普通高中生物學(xué)知識(shí)圖譜驅(qū)動(dòng)的學(xué)科教學(xué)智能化改造

普通高中生物學(xué)知識(shí)圖譜驅(qū)動(dòng)的學(xué)科教學(xué)智能化改造摘要

傳統(tǒng)課堂基于班級(jí)授課制，存在低效操練，缺乏個(gè)性，師生負(fù)擔(dān)重等問(wèn)題。本研究構(gòu)建了以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向、基于知識(shí)圖譜的高中生物學(xué)智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，通過(guò)教學(xué)資源的智能化重組賦能教育教學(xué)，探索人機(jī)協(xié)同教學(xué)新模式，減負(fù)增效，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的因材施教。本研究將生物學(xué)新課標(biāo)中所有知識(shí)點(diǎn)和核心素養(yǎng)要求解構(gòu)形成知識(shí)圖譜，支持計(jì)算機(jī)的推理和計(jì)算，匹配開(kāi)發(fā)了15305個(gè)微課、動(dòng)畫(huà)、試題等資源積件并科學(xué)標(biāo)注，基于知識(shí)路徑矩陣模型、學(xué)習(xí)者畫(huà)像和教學(xué)策略模型，構(gòu)建了生物學(xué)智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)?；谌藱C(jī)協(xié)同教育理念，探索了傳統(tǒng)課堂融合智能技術(shù)的嵌入式、診斷補(bǔ)償式等教學(xué)模式。研究成果先后在150多所高中、4萬(wàn)余名學(xué)生中進(jìn)行了6年實(shí)踐。實(shí)證表明，該系統(tǒng)可賦能教學(xué)，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)過(guò)程可視化、學(xué)情診斷精準(zhǔn)化、學(xué)習(xí)資源推送個(gè)性化等，減少學(xué)生無(wú)效操練，提升學(xué)習(xí)效率，為教師備課和個(gè)別輔導(dǎo)提供智能支持；同等學(xué)習(xí)強(qiáng)度下，學(xué)生學(xué)業(yè)水平考試成績(jī)顯著提升；研究形成的生物學(xué)領(lǐng)域知識(shí)圖譜構(gòu)建技術(shù)和推薦算法在物理、數(shù)學(xué)等學(xué)科得到廣泛推廣。關(guān)鍵詞

知識(shí)圖譜

生物學(xué)

智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)

人機(jī)協(xié)同

教學(xué)新模式

一、問(wèn)題提出（一）教師精準(zhǔn)備課缺乏“常態(tài)”的數(shù)據(jù)支持傳統(tǒng)班級(jí)授課制背景下，教師多是按照班級(jí)的“平均水平”進(jìn)行授課，缺乏個(gè)性化和差異化，薄弱的學(xué)生“跟不上”，優(yōu)秀的學(xué)生“吃不飽”，導(dǎo)致教師課堂教學(xué)中低效操練，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性大幅度下降。即使有些通過(guò)區(qū)域統(tǒng)考或月考獲得的數(shù)據(jù)反饋，但是“顆?！陛^大，往往針對(duì)的是一個(gè)主題或單元，對(duì)精準(zhǔn)教學(xué)意義較小，因此需要“常態(tài)化”數(shù)據(jù)支持教師的精準(zhǔn)備課。在教育智能化改造的大背景下，數(shù)據(jù)賦能為教師精準(zhǔn)備課提供了有效支持。［1］（二）學(xué)生面臨“信息過(guò)載”和“信息迷航”問(wèn)題在學(xué)科學(xué)習(xí)中，學(xué)生遇到薄弱的學(xué)習(xí)內(nèi)容多是求助于教師，缺乏即時(shí)性和有效性。線上的學(xué)習(xí)資源雖然很多，但面對(duì)海量的在線學(xué)習(xí)資源，學(xué)生往往面臨“信息過(guò)載”和“信息迷航”等問(wèn)題，在學(xué)習(xí)過(guò)程中需要花費(fèi)大量的時(shí)間去尋找資源，為學(xué)生推薦個(gè)性化的學(xué)習(xí)資源來(lái)提升學(xué)習(xí)效果，已成為當(dāng)前研究的重要方向［2］?；谥R(shí)圖譜和圖嵌入的個(gè)性化學(xué)習(xí)資源推薦方法能顯著提升計(jì)算效率和個(gè)性化學(xué)習(xí)資源推薦的準(zhǔn)確度［3］。將學(xué)習(xí)資源與知識(shí)圖譜相關(guān)聯(lián)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化的推送，實(shí)現(xiàn)“資源找人”，將大大提高學(xué)科學(xué)習(xí)的效率。（三）大規(guī)模的因材施教難以落實(shí)于實(shí)際教學(xué)“有教無(wú)類”“因材施教”是中國(guó)教育的千年古訓(xùn)。不同的學(xué)生在性格、喜好、興趣和行為上都存在較大差異，通過(guò)因材施教可以滿足不同學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展需求［4］。當(dāng)前對(duì)因材施教的“解決方案”多是讓有的學(xué)生做基礎(chǔ)題，有的學(xué)生做拓展題，不僅難以實(shí)現(xiàn)因材施教，更有可能給部分學(xué)生造成心理傷害。在教育智能化改造的大背景下，人工智能賦能教育為促進(jìn)因材施教提供了全新的思考方式和解決路徑。（四）靜態(tài)的知識(shí)體系難以被機(jī)器識(shí)別和處理為了便于教學(xué)，現(xiàn)有的教材是將章節(jié)按照知識(shí)邏輯和學(xué)科邏輯構(gòu)成了一個(gè)完整的學(xué)習(xí)體系，但是這種知識(shí)的編排方式是靜態(tài)的、固定的，計(jì)算機(jī)很難進(jìn)行識(shí)別和處理，而且知識(shí)和知識(shí)之間的關(guān)聯(lián)因?yàn)槭艿浇滩木幣彭樞虻南拗?，并沒(méi)有做到有效的關(guān)聯(lián)。而人工智能時(shí)代，計(jì)算機(jī)架構(gòu)的立體性、動(dòng)態(tài)性、多維性等，不能簡(jiǎn)單地把教材中平面、靜態(tài)的知識(shí)直接搬到計(jì)算機(jī)中，而是需要重構(gòu)新的知識(shí)系統(tǒng)和學(xué)習(xí)體系，而重構(gòu)這些體系的底層邏輯就是知識(shí)圖譜，通過(guò)知識(shí)圖譜將知識(shí)變成動(dòng)態(tài)的、多維的、計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的語(yǔ)言，才能實(shí)現(xiàn)線上教學(xué)的智能評(píng)判、智能推送。［5］

