面向学科核心素养发展的学生学科认知图谱构建研究

董晓晓 周东岱 顾恒年

[摘   要] 学生学科核心素养发展的有效刻画对于落实立德树人根本任务、促进教学提质增效有重要作用。当前学生学科核心素养发展刻画的粒度过大且零散，尚未有效实现结构化、语义化和可视化。文章运用理论分析方法，在广义知识视角下的认知结构与核心素养刻画关系论证的基础上，以学生学科核心素养刻画为目标，以学生学科认知结构为中介客体，以知识图谱技术为工具，厘定了学生学科认知图谱的内涵与外延，构建了学生学科认知图谱结构和图式，并从刻画学生学科核心素养生成、发展以及学业质量水平达成的视角给出了图谱构建的实践示例，以期为全面、精准刻畫学生学科核心素养发展提供支撑与参考。

[关键词] 学生学科认知图谱； 学科核心素养发展； 认知结构； 图谱图式； 广义知识观

[中图分类号] G434            [文献标志码] A

[作者简介] 董晓晓（1993—），女，山东临沂人。博士研究生，主要从事教育领域知识图谱研究。E-mail：dongxx336@nenu.edu.cn。

一、引   言

学生学科核心素养发展的有效刻画对于落实立德树人根本任务和促进教学提质增效有重要作用。既有学生学科核心素养刻画的研究成果主要有两类：（1）依据基础教育各学科课程标准给出的学科核心素养水平划分与描述[1]，以学科成绩单[2]、学习档案袋[3]等形式刻画学生的学科核心素养。这类方法因评价粒度偏大，难以精准刻画学生学科核心素养的生成状态和发展趋势。（2）在细粒度知识单元上评价学生的学科关键能力，并以“知识内容—思维结构双向细目表”表征学生学科关键能力的生成状态[4]。这类方法缺少对必备品格和价值观的评价，刻画不完整。近年来，随着基于图可视化方法关注度的提高，涌现出一些以认知地图[5]、学习认知地图[6]、学习认知图谱[7]等刻画学习者特征的研究成果。但是，这些成果仅关注狭义的学科知识且忽视了学生认知发展的动态性，尚不能适应学生学科核心素养发展刻画的需要。

因此，本研究在广义知识视角下的认知结构与核心素养刻画关系论证的基础上，以学生学科核心素养刻画为目标，以学生学科认知结构为中介客体，以知识图谱技术为工具，厘定学生学科认知图谱的内涵与外延，构建学生学科认知图谱结构和图式（Schema），进而构建刻画面向学生学科核心素养发展的结构化、语义化和可视化学科认知图谱，为全面、精准刻画学生学科核心素养发展提供支撑与参考。

二、学生学科认知结构与核心素养刻画的关系

认知结构是教育心理学领域的重要概念，皮亚杰、布鲁纳等心理学家认为，学习使新材料或新经验和旧材料或旧经验结为一体，形成一个内部的知识结构，即认知结构[8]。奥苏贝尔在既关心学生原有知识经验系统又关注学习材料本身的逻辑关系以及区分学科覆盖范围的基础上，提出认知结构就是学生头脑中的全部观念或在某一特定知识领域内的内容和组织[9]。教育技术学界对认知结构的认识大多借鉴了奥苏贝尔的思想，认为认知结构就是指学生现有知识的数量、清晰度和组织结构，在宏观上将其界定为学生所掌握的知识，但未对知识的范畴、清晰度及结构的概念或操作性定义进行进一步的说明或描述[10]。

