摘要:知识图谱能以可视化图形的方式将知识间的关系呈现出来，揭示出复杂知识之间动态的发展规律和结构关系。知识图谱提出以来，知识图谱在很多相关领域作为技术手段、分析工具、知识管理的方法受到广泛关注和研究，在教育领域也出现了教育知识图谱、学科知识图谱等相关概念。通过对知识图谱在教育领域的研究与应用进行分析，提出知识图谱应用到物理实验教学中的方法和思路。
关键词:教育知识图谱；物理实验教学；知识结构关系
在大数据时代背景下，人们越来越重视对知识的组织和加工。2003年，美国国家科学院基于知识计量、知识管理技术和方法的发展，提出了知识图谱的概念。知识图谱可将复杂领域的知识通过知识抽取[1]、知识融合[2]、知识推理[3]等方式，以可视化的网格形式将知识之间的结构和发展直观地表达出来，呈现出各领域知识动态的发展规律。由于知识图谱在展现知识结构、知识发展进程方面具有直观、清晰、可视化的独特优势，自知识图谱这一概念提出后就受到广泛的关注和应用。比如，可视化工具VO-Sviewer、Citespace通过对导入的文献进行引文分析、共引分析、耦合分析等计量分析，可直观展现出某一领域的研究热点、研究趋势，有利于研究人员对某一领域研究方向的把握；知识图谱中的知识推理为建立客观世界中人类实体知识与计算机语言之间的联系提供了新思路，促使人工智能从感知智能向认知智能的迈进，在优化计算机自然语言处理、智能推荐[4]、问答系统[5,6]等领域都展现出极大的优势。在教育领域，已经出现了教育知识图谱、学科知识图谱等概念，主要针对某一学科进行知识图谱的构建与应用。知识图谱在教育领域的研究主要集中在线上教育[7]，包括学科知识点查询、学科知识关联查询[8]、学科知识自动问答、学科知识资源推荐[9]、个性化学习路径推荐和查询及学习兴趣迁移教育平台的使用实践，推动了“互联网+智能+教育”的发展。然而，将知识图谱应用于线下物理课堂教学的研究还较少，截止作者著稿，以中国知网（CNKI）为样本，仅有2篇论文研究了知识图谱在物理线下课堂教学中的应用。其一为薛钰康[10]的《运用知识图谱指向核心素养的物理复习课教学设计——以初中物理力学综合复习教学为例》，阐述了搭建立体化的力学知识图谱，使学生的物理知识框架和认知结构都得以丰满、立体、关联地展现出来；其二为高晋阳[11]的《知识图谱对中学生创新能力培养的实践研究》，阐述了学生通过知识图谱进行相关知识的学习，提高了创新能力和学习成绩。目前，知识图谱在学科教育中的研究和应用还处于初步阶段，但无论是线上还是线下，知识图谱都体现出学生在个性化学习、合作学习、掌握系统知识结构方面的优势。物理学作为一门以实验为基础的学科，作者将研究如何在线下构建知识图谱，并将其应用于物理实验教学，使学生掌握物理实验知识的动态发展规律和结构特征，提高学生个性化学习和合作学习的能力，促使学生更好地掌握实验原理，增强学生的实验动手能力，为物理实验教学提供一种更好的教学思路。
1知识图谱在教育领域的研究与应用
1.1知识图谱的概念和内涵
目前，学术界对知识图谱的概念有着不同的认识，魏瑞斌[12]在其《机构知识图谱的建构及其应用》中根据国内外学者的研究方法和思路，认为知识图谱可以划分为“知识发现说”、“图形说”、“方法说”、“图形说+方法说”这四种类型。“知识发现说”认为绘制知识图谱的目的是将知识、方法、科学技术等内容有机整合在一起，给我们呈现出清晰的知识结构，便于发现和获取信息；“图形说”认为知识图谱可将知识的结构关系和演进规律以一种可视化的方式呈现出来；“方法说”认为知识图谱是一种能够展示出知识结构体系以及发展规律的研究方法；“图形说+方法说”则是前两种观点的结合。然而，不管是哪一种类型，总体都是将知识单元通过不同类型的图形、图像、网格等形式以可视化的方式呈现出知识的内容、结构及揭示知识的动态发展过程和规律，并在知识构建的过程中演变成不同学科的理论和方法。
1.2教育知识图谱的研究与应用
1.2.1知识图谱在线上教育中的研究KnowEdu等将知识图谱自动构建系统及时更新为各种教育资源，并对资源进行分析、归纳和总结，促使国内外涌现出不少自适应学习系统（Adap-tiveLearningSystem,ALS），如指向高等教育的CogBooks教育平台；指向高等教育、职业教育的SmartSparrow、Declara教育平台等都利用了知识图谱联系与发展知识的特性。通过知识图谱构建的教育平台在帮助学生筛选适合自身学习的内容[8]、资源[7]以及路径[13]上有很强的适用性。美国亚利桑那州立大学2000名学生在使用知识图谱自动构建系统在线教育平台Knewton两学期之后，毕业率从64%提升到75%，数学成绩也大幅提高[7]。2.2.2知识图谱在线下教育中的研究在两篇有关物理知识图谱的文献中，高晋阳[11]以高一物理《相互运动》和《牛顿运动定律》两章知识内容为样本，以Protégé为工具建构了物理学科知识图谱。