二、問(wèn)題解決的過(guò)程與方法項(xiàng)目組解決問(wèn)題的基本思路是以高中生物學(xué)為例，開(kāi)發(fā)指向素養(yǎng)提升的智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，并將智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)應(yīng)用到傳統(tǒng)課堂教學(xué)中，探索智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的人機(jī)協(xié)同教學(xué)新模式，提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。2014年至今，先后經(jīng)過(guò)了3個(gè)重要版本的迭代(如表1)。研究構(gòu)建了基于知識(shí)圖譜的個(gè)性化學(xué)習(xí)模型(如圖1)，模型分為知識(shí)圖譜層、智適應(yīng)學(xué)習(xí)層和系統(tǒng)應(yīng)用層，體現(xiàn)了知識(shí)圖譜作為學(xué)習(xí)支持工具與學(xué)習(xí)者的個(gè)性化學(xué)習(xí)過(guò)程的深度融合，在記錄與追蹤學(xué)習(xí)者的基本信息、認(rèn)知水平、能力水平、情感態(tài)度等個(gè)性特征基礎(chǔ)上，將其與知識(shí)圖譜中的實(shí)體屬性進(jìn)行關(guān)聯(lián)。學(xué)習(xí)者在知識(shí)圖譜的支持下，在目標(biāo)設(shè)定、路徑選擇、資源選擇、自主學(xué)習(xí)、監(jiān)控評(píng)價(jià)、反饋調(diào)節(jié)等學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中發(fā)揮個(gè)人感知、決策判斷與修正等主體作用，積極主導(dǎo)并完成學(xué)習(xí)活動(dòng)。在此過(guò)程中，學(xué)習(xí)者會(huì)結(jié)合個(gè)人的時(shí)間、學(xué)習(xí)需求等學(xué)習(xí)規(guī)劃進(jìn)行目標(biāo)設(shè)定，也會(huì)結(jié)合個(gè)人知識(shí)狀態(tài)進(jìn)行路徑選擇，還會(huì)結(jié)合個(gè)人偏好進(jìn)行資源選擇，并在個(gè)人學(xué)習(xí)狀態(tài)感知基礎(chǔ)上進(jìn)行監(jiān)控評(píng)價(jià)，從而滿足自身個(gè)性發(fā)展需求。［6］［7］［8］［9］表1