所谓学习就是认知结构的发展变化，其本质是活动，具有需求、动机、目标导向性与动态过程性。朱德全等认为，学习是一种有逻辑的认知活动，学习的认知逻辑要求对学生学习“掌握了什么”“掌握得怎么样”进行清晰明确的回答[11]。忽视“掌握了什么”或仅静态说明“掌握得怎么样”，难以全面深刻阐释认知结构的内涵。学科知识不仅包括学科基础知识与基本技能，还沉淀、蕴含了知识创生者所具有的正确价值观、必备品格和关键能力，体现为“价值旨趣+问题+方法（论）+研究结论”的一体化[12]。从广义的知识视角切入拓展或重新厘定认知结构的内涵，能够更加全面地解析学生认知结构，促进其认知发展。同时，学生学科核心素养的生成是在学科基础知识和基本技能基础上培养学生正确价值观、必备品格和关键能力的连续统过程，各学科具体的核心素养要素之间（包括不同类型核心素养要素之间、同类型不同核心素养样态之间，核心素养样态指结合最小知识单元落实的学科核心素养要素）亦存在关系，如物理学科核心素养要素是“相互联系的有机整体”，物理学科物理观念核心素养要素落实到“电与磁的联系”和“磁场”知识元所分别体现的“电流的磁效应”观念样态与“磁场”观念样态之间也存在关联[1]。倘若学科认知结构中的知识范畴是“价值旨趣+问题+方法（论）+研究结论”一体化的知识体系，学科核心素养是相互联系的不同类型核心素养要素以及同类型不同核心素养样态的有机整体，那么，聚焦某一特定学科对学生认知结构的表征就能实现对学生学科核心素养的刻画。

由此，本研究以全面刻画学生“掌握了什么”“掌握得怎么样”的双重目标作为逻辑起点，结合学科核心素养发展理念，提出广义知识视角下学生学科认知结构的概念，即学生个体在特定时间点（或时间区间内），聚焦某一特定学科，已建构的学科知识体系及建构度。其中：（1）“知识”指“价值旨趣+问题+方法（论）+研究结论”一体化知识，即学科核心素养的全集。（2）依据知识组织理论，学生已建构的学科知识体系由不同粒度的学科知识单元及学科知识单元间关系构成。（3）“学科知识单元间关系” 指学生个体经由问题解决所建构的知识单元间关系而不是学科知识体系中知识单元间的固有关系，具体指不同粒度学科知识单元（含不同粒度学科核心素养要素）之间、同一粒度学科知识单元（含不同类型核心素养要素以及同类型不同样态核心素养）间的关系，即知识体系中纵向和横向两方面的关系。（4）建构度包括知识单元建构度和知识单元关系建构度。知识单元建构度指在该知识单元范畴内，学生个体所建构的知识与人类社会共同知识的一致程度。知识单元关系建构度指学生建构的知识单元间关系与学科知识体系中知识单元间固有关系的一致程度。知识单元关系建构度对知识单元建构度有影响，二者具有相关关系。依据计量精准性原则，知识单元建构度和知识单元间关系建构度均应为连续量。

三、学生学科认知图谱的意蕴解析与结构构建

基于广义知识视角下学生学科认知结构的概念及其表征能够刻画学生学科核心素养的发展，为了能够实现学生学科认知结构的表征，本研究结合知识图谱技术，进一步提出学生学科认知图谱概念，并在其意蕴解析的基础上构建学生学科认知图谱结构。

（一）学生学科认知图谱内涵指向学生学科核心素养发展的系统、全面和精准刻画

基于前面的论证，对学生学科认知结构的表征能够实现学生学科核心素养的刻画。但是如何表征学生学科认知结构还是一个未解的问题。同时，学生学科核心素养发展具有逻辑性、规律性、动态性等特点。在实际教学过程中，迫切需要动态获得学生认知发展相关数据并有效挖掘数据背后深藏的学生学科核心素养发展趋势、异常和模式，进而为学生提供适应性的教学干预服务[13]。换言之，就是要通过对学生学科认知结构的结构化、语义化和可视化表征，发现和挖掘学生学科核心素养发展的趋势、异常和模式。知识图谱作为领域知识语义化、结构化和可视化表征的有效手段，已成为各行各业从数字化向智能化转型升级的关键技术之一[14]。因此，本研究结合学生学科认知结构表征的需求和知识图谱技术优势，提出学生学科认知图谱概念。学生学科认知图谱是一种面向学生个体核心素养发展，聚焦某一特定学科，对特定时间点（或时间区间）学生学科认知结构的结构化、语义化和可视化表征的图网络。旨在通过学生学科认知结构的表征来刻画学生学科核心素养发展，准确反映各学科独特教育价值在学生身上的发展与落实情况，其内涵指向学生学科核心素养发展的系统、全面和精准刻画。