图1展示了知识图谱的学习界面，学生通过该界面学习一个知识点时，会呈现出与该知识点相关的内容，促使学生联系相关知识，丰富头脑中的知识体系。实践研究表明，将建构的物理知识图谱应用在教学中能够一定程度提升学生的学习成绩和创新能力，为知识图谱应用于物理实验教学提供了借鉴。薛钰康[10]以初中力学的复习课为例，通过启发学生思考以及师生、生生之间互动的方式，搭建了力学的知识图谱（如图2），展示了系统知识之间的关联及其相互关系。他认为，通过老师和学生之间的交流互动与反思，形成学生自己立体的、关联的、系统的认知结构，在这个过程中包含了文化、自主、合作的因素，对学生学科核心素养的提升有促进作用。知识图谱是一种思维可视化的重要表征方式，是提升学生高阶思维能力，实现深度学习的有效途径[14]。对于一个物理实验来说，在实验过程中涉及到的因素众多，若学生对实验原理的整体知识结构没有一个深入的了解，就很难将这些因素分析透彻。如果我们能够将物理实验过程中知识点之间的关系以知识图谱的方式呈现出来，就可以大大增进学生对实验原理的理解，促进学生思考各个知识点之间的联系，提高学生实验动手能力。因此，建构物理实验知识图谱对于学生理解实验、提升实验操作能力具有重要意义。
2知识图谱在物理实验教学中的应用
以“探究加速度与力、质量的关系”实验为例，探讨知识图谱在物理实验教学中的应用。该实验是新课标要求的必做实验，也是提高学生实验动手能力的典型探究实验。结合知识图谱联系与发展知识的特点，通过建构物理实验知识图谱，以直观的网格结构形式将力、加速度和质量等相关知识的联系与发展呈现出来，便于学生理解和掌握相关知识，设计出合理的实验操作方案，从而为提高学生的实验操作能力打好基础。
2.1实验前，联系旧知，探索新知
在“探究加速度与力、质量的关系”实验中，从“物体的运动状态”出发构建部分知识图谱，如图3所示，联系已学知识，引导学生思考新知识。通过图3可以看出，知识图谱能直观地将速度、加速度和运动的关系呈现出来，如速度是描述物体运动状态的物理量，而加速度是描述物体速度变化快慢的物理量，所以加速度可以用来描述物体运动状态变化的快慢。根据上一节所学内容“牛顿第一定律”可知“力是改变物体运动状态的原因且物体运动状态改变的难易程度与物体的质量有关”，由此引出物体运动的加速度、所受的合外力、物体质量之间必然存在着某种关系。教师利用知识图谱以直观的方式给学生讲解，引发学生思考与探究知识点间的联系。此外，以图3展示的知识图谱为中心，从v、a部分可以拓展运动学知识；从F、m部分可拓展力学知识；通过加速度a将力与运动的知识结合起来。通过知识图谱将碎片化的知识组织起来，展现知识点间的动态发展规律，在学生头脑中形成系统的实验前期知识结构。实验后将实验得到的结果和规律以文字、图表等形式补充到知识图谱中，让学生在自主构建知识图谱的过程中领略知识的系统结构和发展关系。
2.2实验中，基于知识图谱，把握实验环节
陈悦[15]等认为知识图谱描绘的对象包含了研究问题、解决问题的过程和方法。在实验教学的每一个环节，学生自主探究、合作交流，从而激发学生的学习兴趣，充分体现学生学习的主体地位。在实验知识图谱的指导下，教师的角色转变为教学的“引导者”、“辅助者”，学生在各学习环节中自主构建知识体系，成为实验教学的“主体”。学生在完善知识图谱相应内容的过程中，结合图3思考a、F、m的相互关系，确定实验目标。图4为实验教学流程图，该图以实验目标为导向，揭示了实验中各环节的联系，呈现出教学的整体框架，对实验的教和学都具有宏观指导作用。
2.3实验后，构建系统知识，促进深度学习
学生绘制知识图谱的过程是一个对所学知识进行深入思考的过程，教师也可以根据学生绘制的知识图谱了解学生对知识的掌握情况，从而对学生进行个性化的指导。在绘制实验知识图谱的过程中，学生各抒己见，共同讨论出最佳方案，从而加深学生对所学知识的认识，有效促进学生的合作学习。
3总结
在物理实验教学过程中，知识图谱可作为实验原理和实验操作的桥梁，还可以作为学生准备实验、进行实验、总结实验的工具。利用知识图谱开展物理实验教学，教师应先向学生渗透知识图谱的思想方法，引导学生建构物理实验的知识图谱。在实验过程中，学生利用知识图谱把实验原理与实验操作联系起来，并在实验报告中绘制出实验的知识图谱。通过知识图谱学生可以发现实验中存在的问题，又可以加深对整个实验的理解，同时教师也可以清晰地了解学生的思路和对知识的掌握情况，并在教学中进行改进。因此，建构物理实验知识图谱对于学生理解整个实验以及对实验的拓展都有重要意义，能提高学生的核心素养。
作者:王华钰 林卓婷 周庭艳 支启军 吴波 单位:贵州师范大学物理与电子科学学院 遵义师范学院物理与电子科学学院