基于知識(shí)圖譜智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的3個(gè)版本迭代圖1

研究的技術(shù)框架

（一）高中生物學(xué)知識(shí)圖譜建設(shè)2014年，項(xiàng)目組開(kāi)始探索高中生物學(xué)知識(shí)樹(shù)結(jié)構(gòu)的建設(shè)，建立了高中《生命科學(xué)》知識(shí)樹(shù)的結(jié)構(gòu)，這成為知識(shí)圖譜建設(shè)的雛形。2016年，著手在建立高中生物學(xué)知識(shí)圖譜時(shí)，先通過(guò)專家打標(biāo)的形式將生物學(xué)知識(shí)系統(tǒng)進(jìn)行切分，將每個(gè)學(xué)科知識(shí)作為一個(gè)“實(shí)體”，進(jìn)行“實(shí)體”和“實(shí)體”之間的關(guān)聯(lián)(例如“葉綠體”是“光反應(yīng)”的前置關(guān)系)，并標(biāo)注了“實(shí)體”的“屬性”和“屬性值”(例如“葉綠體”的“位置”屬性的屬性值是“葉肉細(xì)胞”)，用類似方式將生物學(xué)核心知識(shí)按照“實(shí)體”“關(guān)系”“屬性”和“屬性值”系統(tǒng)建立了龐大的語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)。2018年，新課程標(biāo)準(zhǔn)頒布，以學(xué)科核心素養(yǎng)導(dǎo)向的教學(xué)改革拉開(kāi)帷幕，在知識(shí)圖譜迭代中，基于《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》核心知識(shí)與核心素養(yǎng)，共梳理出覆蓋高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)的1109個(gè)學(xué)科知識(shí)點(diǎn)（如主動(dòng)運(yùn)輸、自由擴(kuò)散、協(xié)助擴(kuò)散、細(xì)胞膜等）和16個(gè)核心素養(yǎng)要求（如結(jié)構(gòu)與功能觀、進(jìn)化與適應(yīng)觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀、物質(zhì)與能量觀、歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維等），把生物學(xué)核心素養(yǎng)的“素養(yǎng)”融入到知識(shí)圖譜中，并與其他“實(shí)體”建立了有效關(guān)聯(lián)，將聚焦于知識(shí)表達(dá)的知識(shí)圖譜轉(zhuǎn)向著眼于核心素養(yǎng)導(dǎo)向的知識(shí)圖譜。隨著基于知識(shí)圖譜的智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的建立，學(xué)生在系統(tǒng)中學(xué)習(xí)產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)反饋修正知識(shí)圖譜中“實(shí)體”與“實(shí)體”的關(guān)系數(shù)值。例如，專家認(rèn)為知識(shí)1和知識(shí)2之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)是0.3，可是通過(guò)學(xué)生學(xué)習(xí)的大數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)兩者之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)是0.5，從而以機(jī)器學(xué)習(xí)不斷地對(duì)知識(shí)圖譜進(jìn)行迭代優(yōu)化。（二）匹配知識(shí)圖譜的資源圖譜建設(shè)雖然已有學(xué)者對(duì)學(xué)科知識(shí)圖譜展開(kāi)研究，但多是解決知識(shí)的切分、呈現(xiàn)、表達(dá)、關(guān)聯(lián)和搜索，沒(méi)有聚焦知識(shí)圖譜的教育屬性，教育價(jià)值不大。為實(shí)現(xiàn)知識(shí)圖譜的教育價(jià)值，項(xiàng)目組組織了上海市教育名師300多名，建設(shè)了與知識(shí)圖譜相匹配的資源圖譜，為知識(shí)圖譜中的“實(shí)體”匹配了15305個(gè)微課、動(dòng)畫(huà)、文本和測(cè)評(píng)試題，深入研究了指向核心素養(yǎng)的命題技術(shù)，開(kāi)發(fā)了核心素養(yǎng)進(jìn)階測(cè)評(píng)模型，以及指向生物學(xué)核心素養(yǎng)的測(cè)評(píng)試題開(kāi)發(fā)路徑和技術(shù)。資源圖譜中的微課建設(shè)以“情境任務(wù)→概念建構(gòu)→問(wèn)題解決”為邏輯，時(shí)間大概2—3分鐘，試圖通過(guò)微課系統(tǒng)開(kāi)發(fā)理念的改變，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)，確保核心素養(yǎng)價(jià)值導(dǎo)向融入資源圖譜建設(shè)中。［10］（三）智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)所依據(jù)的教學(xué)策略模型教學(xué)策略模型是開(kāi)發(fā)智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的規(guī)范和引導(dǎo)。主流教學(xué)策略模型有三種：講解輔助的建構(gòu)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)的探究、評(píng)價(jià)驅(qū)動(dòng)的補(bǔ)救。三種模型彼此交叉，生成多種路徑，加上學(xué)習(xí)空間的支持，智能系統(tǒng)的打開(kāi)過(guò)程將是一場(chǎng)多源、異步的對(duì)話。本研究提出在建設(shè)基于知識(shí)圖譜的智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)中遵循的三個(gè)教學(xué)策略模型：一是“微課+評(píng)價(jià)+資源推送”，為偏好聽(tīng)講的學(xué)習(xí)者提供智能型數(shù)字教材系統(tǒng)里的微課視頻，匹配以知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的測(cè)試題，根據(jù)測(cè)試結(jié)果得出其知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)的反饋結(jié)果與評(píng)價(jià)。其學(xué)習(xí)過(guò)程是“學(xué)習(xí)內(nèi)化—學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)—評(píng)價(jià)反饋”無(wú)限循環(huán)的螺旋上升。二是“設(shè)計(jì)問(wèn)題鏈”，通過(guò)加入啟發(fā)性議題、引導(dǎo)性議題和探究性議題，設(shè)計(jì)出具有沉浸感的學(xué)習(xí)模式，用問(wèn)題鏈驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)者不斷深入地開(kāi)展探究與學(xué)習(xí)。三是“測(cè)試評(píng)價(jià)+資源推送”，主要提供試題測(cè)試，然后給出評(píng)價(jià)，再開(kāi)展有針對(duì)性的學(xué)習(xí)。通過(guò)完成試題的結(jié)果，系統(tǒng)反饋給教師和學(xué)習(xí)者知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，據(jù)此開(kāi)展驗(yàn)證性評(píng)價(jià)，然后根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果決定推送給學(xué)習(xí)者的視頻、動(dòng)畫(huà)等學(xué)習(xí)資源，并給予針對(duì)性輔導(dǎo)，把教學(xué)策略模型作為智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的建設(shè)維度。（四）智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)所依據(jù)的學(xué)習(xí)者畫(huà)像模型在智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)中，學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)會(huì)留下許多數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分析形成學(xué)習(xí)者畫(huà)像(如圖2)。學(xué)習(xí)者畫(huà)像描繪了學(xué)習(xí)者第1次學(xué)習(xí)的行為數(shù)據(jù)與第2次、第3次的區(qū)別及變化，包括學(xué)習(xí)行為路徑、測(cè)試的正確率、學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)，甚至包括學(xué)習(xí)者哪類題目一做就對(duì)，哪類題目耗時(shí)很久還是做錯(cuò)等。這些行為數(shù)據(jù)全面呈現(xiàn)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)情況，可以幫助學(xué)習(xí)者建立錯(cuò)題數(shù)據(jù)庫(kù)，學(xué)習(xí)者可通過(guò)賬號(hào)登錄智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)查閱自己的錯(cuò)題本。［11］圖2