（二）针对不同教学场景，学生学科认知图谱的外延具有多种尺度、多种形式的表现

构建学生学科认知图谱的目的在于通过对学生学科核心素养发展的刻画，准确反映各学科独特的教育价值在学生身上的发展与落实情况。在实际教学过程中，不同教学场景或阶段存在不同的刻画侧重点。例如：根据知识组织原理和基础教育课程标准强调的过程评价要求，存在适应较小知识簇的小尺度学生学科认知图谱，或适应某一课程（学科）、某一学段下具体知识模块的较大尺度的学生学科认知图谱。再如：根据基础教育课程标准落实教育评价改革的要求，既存在侧重刻画学生在不同阶段或不同知识粒度下学科核心素养发展的学生学科认知图谱，也存在综合考虑学生学科核心素养与课程内容的学业质量水平的学生学科认知图谱等。因此，本研究认为，针对不同实际教学场景，学生学科认知图谱的外延因适应不同知识粒度、不同教育教学需要，具有多种尺度、多种形式的表现。

（三）学生学科认知图谱结构构建

为了能够有效构建学生学科认知图谱图式，本研究在学生学科認知图谱的内涵与外延基础上，从图谱构成的必要因素视角，遵循要素析出的必要性、独立性等原则[15]，进一步析出学生学科认知图谱的5个关键要素，并根据要素与要素之间的核心关系，建构学生学科认知图谱结构。

1. 学生学科认知图谱的关键要素

（1）学生。学生是学习的主体，学生学科认知图谱旨在刻画学生个体学科核心素养发展，因此，学生标识是学生学科认知图谱不可缺少的最基本要素。

（2）学科。不同学科具有各自独特的学科知识逻辑和价值取向，承载着不同的学科核心素养，需清晰表征学生学科认知结构进而刻画学科核心素养发展。

（3）时间戳。时间是自然界中所有实体和关系都具有的重要属性，时间戳是对某一特定时间点（或时间区间）的表示[16]。学生学科核心素养具有发展性，学生学科认知结构随时间的变化而发生动态的演化。

（4）知识单元建构度。根据基础教育课程标准中学科核心素养评价和学业质量评价的要求，知识单元建构度包括知识单元学业建构度和知识单元所承载的学科核心素养建构度。此外，按照表现性、过程性和发展性评价相结合的教学评价原则[17]，知识单元建构度还应该满足结果性和过程性结果描述的需要。

（5）知识单元关系建构度。知识单元关系建构度是对学生建构的知识单元间关系与学科知识体系中知识单元间固有关系一致程度的描述，也是不可缺少的要素。

2. 学生学科认知图谱的核心关系

从学生学科认知图谱概念的内涵出发，可知学生学科认知图谱中各要素之间主要存在六个方面的关系，具体包括：（1）学生学科认知图谱是对学生学习具体学科的学科认知结构的表征，学生要素与学科要素之间存在一对一的学习（相关）关系；（2）学科是由知识单元与知识单元间关系构成的一个体系，学科要素与知识单元建构度要素、知识单元关系建构度要素之间存在约束性相关关系；（3）学生的学科知识建构度包括知识单元建构度和知识单元关系建构度，因而学生要素与知识单元建构度要素、知识单元关系建构度要素之间存在主客体相关关系；（4）知识单元建构度与知识单元间关系建构度相互依赖、互相影响，知识单元建构度要素和知识单元关系建构度要素之间存在相关关系；（5）学生学科认知结构随时间变化而发生动态演化，时间戳要素分别与知识单元建构度要素、知识单元关系建构度要素存在约束性相关关系；（6）不同粒度的知识单元间有上下位或包含关系，知识单元建构度要素和知识单元关系建构度要素在各自内部之间存在相关关系，相互协调，达成动态发展。

