分析［J］.現代教育技術，2012（2）：21.

［7］蔡慧英，顧小清.語義圖示影響協作問題解決中交互過程的研究［J］.電化教育研究，2017（12）：65-72.

［8］趙樣，羅驥.開放大學立體化課程資源體系構建［J］.現代遠程教育研究，2014（4）：89-96.

［9］國家標準全文公開系統.信息技術學習、教育和培訓簡單課程編列［EB/OL］. （2018-06-07）［2023-02-16］.https：//openstd.samr.gov.cn/bzgk/gb/new GbInfo？hcno=461CF3466E8CA15ED683D3E07C7C91 53.

［10］孫芳，王凱.20世紀美國一流大學本科課程變革的“遺產”——兼論對我國“金課”建設的啟示［J］.黑龍江高教研究，2019（10）：6-10.

［11］莫永華，呂永峰.多媒體課件制作從技術上升到藝術之“五步曲”——以PowerPoint為例［J］.現代教育技術，2008（3）：101-103.

［12］林溫陽.基于Storyline網絡交互式多媒體課件設計制作與應用［J］.福建教育學院學報，2019（6）：54-57.

［13］吳菁.網頁型多媒體課件制作［J］.現代教育技術，2009（19）：139-141.

［14］陳麗.遠程學習的教學交互模型和教學交互層次塔［J］.中國遠程教育，2004（3）：25-28.

［15］劉權緯，王興輝.移動應用程序在教育中的應用——以Splashtop2應用程序為例［J］.大學教育，2014（18）：37-38.

［16］李振，周東岱，劉娜，等.人工智能應用背景下的教育人工智能研究［J］.現代教育技術，2018（9）：19-25.

［17］李振，董曉曉，周東岱，等.自適應學習系統中知識圖譜的人機協同構建方法與應用研究［J］.現代教育技術，2019（10）：80-86.

［18］劉權緯，王興輝，蔣紅星.基于學習事件的遠程教育多源異構數據語義融合與實踐研究［J］.成人教育，2023（1）：39-48.

［19］劉建超，范瑩瑩.基于知識管理的移動學習資源組織模型研究與實踐——以“HTML5界面設計”課程為例［J］.工業和信息化教育，2020（7）：72-78.

［20］宋宇，肖菁，湯娜，等.知識圖譜如何賦能課堂教學評價？——以小學階段優質數學課“平行與垂直”為例［J］.現代教育技術，2023（1）：83-90.

［21］駱方，田雪濤，屠焯然，等.教育評價新趨向：智能化測評研究綜述［J］.現代遠程教育研究，2021（5）：42-52.

［作者簡介］劉權緯，廣西開放大學助理研究員，碩士，研究方向：遠程教育、教育信息化；李麗萍，南寧師范大學講師，碩士，研究方向：信息化教學設計、網絡教育；廖婧，廣西開放大學助理研究員，碩士，研究方向：在線學習、教育信息化。

［責任編輯 方 仁］

［基金項目］ 2022年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“基于知識圖譜的在線課程學習分析關鍵技術與應用研究”（編號：2022KY0385）；2021年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“基于GIS的廣西能力提升工程2.0監測管理平臺建設研究”（編號：2021KY1921）；2020年度廣西高等教育本科教學改革工程項目“知識圖譜在遠程教育教學改革中的應用研究”（編號：2020JGB499）

［收稿日期］ 2023-02-18