學(xué)習(xí)者畫(huà)像學(xué)習(xí)者畫(huà)像是一份詳盡的學(xué)情報(bào)告，有助于教師了解每位學(xué)習(xí)者，知曉其起點(diǎn)在哪里、怎么給予幫助。例如，學(xué)習(xí)者A一登錄智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)識(shí)別，并顯示其某個(gè)知識(shí)點(diǎn)始終沒(méi)有掌握。學(xué)生群體的學(xué)習(xí)情況也可以通過(guò)群體畫(huà)像展現(xiàn)。教師可以清晰地了解學(xué)生哪些知識(shí)點(diǎn)出現(xiàn)了共性的錯(cuò)誤，據(jù)此調(diào)整授課計(jì)劃，例如下一節(jié)課該講什么內(nèi)容，是否需要增加訓(xùn)練量，哪些方面必須增加講解的精細(xì)度等，從而改進(jìn)教學(xué)。（五）知識(shí)路徑矩陣（KPM）資源推薦算法的研究在香港科技大學(xué)首席副校長(zhǎng)、英國(guó)皇家工程院院士郭毅可指導(dǎo)下，項(xiàng)目組開(kāi)發(fā)了基于知識(shí)圖譜的知識(shí)路徑矩陣（KPM）算法與平臺(tái)。構(gòu)建流程主要包含三個(gè)部分：一是使用專家經(jīng)驗(yàn)初始化矩陣；二是利用標(biāo)簽化題庫(kù)提升矩陣的度量精度；三是通過(guò)不斷累積的學(xué)習(xí)樣本數(shù)據(jù)持續(xù)進(jìn)化更新矩陣中的度量值。如圖3為KPM核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖，如圖4為基于KPM的平臺(tái)架構(gòu)。這為智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)建設(shè)提供了算法和平臺(tái)框架。［12］［13］圖3