基于学生学科认知图谱的关键要素及要素之间的核心关系，本研究建构了学生学科认知图谱的结构模型，如图1所示。

四、学生学科认知图谱图式构建

知识图谱图式构建是知识图谱构建必不可少的重要工作，特定领域的知识图谱图式构建需要结合特定领域知识。根据团队前期提出的学科核心素养发展导向下教育领域知识图谱图式构建方法[14]，本研究基于学生学科认知图谱结构模型，确定学生学科认知图谱的实体类型、实体属性和关系类型，从而构建学生学科认知图谱图式。

（一）实体类型

实体类型是具有相同特点或属性的实体集合的抽象。根据学生学科认知结构概念及学科认知图谱的要素与结构模型，本研究首先确定了知识单元建构度这一实体类型，并根据课程标准中对学业质量评价与学科核心素养水平划分的需要，将知识单元建构度细化为学业质量建构度和学科核心素养建构度。在此基础上，鉴于学科核心素养落地在具体学科所呈现的不同层级（学科核心素养要素的类型、亚类、样态的层级关系），将学科核心素养建构度进一步划分为学科核心素养类建构度、学科核心素养亚类建构度和学科核心素养样态建构度。

（二）实体属性

属性是实体的伴随物，是对实体的解释说明，定义各类实体的属性能够进一步补充完善相应实体的语义信息。针对实体属性的定义，本研究遵循“先确定共有，后补充特性”的原则，先确定上述4种实体类型的共有属性，再针对不同实体类型具体补充需要的特有属性。

在共有属性确定方面，根据学生学科认知图谱概念的内涵和要素，首先为学生学科认知图谱中的知识单元建构度明确学生标识、学科标识及达到该建构度的时间戳3个必不可少的实体属性。然后综合考虑实体的唯一性、清晰性等原则，补充实体类型的序号、名称、描述3个实体属性。最后根据知识单元建构度要素描述，补充结果性建构度和过程性建构度2个实体属性。

在特有属性确定方面：（1）针对学业质量建构度，根据知识单元不同粒度的需要，确定学业质量建构度所处层级和知识单元名称2个属性；（2）针对学科核心素养类建构度，根据学科核心素养大类表征的需要，确定学科核心素养类的名称属性；（3）针对学科核心素养亚类建构度，在确定学科核心素养亚类名称的基础上，需要该学科核心素养亚类上位的学科核心素养大类的名称属性；（4）针对学科核心素养样态建构度，在确定学科核心素养样态名称的基础上，需要补充该学科核心素养样态上位的学科核心素养亚类及学科核心素养类的名称属性。

综上所述，分别整合每个实体类型的共有属性和特有属性，最终确定学业质量建构度10个属性，学科核心素养类建构度9个属性，学科核心素养亚类建构度10个属性，学科核心素养样态建构度11个属性，具体见表1。

（三）实体关系

实体关系是对实体之间内在联系的重要体现，也是图谱语义化实现的关键。从学生学科认知图谱要素及结构模型可知，知识单元建构度实体间存在相关或包含关系，倘若任意两个知识单元建构度实体间存在可量化关系，知识单元关系建构度则反映了关系的程度（即关系的属性）。由此，本研究根据学生学科认知图谱的结构模型及已确定的实体类型，确定了相关关系和包含关系两种实体关系：（1）相关关系根据实体类型和表征目的的不同分为两种：一是揭示同一层级学科核心素养建构度之间存在的非严格量化相关关系；二是揭示学生对学业质量建构度内部同一层级知识单元学业质量建构度之间存在的量化相关关系，由同一層级知识单元学业质量建构度间的相关关系及相关关系量化程度属性共同描述。（2）包含关系存在三种：一是揭示在学科中同一类型不同层级学科核心素养建构度之间存在的量化包含关系，由同一类型不同层级核心素养建构度间的包含关系及包含关系量化程度属性共同描述；二是揭示不同层级学业质量建构度之间存在的量化包含关系，由不同层级知识单元学业质量建构度间的包含关系及包含关系量化程度属性共同描述；三是依据基础教育课程标准中对学业质量水平与学科核心素养水平的界定，学生学科学业质量建构度与学科核心素养建构度之间存在非严格量化包含关系。