KPM核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖（六）基于知識(shí)圖譜的智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)建設(shè)以知識(shí)圖譜為基礎(chǔ)，以資源圖譜為支撐，以學(xué)習(xí)者畫(huà)像為起點(diǎn)，以教學(xué)策略模型為核心，以KPM為推薦算法，以學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)為反饋，以提升學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)為根本導(dǎo)向，項(xiàng)目組與技術(shù)公司合作，開(kāi)發(fā)了指向素養(yǎng)提升的智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)。智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的學(xué)生學(xué)習(xí)端是APP和網(wǎng)頁(yè)，教師教學(xué)端是電腦軟件，學(xué)生班級(jí)和任課教師進(jìn)行綁定。在此過(guò)程中，項(xiàng)目組組織團(tuán)隊(duì)教師，從技術(shù)與內(nèi)容方面，對(duì)導(dǎo)入學(xué)習(xí)平臺(tái)的資源包括試題、微課、文本等，與知識(shí)圖譜中的“實(shí)體”進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，對(duì)試題的難度初始值進(jìn)行了設(shè)置，前后共進(jìn)行了6輪核對(duì)與打標(biāo)，確保平臺(tái)資源的正確性及其與知識(shí)點(diǎn)匹配的科學(xué)性。還組織教師對(duì)平臺(tái)內(nèi)容與技術(shù)進(jìn)行了全面測(cè)試，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)平臺(tái)進(jìn)行了修訂與完善。

（七）探索人機(jī)協(xié)同的智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)教學(xué)模式智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)對(duì)接了上海市平臺(tái)，已經(jīng)升級(jí)為上海市教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型“三大助手”深化應(yīng)用項(xiàng)目，在全市各類型學(xué)校150多所高中的4萬(wàn)余名學(xué)生中進(jìn)行多輪實(shí)踐，并通過(guò)研討課、同課異構(gòu)、主題論壇等教研方式進(jìn)行展示，歸類提煉了嵌入式、翻轉(zhuǎn)式、補(bǔ)償式等人機(jī)協(xié)同教學(xué)新模式。通過(guò)計(jì)算機(jī)記錄的學(xué)生學(xué)習(xí)路徑、學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，推送的個(gè)性化資源，為教師精準(zhǔn)備課、精準(zhǔn)互動(dòng)提供了數(shù)據(jù)和資源支撐。計(jì)算機(jī)處理簡(jiǎn)單個(gè)性的問(wèn)題，教師則在課堂上引導(dǎo)學(xué)生合作解決真實(shí)情境的問(wèn)題，建構(gòu)復(fù)雜的核心概念，提升生物學(xué)核心素養(yǎng)［14］，從而建立了課前、課中、課后及超越課堂的智能教與個(gè)性學(xué)模型，為學(xué)科教學(xué)與學(xué)生素養(yǎng)發(fā)展提供新的模式。

三、成果主要內(nèi)容（一）構(gòu)建了多維的、動(dòng)態(tài)的、計(jì)算機(jī)識(shí)別與計(jì)算的高中生物學(xué)知識(shí)圖譜通過(guò)專家模型和學(xué)生測(cè)試的大數(shù)據(jù)建立了高中生物學(xué)的知識(shí)圖譜(如圖5)。每個(gè)圓表示一個(gè)實(shí)體，圓的從大到小表示知識(shí)等級(jí)由高到低；圓和圓之間的聯(lián)系表示兩個(gè)實(shí)體之間的關(guān)系，從實(shí)線到虛線表示兩個(gè)知識(shí)之間關(guān)系從親密到疏遠(yuǎn)；圓的顏色由綠色到紅色表示學(xué)生對(duì)該知識(shí)掌握程度由高到低。學(xué)生通過(guò)基于知識(shí)圖譜的智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)學(xué)習(xí)產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)可以修正知識(shí)圖譜中知識(shí)與知識(shí)之間的關(guān)系數(shù)值，而這個(gè)關(guān)系數(shù)值則是智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)智能推送的重要依據(jù)，于是知識(shí)圖譜和智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)在大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下處于動(dòng)態(tài)變化的“協(xié)同進(jìn)化”狀態(tài)。從圖5可以看出，相比于早期的知識(shí)圖譜，大數(shù)據(jù)“滋養(yǎng)”的知識(shí)圖譜中知識(shí)關(guān)聯(lián)更加豐富。表2列舉了一部分實(shí)體和實(shí)體之間的定量關(guān)聯(lián)系數(shù)，例如如果學(xué)生掌握了“分泌蛋白的合成和運(yùn)輸”這個(gè)知識(shí)點(diǎn)，可以認(rèn)為學(xué)生對(duì)“流動(dòng)鑲嵌模型”“高爾基體”“內(nèi)質(zhì)網(wǎng)”“核糖體”等知識(shí)點(diǎn)的掌握分別是0.02、0.72、0.54和0.43。圖5

可視化的高中生物學(xué)知識(shí)圖譜表2

實(shí)體與實(shí)體之間的定量關(guān)聯(lián)系數(shù)舉例（二）形成了利用基于知識(shí)圖譜智適應(yīng)系統(tǒng)提升學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)的路徑以提升學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)為導(dǎo)向，提出了核心素養(yǎng)融入知識(shí)圖譜的方法、智能推送的邏輯算法、指向核心素養(yǎng)的微課開(kāi)發(fā)方法、生物學(xué)核心素養(yǎng)進(jìn)階測(cè)評(píng)的技術(shù)等，得到學(xué)科專家和技術(shù)專家認(rèn)可。主要有三個(gè)：一是將核心素養(yǎng)的要求融入到知識(shí)圖譜中。例如，推理與演繹是科學(xué)思維素養(yǎng)的組成之一，微課中講述了如何進(jìn)行推理與演繹，相應(yīng)測(cè)評(píng)試題的開(kāi)發(fā)側(cè)重推理與演繹的方法，而弱化知識(shí)載體。二是基于核心素養(yǎng)要求建設(shè)微課、動(dòng)畫(huà)、文本等資源。例如，微課的開(kāi)發(fā)模式是“情境任務(wù)→概念建構(gòu)→問(wèn)題解決”，通過(guò)資源開(kāi)發(fā)理念的創(chuàng)新提升學(xué)生的核心素養(yǎng)［15］［16］。三是深入研究生物學(xué)核心素養(yǎng)進(jìn)階測(cè)評(píng)技術(shù)，構(gòu)建了生物學(xué)核心素養(yǎng)進(jìn)階測(cè)評(píng)模型和側(cè)重不同核心素養(yǎng)試題的開(kāi)發(fā)路徑，使測(cè)評(píng)試題系統(tǒng)靶向核心素養(yǎng)，有利于智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的精準(zhǔn)評(píng)判和推薦。［17］［18］（三）建設(shè)了基于知識(shí)圖譜的、指向素養(yǎng)提升的智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)基于知識(shí)圖譜的智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)包括學(xué)生的學(xué)習(xí)端（APP或網(wǎng)頁(yè)）和教師的教學(xué)端（電腦軟件）。學(xué)生的學(xué)習(xí)端包括“AI學(xué)伴”“班級(jí)”“發(fā)現(xiàn)”“個(gè)人中心”四個(gè)模塊(如圖6)?！癆I學(xué)伴”模塊主要是學(xué)生自主學(xué)習(xí)，應(yīng)用場(chǎng)景包括三個(gè)：一是自主預(yù)習(xí)，基本邏輯是“選擇章節(jié)→通過(guò)微課等學(xué)習(xí)→試題測(cè)評(píng)→推送個(gè)性化資源→……”。二是同步鞏固，基本邏輯是“選擇章節(jié)→試題測(cè)評(píng)→學(xué)習(xí)結(jié)果診斷→推送個(gè)性化資源→試題再推送→……”。三是精準(zhǔn)復(fù)習(xí)，基本邏輯是“選擇章節(jié)→設(shè)計(jì)目標(biāo)→試題推送→學(xué)習(xí)結(jié)果診斷→個(gè)性化推送學(xué)習(xí)資源→個(gè)性化試題推送→學(xué)習(xí)結(jié)果診斷→……”?！鞍嗉?jí)”模塊主要是教師引導(dǎo)下的課堂教學(xué)或作業(yè)，包括“智能講義”和“課后作業(yè)”。“發(fā)現(xiàn)”模塊主要是學(xué)生的學(xué)習(xí)畫(huà)像，包括“錯(cuò)題本”“收藏夾”“我的數(shù)據(jù)”，讓學(xué)生能夠反思學(xué)習(xí)過(guò)程?！皞€(gè)人中心”模塊主要是一些教材版本、姓名修改等功能。教師的教學(xué)端主要提供課前備課、講義發(fā)布、課堂講課、作業(yè)發(fā)布、學(xué)情分析等功能，并提供微課、交互系統(tǒng)、圖文、試題等資源，幫助教師了解學(xué)生學(xué)情，實(shí)現(xiàn)課堂師生之間的即時(shí)互動(dòng)和個(gè)性化作業(yè)的發(fā)布等。圖6

基于知識(shí)圖譜、指向素養(yǎng)提升的智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)（四）構(gòu)建了基于智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的人機(jī)協(xié)同教學(xué)模式在利用基于知識(shí)圖譜的智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐中，探索了四種人機(jī)協(xié)同的教學(xué)模式，分別是嵌入式、沙龍式、翻轉(zhuǎn)式、診斷補(bǔ)償式，并構(gòu)建了每一種學(xué)習(xí)形態(tài)的學(xué)習(xí)流程(如圖7)，相關(guān)研究在全國(guó)處于領(lǐng)先。個(gè)性化問(wèn)題和簡(jiǎn)單問(wèn)題由平臺(tái)來(lái)完成，從而爭(zhēng)取到課上師生合作探究解決真實(shí)情境問(wèn)題的寶貴時(shí)間，使課堂更加精準(zhǔn)和高效。圖7