五、学生学科认知图谱构建案例

基于所构建的学生学科认知图谱图式，本研究在实验校针对学科实际教学，结合随堂测试、单元测试、期中测试和期末测试的过程性和结果性测试结果，在Neo4j+（https：//neo4j.com/）、PyTorch（https：//pytorch.org/）技术环境下进行了学生学科认知图谱的构建实践。选取人教版高中物理学科“电磁感应与电磁波初步”知识簇，首先从刻画学生学科核心素养生成情况的角度给出学生学科认知图谱示例，然后从刻画学生学科核心素养发展趋势的角度给出学生学科认知图谱示例，最后给出刻画学生学科学业质量水平的学生学科认知图谱示例。

（一）基于学生学科认知图谱刻画学生学科核心素养生成情况

教育部发布的高中新课程标准仅在粗粒度知识模块层面上给出了学生学科核心素养阶段性发展的水平划分与描述，难以直接刻画实际教学中细粒度知识单元所承载学科核心素养生成情况。针对这个问题，已有研究基于布鲁姆认知目标分类理论对细粒度知识单元所承载的学科关键能力进行测评[18]。事实上，学科知识是学科核心素养的主要载体[19]，在不同类型知识的学习过程（记忆、理解、应用、分析、评价、创造）中，不仅应然生成和发展学科关键能力，亦伴随着相应的必备品格和价值观的生成与发展。因此，在广义知识视角下，基于布鲁姆认知目标分类的认知过程，对细粒度知识单元所承载的学科核心素养进行测评是可行的。基于此，本研究结合基础教育课程标准与布鲁姆教育目标认知过程，对知识元、知识簇、知识模块等不同粒度知识单元所承载的学科核心素养进行过程性和结果性评价（因篇幅所限，评价方法另文论述），然后依托本研究提出的学生学科认知图谱图式，构建了表征学生学科核心素养生成情况的学生学科认知图谱。

图2是在单元测试场景下刻画学生对“磁场—磁感线”知识簇所承载学科核心素养生成情况的学科认知图谱，图中实线矩形框标注的学生、学科、时间戳是认知图谱的三个基本属性，不同底纹的椭圆形节点表示该知识簇承载的不同学科核心素养类，不同底纹的圆形节点表示知识簇承载的不同学科核心素养样态，圆形节点内标注的是学科核心素养样态的名称及从过程和结果角度获得的该核心素养样态建构度（取值空间：0.0～1.0），圆形节点之间和椭圆形节点之间的实线连线表示学科核心素养类建构度间及学科核心素养样态建构度间存在的相关关系，椭圆形节点和圆形节点之间的虚线连线表示学科核心素养类建构度与学科核心素养样态建构度间存在的包含关系，虚线上标注的数字表示该关系建构度的程度属性（取值空间：0.0～1.0）。图谱实际操作中点击圆形节点出现的虚线矩形框标注的是序号、名称、学科核心素养样态名称、学科核心素养亚类名称、学科核心素养类名称等属性。

表2给出了“磁场—磁感线”知识簇所承载的学科核心素养。该知识簇的4个知识元承载了电流的磁效应观念、电磁知识作用于生产生活、磁场观念、磁感线模型建构、安培定则、磁与现代科技的应用6个具体的物理学科核心素养样态，体现了物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任4类学科核心素养的一体化。图2刻画了学生（学号1001005）在学习完成后对该知识簇承载的6个物理学科核心素养样态的生成情况，解决了此前难以在细粒度知识单元上刻画学生学科核心素养生成情况的问题。此外，学生学科认知图谱还能够支撑学生学习异常诊断，从图2可以看出，学生的磁场观念的过程性建构度为0.4，而结果性建构度为0.8，二者存在较大差距，需要教师及时关注与干预。