基于智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的人機(jī)協(xié)同教學(xué)模式1.實(shí)現(xiàn)了學(xué)習(xí)路徑的可視化，為精準(zhǔn)教學(xué)提供依據(jù)教師可以通過(guò)平臺(tái)查看學(xué)生學(xué)習(xí)路徑，通過(guò)分析學(xué)習(xí)路徑為精準(zhǔn)教學(xué)提供依據(jù)。例如，在“溫度對(duì)光合速率影響”的教學(xué)中，教師根據(jù)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為此內(nèi)容和“光合作用中酶的活性”關(guān)聯(lián)，學(xué)生沒(méi)學(xué)好可能是酶特性沒(méi)有學(xué)好導(dǎo)致的，但是講下來(lái)的效果甚微。學(xué)習(xí)路徑表明，很多學(xué)生在學(xué)習(xí)這個(gè)內(nèi)容時(shí)都要經(jīng)過(guò)“蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)”，基于此教師再進(jìn)行教學(xué)時(shí)強(qiáng)化了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的講解，效果很明顯。2.實(shí)現(xiàn)了學(xué)生診斷精準(zhǔn)化，提高課堂教學(xué)效率在現(xiàn)有的學(xué)生診斷數(shù)據(jù)中，反饋給學(xué)生的診斷結(jié)果“顆?！陛^大，多是以模塊或章節(jié)的形式反饋。例如，數(shù)據(jù)反饋細(xì)胞代謝模塊較為薄弱，而細(xì)胞代謝模塊包含了30多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生并不知道具體哪些知識(shí)點(diǎn)出現(xiàn)了問(wèn)題，可能會(huì)把30多個(gè)知識(shí)點(diǎn)一起復(fù)習(xí)，花費(fèi)大量的時(shí)間和精力。知識(shí)圖譜智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)以知識(shí)點(diǎn)為單位對(duì)學(xué)生的學(xué)情進(jìn)行診斷反饋，“顆粒”較小，可以清晰地呈現(xiàn)每個(gè)學(xué)生對(duì)每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度。由此，學(xué)生更加精準(zhǔn)地知道哪些內(nèi)容學(xué)習(xí)學(xué)得比較好，哪些比較薄弱，從而大幅度減少學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)教學(xué)。（五）通過(guò)KPM算法為學(xué)生自主學(xué)習(xí)進(jìn)行智能推送破除“打標(biāo)簽”的資源推送方式，創(chuàng)造性地以KPM算法進(jìn)行學(xué)習(xí)資源的個(gè)性化推送，綜合學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況推送適合的學(xué)習(xí)資源，并能依據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況即時(shí)改變推送路徑，例如根據(jù)上一道試題解答情況決定下一道試題的推送內(nèi)容。同時(shí)，基于知識(shí)圖譜的智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)建立了各個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)，并經(jīng)過(guò)大數(shù)據(jù)和算法將這些關(guān)聯(lián)進(jìn)行量化處理，例如知識(shí)1與知識(shí)2、3、4的關(guān)聯(lián)系數(shù)分別為0.6、0.9和0.4，當(dāng)學(xué)生在知識(shí)1出現(xiàn)問(wèn)題后，系統(tǒng)除了優(yōu)先推薦知識(shí)1的相關(guān)資源外，還會(huì)推送關(guān)聯(lián)系數(shù)最大的知識(shí)3的學(xué)習(xí)資源。當(dāng)然這種關(guān)聯(lián)系數(shù)會(huì)隨著使用學(xué)生人數(shù)的增加不斷地進(jìn)行修正，從而實(shí)現(xiàn)資源和作業(yè)推送的精準(zhǔn)化和個(gè)性化，促進(jìn)學(xué)生課外高效、自主、個(gè)性化學(xué)習(xí)，減負(fù)增效。相關(guān)推薦算法也為其他學(xué)科智適應(yīng)推薦提供了參考。此外，智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)學(xué)生的整體學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，推送個(gè)性化的作業(yè)，在實(shí)踐中可以據(jù)此設(shè)計(jì)個(gè)性化作業(yè)和整體作業(yè)的數(shù)目。

四、效果與反思（一）取得的效果1.構(gòu)建了基于知識(shí)圖譜的智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，以及人機(jī)協(xié)同的教學(xué)模式高中生物學(xué)智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)是基于知識(shí)圖譜，指向?qū)W生核心素養(yǎng)提升，作為新形態(tài)智慧型教學(xué)資源，支持學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)和多樣化的教學(xué)樣態(tài)。基于該系統(tǒng)，項(xiàng)目組探索了人機(jī)協(xié)同教學(xué)模式，推動(dòng)教學(xué)流程再造，形成了以學(xué)定教、先學(xué)后教、少教多學(xué)、個(gè)性發(fā)展的高效課堂模式。在智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)構(gòu)建中，創(chuàng)新了科學(xué)教育領(lǐng)域的知識(shí)圖譜建設(shè)技術(shù)、個(gè)性化精準(zhǔn)推送算法、指向素養(yǎng)提升的智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)等，讓合適的資源或任務(wù)在合適的時(shí)間通過(guò)合適的方式推送給合適的學(xué)習(xí)者，該技術(shù)和人機(jī)協(xié)同教學(xué)模式為2021年國(guó)家教育數(shù)字化戰(zhàn)略行動(dòng)樞紐工程之“知識(shí)圖譜的新型教材建設(shè)”提供了先行實(shí)踐，也為其他學(xué)科知識(shí)圖譜和智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的研究提供了重要參考。2.顯著提升學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)和學(xué)業(yè)成績(jī)基于知識(shí)圖譜的生物學(xué)智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)已經(jīng)在上海市多所學(xué)校進(jìn)行廣泛使用，為了研究智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的有效性，項(xiàng)目組在上海市實(shí)驗(yàn)性示范高中、區(qū)實(shí)驗(yàn)性示范性高中、區(qū)普通高中共6所中學(xué)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，參與班級(jí)12個(gè)班，共計(jì)學(xué)生492名。學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行前測(cè)，并利用SPSS進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，所有學(xué)校對(duì)照班和實(shí)驗(yàn)班的學(xué)生前測(cè)成績(jī)無(wú)顯著性差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班級(jí)學(xué)業(yè)成績(jī)進(jìn)行后測(cè)分析，并對(duì)教師、學(xué)生和家長(zhǎng)進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查和訪談。后測(cè)顯示，所有學(xué)校實(shí)驗(yàn)班學(xué)生成績(jī)均高于對(duì)照班級(jí)，且有顯著性差異?？梢哉J(rèn)為，智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)對(duì)促進(jìn)學(xué)生學(xué)業(yè)成績(jī)提升具有一定的促進(jìn)作用，除了學(xué)業(yè)成績(jī)外，實(shí)驗(yàn)班學(xué)生進(jìn)行了多次實(shí)踐活動(dòng)，踐行健康生活、環(huán)境保護(hù)、責(zé)任擔(dān)當(dāng)，完成的“某區(qū)城鄉(xiāng)居民對(duì)城市濕地生態(tài)服務(wù)功能及保護(hù)現(xiàn)狀的調(diào)查與研究”“南匯東灘鹽沼濕地大型底棲動(dòng)物潮周期變化特征及影響因子”等十多項(xiàng)課題獲得上海市青少年科技創(chuàng)新大賽一二等獎(jiǎng)。除此之外，項(xiàng)目組對(duì)594名學(xué)生、56名教師和258名家長(zhǎng)進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，多數(shù)學(xué)生、教師和家長(zhǎng)支持適當(dāng)利用智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)賦能課堂教學(xué)。在教師調(diào)研中，82.15%教師認(rèn)為智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)可以減輕教學(xué)負(fù)擔(dān)；94.64%認(rèn)為智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)促進(jìn)教師的精準(zhǔn)備課；91.07%教師認(rèn)為智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)即時(shí)互動(dòng)，尤其是布置課后作業(yè)智能方便；80.36%教師認(rèn)為智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)能夠提高班級(jí)的教學(xué)成績(jī)，對(duì)薄弱學(xué)生補(bǔ)救學(xué)習(xí)有很大幫助，在教學(xué)中發(fā)揮了重要作用。在學(xué)生調(diào)研中，82.15%的學(xué)生認(rèn)為系統(tǒng)能判斷自己的薄弱點(diǎn)，并推送相關(guān)的學(xué)習(xí)資料，系統(tǒng)中的課程資源利于學(xué)生的自主學(xué)習(xí)；82.82%的學(xué)生利用智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了薄弱知識(shí)的補(bǔ)救學(xué)習(xí)；72.39%的學(xué)生認(rèn)為智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的使用提高了自己的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)動(dòng)力和學(xué)習(xí)效率；69.53%的學(xué)生學(xué)業(yè)成績(jī)得到了明顯提升。在家長(zhǎng)調(diào)研中，76.74%的家長(zhǎng)認(rèn)為孩子使用智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)學(xué)習(xí)時(shí)的狀態(tài)認(rèn)真，智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)對(duì)孩子學(xué)習(xí)有幫助；97.73%的家長(zhǎng)支持適當(dāng)利用智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)布置生物學(xué)作業(yè)。3.為全國(guó)教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供可推廣實(shí)踐案例智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)是上海市第四期“雙名工程”高峰計(jì)劃孵化推廣項(xiàng)目，并于2022年升級(jí)為