（二）基于学生学科认知图谱刻画学生学科核心素养发展情况

学生学科认知图谱不仅能够表征学生的核心素养生成情况，而且能够表征学生核心素养发展情况。图3展示了2名学生（学号1001003和1001005）在随堂测试、单元测试、期中测试和期末测试四种不同测试场景下“电流的磁效应观念”核心素养样态的发展情况。

从图3可以看出，学生1001005随堂测试时对电流的磁效应观念的建构度为0.6，随着学习的推进，在单元测试、期中测试和期末测试阶段建构度逐步提升，表明学生通过对后续学习内容的联系与整合，实现了深度理解与应用。而与学生1001005相反，学生1001003随堂测试时对电流的磁效应观念的建构度为0.8，随着学习时间的不断拉长，对该观念的建构度不断下降（单元测试时0.7，期中测试时0.6，期末测试时0.6），表明学生1001003并未真正掌握该观念，仅在初学阶段形成较为浅显的理解与应用，造成一种“掌握”的假象，随着时间的推进，可能由于遺忘等原因导致建构度下降，未真正达到深度学习。

（三）基于学生学科认知图谱刻画学生学科学业质量水平

基于本研究提出的学生学科认知图谱图式，还能构建刻画学生在知识簇、知识模块等不同粒度知识单元上的学业质量水平的学生学科认知图谱。图4是刻画学生（学号1001005）在“电磁场与电磁波初步”知识簇上学业质量水平的认知图谱示例，图中实线矩形框标注的是学生、学科、时间戳三个基本属性，平行四边形节点表示“电磁场与电磁波初步”知识簇包含的5个小粒度知识簇，平行四边形节点内标注的是小粒度知识簇的名称及从过程和结果角度获得的学生对该知识簇学业质量水平的建构度，平行四边形节点之间的连线及连线上的数值标注的是学生个体对小粒度知识簇间相关关系的建构度。图谱实际操作中点击平行四边形节点出现的虚线矩形框标注的是序号、名称、所处层级、知识单元名称等属性。

六、结   语

本研究面向学生学科核心素养发展刻画，在广义知识视角下的认知结构与核心素养刻画关系论证的基础上，提出了学生学科认知结构的概念，然后以学生学科核心素养刻画为目标，以学生学科认知结构为中介客体，以知识图谱技术为工具，厘定了学生学科认知图谱的内涵与外延，构建了学生学科认知图谱结构模型和图式，并分别从刻画学生学科核心素养生成、发展及学业质量水平达成的视角给出了学生学科认知图谱构建示例。研究证实了基于学生学科认知图谱能够有效发现和挖掘学生认知发展的趋势、异常和模式，为后续适应性教学干预服务奠定基础，解决了既有研究尚不能有效实现学生学科核心素养发展的结构化、语义化和可视化刻画问题。

本研究成果一方面能够从学生学科核心素养发展刻画的角度丰富和完善教育领域知识图谱相关研究；另一方面也契合全面落实培养担当民族复兴大任时代新人的要求，能够为系统、全面且精准地刻画学生学科核心素养发展提供借鉴与参考，助力学生学科核心素养的落实与发展。

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[Abstract] The effective characterization of the development of students' disciplinary core literacy plays an important role in carrying out the fundamental task of fostering virtue through education and promoting the quality and efficiency of teaching. At present， the characterization of the development of students' disciplinary core literacy is too large and fragmented， and it has not been effectively structured， semanticized and visualized. Using theoretical analysis method， based on the demonstration of the relationship between cognitive structure and core literacy from a broad knowledge perspective， taking the characterization of students' disciplinary core literacy as the goal， students' disciplinary cognitive structure as the mediating object， and knowledge graph technology as the tool， this study defines the connotation and extension of students' disciplinary cognitive graph， and constructs the structure and schema of students' disciplinary cognitive graph. And a practical example of the construction of the graph is given from the perspective of portraying students' disciplinary core literacy production， development and academic quality achievement. It is expected to provide support and reference for portraying the development of students' core literacy comprehensively and accurately.

[Keywords] Students' Disciplinary Cognitive Graph; Development of Disciplinary Core Literacy; Cognitive Structure; Knowledge Graph Schema;  A Broad View of Knowledge